Vlastnosti výroby větrného mlýna se svislou osou otáčení

Větrné elektrárny (WPP) přeměňují kinetickou energii větru na mechanickou nebo elektrickou energii, vhodnou pro praktické použití. Větrné turbíny vyrábějí elektrickou energii pro domácí nebo průmyslové potřeby. Které větrné turbíny jsou nejúčinnější a nákladově efektivní? Jak určit výkon větrné turbíny na základě velikosti větrného kola? Odpovědi na tyto otázky naleznete níže.

Jaké typy větrných turbín existují?

Větrné turbíny se liší orientací osy otáčení vzhledem ke směru větru a typem větrné turbíny.

Na základě orientace osy otáčení se větrné turbíny dělí na větrné turbíny s vertikální osou rotace a větrné turbíny s horizontální osou otáčení. Větrné turbíny s horizontální osou tvoří asi 95 % všech větrných turbín připojených k rozvodným sítím.

Větrné turbíny se také zásadně liší v tom, jak jakou sílu použijí k přeměně na mechanickou – tlak větru nebo zdvihací síla. Na této vlastnosti výrazně závisí účinnost větrné turbíny. Teoretické účinnosti jsou stejné: pro první typ 0,22, pro druhý – 0,59 (podle teorie Zhukovsky Betz).

Větrné turbíny, které využívají sílu tlaku větru, mají právo na život, ale věda a zkušenosti již dávno prokázaly jejich velmi nízkou účinnost ve srovnání s vrtulemi nebo jinými, které využívají vztlakovou sílu křídla. To je přibližně jako lopatková kola předrevolučních parníků ve srovnání s běžnou vrtulí jakékoli moderní lodi nebo člunu. Takové větrné turbíny mají vysokou spotřebu materiálu a v důsledku toho vysoké specifické náklady.

Ortogonální větrné turbíny se svislou osou otáčení, které využívají vztlakovou sílu křídla, mají účinnost o něco menší než vrtule, takže i jejich účinnost je vysoká. Ale takové turbíny s vertikální osou mají ještě jednu nevýhodu – nemohou se samy začít otáčet a pro jejich spuštění je třeba je roztočit – buď ze sítě, nebo pomocí jiné větrné turbíny, která má startovací moment (Savonius k těmto účelům se často používá turbína).

Lidé si často myslí, že čím více lopatek má větrná turbína, tím lépe funguje a je výkonnější. To je špatně. Moderní větrné turbíny odebírají energii z celé zametané oblasti lopatek, nejen z oblasti samotných lopatek. Proč tomu tak je, je jasně vysvětleno ve videu níže, které stručně nastiňuje Žukovského-Betzovu teorii. Podle této teorie nemůže být maximální teoretická účinnost větrné turbíny větší než 0,59. Moderní vrtulové a ortogonální turbíny již dosáhly účinnosti 0,5.

Větrná turbína Daria

Myšlenku tohoto větrného generátoru navrhl francouzský vynálezce Darrieus v roce 1920. Tuto myšlenku však začali vážně rozvíjet až v roce 1970. V současné době je větrný generátor Darrieus považován za hlavního konkurenta větrných generátorů s konvenčními větrnými koly.
Jeho zvláštností je, že využívá vztlakovou sílu aerodynamiky lopatek, které mají v průměru tvar křídla. Startovací moment takového rotoru je malý a rychlost je vysoká. Díky tomu je jeho síla v poměru k vlastní hmotnosti největší. To vám umožňuje mít jednu nebo více lopatek a několik variant tvaru rotoru.
Výkon současných větrných generátorů je mnohem větší než u jejich předchůdců – větrných turbín. Listy kol jsou velmi lehké a zároveň odolné. Jsou vyrobeny ze syntetických materiálů nebo oceli. Jejich výkon závisí nejen na rychlosti větru, ale také na schopnosti jej zachytit. Zdvojnásobení rotace vrtule má za následek čtyřnásobné zvýšení množství vyrobené elektřiny.
Konstrukce jakéhokoli typu větrné elektrárny bez ohledu na výkon je téměř stejná. Skládá se ze stožáru, kontejneru na generátor a převodovky s lapačem větru. Stožár může být několika typů: pravidelný kotvený, teleskopický nebo monolitický. Pohyblivé uložení generátoru a rotorového kontejneru umožňuje, aby vrtule byla neustále otočena k čelu větru.

Větrné turbíny s vertikální osou (VAWT) jsou obecně méně účinné než větrné turbíny s horizontální osou (HAWT) z následujících důvodů:

• Čepel zažívá odpor při otáčení, protože na části trajektorie by se měl pohybovat proti směru větru
• VOVT jsou často instalovány v nižších výškách (země nebo střecha budovy), kde je rychlost větru nižší.
• OHVT mají problémy spojené s vibracemi, jako je hluk a rychlejší opotřebení nosné konstrukce (protože proudění vzduchu je v malých výškách turbulentnější).
• Zatížení elektrického generátoru od hmotnosti větrné turbíny, pokud je instalována na stejné hřídeli jako elektrický generátor.

Důležitým parametrem větrného kola je Rychlost. Rychlost je poměr lineární rychlosti lopatky k rychlosti větru. U větrných turbín, které využívají tlak větru, je rychlost vždy menší než 1. Mezi takové větrné turbíny patří rotační, miskovité a další podobné typy větrných turbín. Rotor Savonius má rychlost o něco větší než jednota, protože kromě tlaku větru využívá i reaktivní sílu. U větrných turbín, které používají vztlak křídel, je rychlost listu větší než rychlost větru.

Paradoxní, jak se to může zdát, čím méně lopatek je ve větrném kole, tím vyšší je jeho účinnost. To bylo ověřeno jak teoretickými studiemi, tak testy v aerodynamickém tunelu, i když rozdíl mezi 1, 2, 3 lopatkami je zanedbatelný. S klesajícím počtem lopatek však klesá i moment odtržení a výkon při nízkých rychlostech větru se zhoršuje. Jednolopatkové větrné turbíny mají také vážné problémy s vyvážením a spolehlivostí větrných kol.

Větrné generátory se 2-3 lopatkami jsou vysokorychlostní s vyšší účinností a rychlostí otáčení, ale zároveň mají nízký rozběhový moment rotoru. Proto je výhodné kombinovat vysokorychlostní větrné generátory s elektrickým generátorem, protože elektrický generátor má vysokou rychlost otáčení (pro zlepšení hmotnostních a rozměrových charakteristik) a nízký startovací moment. Nízkorychlostní vícelopatkové větrné turbíny jsou obvykle spojeny s vodními čerpadly, která mají vysoký startovací moment a nižší rychlost otáčení. Vysokorychlostní 3listé větrné generátory se staly rozšířenější než 1-2 lopatkové, a to i přes jejich vysokou cenu. 3-listý rotor generuje méně vibrací a vypadá estetičtěji. Proto jsou na celém světě 3 uznávány jako optimální počet lopatek pro větrnou turbínu s horizontální osou.

Co určuje výkon větrné turbíny?

Výkon větrné turbíny závisí na rychlosti větru, zametané ploše a účinnosti větrné turbíny. To jsou hlavní faktory ovlivňující výkon (a tedy energii) produkovaný větrnou turbínou. Produkce je také ovlivněna turbulencí proudění větru, hustotou vzduchu a rovnoměrným rozložením rychlosti větru po zametané oblasti.

Rychlost větru je nejdůležitějším prvkem při návrhu a použití větrné turbíny. Generovaný výkon je úměrný krychle rychlosti větru a čtverec průměru rotoru. To znamená, že když se rychlost větru zdvojnásobí, možná generovaná energie se zvýší 8krát. Větrná turbína pracující při průměrné rychlosti 6 m/s tedy generuje o 44 % vyšší výkon než při rychlosti 5 m/s. Pokud je rychlost větru určena místem, kde je větrná turbína postavena, pak je průměr jejího rotoru konstrukčním prvkem, jehož velikost závisí na mnoha konstrukčních parametrech. Nejčastěji se řeší inverzní problém: nastaví se projektovaný výkon větrné turbíny a následně se určí požadovaný průměr při určité návrhové rychlosti.

Vzorec výkonu větrné turbíny je následující:

kde ρ= 1,22 – hustota vzduchu (standardní), kg/m3
V – rychlost větru, , m/s
η_г·η_м— koeficienty účinnosti generátoru a mechanického převodu mezi větrným kolem a generátorem,
C_p — faktor využití větrné energie (WEC), v závislosti na profilu lopatek a dalších provozních parametrech, jehož mezní hodnota je 0,593 a hodnota dosažená v provozu je 0,4–0,45,
A je plocha větrné turbíny, v případě vrtulové turbíny se vypočítá podle vzorce:

kde D, m je průměr rotoru, π = 3,14.

Průměr rotoru větrné turbíny se zvyšuje z 1 na 3000 m se zvýšením výkonu větrné turbíny z 2 na 100 kW a výška věže se zvyšuje z 8 na 100 m U větrných turbín nad 150 kW se průměr rotoru a věž zvyšuje výška je přibližně stejná.

Rychlost větru se zvyšuje s výškou nad úrovní země, takže čím vyšší je stožár větrné turbíny, tím účinnější bude větrná turbína.

Neměli byste se nechat unést hledáním větrných turbín, které začínají pracovat při nízkých rychlostech větru – až 3 m/s, protože při těchto rychlostech větru je jeho energie zanedbatelná. Například pro větrnou turbínu o průměru vrtule 5 m bude generovaný výkon při rychlosti větru 2 m/s menší než 30 W a polovina tohoto výkonu půjde na všemožné ztráty v mechanických prvcích, generátor a regulátor a zbývajících 15 W je mizivé množství pro baterie určené pro jmenovitý výkon 5 kW. Takže kromě potěšení z pohledu na otáčející se větrné kolo nic jiného nezískáte.

Velmi důležitým parametrem při návrhu větrných turbín je faktor využití instalovaného výkonu (IUR), který dává představu o provozní účinnosti větrné turbíny. Toto je poměr průměrného výkonu generátoru k maximálnímu možnému. Většina moderních větrných turbín pracuje s faktorem využití instalovaného výkonu 25 až 35 %. Elektrárny pracující na neobnovitelné zdroje energie mají faktor využití instalovaného výkonu 40 až 80 %. Nejlepší větrné turbíny za dobrých větrných podmínek pracují s koeficientem 0,5. Na kapacitní faktor má kromě průměrné roční rychlosti větru vliv i čas strávený údržbou a opravou větrné turbíny.

Větrná turbína se skládá z následujících hlavních subsystémů a komponent:

1. rotor nebo lopatka, která přeměňuje větrnou energii na rotační energii hřídele,
2. kabina nebo gondola, ve které je obvykle umístěna převodovka (některé turbíny pracují bez převodovky),
3. generátor a další elektromechanické systémy,
4. věž nebo stožár, který nese rotor a kabinu,
5. elektrická a elektronická zařízení, jako jsou ovládací panely, elektrické kabely, uzemňovací zařízení, zařízení pro připojení k síti, systém ochrany před bleskem, systém skladování a stabilizace elektřiny atd.

Jak vybrat větrný generátor?

Častou chybou je výběr výkonu větrné turbíny na základě špičkového výkonu zatížení. Větrný generátor, stejně jako solární panely, je zdrojem energie, nikoli energie. Výpočet systému větrné energie se proto provádí v několika krocích a je vhodné, aby to provedl odborník.

Pro výběr větrného generátoru je třeba nejprve určit vaši spotřebu v kW*hodinách za měsíc, špičkový (celkový) výkon všech zařízení a pokusit se zjistit průměrné roční a průměrné měsíční rychlosti větru ve vaší oblasti. Poslední parametr není vždy možné určit s dostatečnou přesností. I když obdržíte data o dlouhodobých rychlostech větru z nejbližší meteostanice, není pravda, že místo, kde bude vaše větrná turbína instalována, bude mít přesně takovou rychlost větru. U velkých větrných elektráren je proto nutné alespoň jeden rok sledovat rychlost větru a následně korelovat získaná data s daty z nejbližší meteostanice. Pro malé větrné turbíny je tato cesta příliš drahá a velmi často jsou malé větrné turbíny instalovány na vlastní nebezpečí majitele. V takových případech se obvykle, pokud není dostatek větru, uznává, že rozhodnutí nainstalovat větrnou turbínu bylo špatné. Pokud je dobrý vítr, pak je dalším krokem obvykle zvýšení výkonu malé větrné farmy.

Chcete-li získat elektřinu v požadovaném objemu, musíte pochopit, že množství energie generované větrnou turbínou přímo závisí na ploše, kterou větrná turbína zametá, nebo na maximálním průřezu větrné turbíny. Pro zajištění minimální zásoby pár žárovek, TV, lednice, rychlovarné konvice musí být průměr větrného mlýna při mírném větru alespoň 2,5 metru.

Zvláštní pozornost by měla být věnována nejen výkonu větrné turbíny (konkrétně větrné turbíny, nikoli měniče obsaženého v sadě), ale také při jaké rychlosti větru lze tento výkon získat. Někteří prodejci prezentují nafouknutá čísla. Chcete-li to provést, nebuďte příliš líní vypočítat pomocí jednoduchého vzorce výkon, který může vyrobit větrný mlýn s vrtulí určitého průměru. Tento výkon prakticky závisí pouze na rychlosti větru V a průměru větrné turbíny D a všechny ostatní faktory – počet lopatek, jejich hmotnost, plocha, profil, zkroucení, generátor, ložiska atd. – jsou druhotné a nejsou dát velkou chybu.

Zjednodušený vzorec pro výpočet skutečného výkonu generovaného větrem v závislosti na rychlosti větru a průměru vrtule:

P = D 2 V 3 /7000, kW,

s přesností ±20 % (v závislosti na účinnosti turbíny a generátoru). +20% – ideální větrná turbína, její cena se zvýší 2-3x. -20% – první větrný mlýn amatérského nadšence. Pokud je výkon větrné turbíny stejný, vyberte tu s větším průměrem větrného kola.

Někteří výrobci prezentují výsledky foukání svých větrných turbín silou ve větrném tunelu. To je dobré a svědčí to o seriózním přístupu k podnikání. Je však třeba počítat s tím, že výkon v aerodynamickém tunelu a v přírodě ve větru se liší přibližně o 10-30% z důvodu idealizace proudění vzduchu v potrubí. Skutečné proudění větru má turbulence, což výrazně zhoršuje parametry větrného kola.

Výkon generovaný větrným generátorem je úměrný třetí mocnině rychlosti větru. To znamená, že výkon větrného generátoru při slabém větru (i když se točí) je velmi malý. Ale jak vítr sílí, dochází k prudkému nárůstu výkonu. A protože vítr v praxi vane konstantní rychlostí a směrem pouze v aerodynamickém tunelu, je jasné, že výkon generovaný větrným generátorem je hodnota, která se v čase neustále mění. Proto každý energetický systém využívající jako zdroj energie větrný generátor musí mít stabilizační článek.

V malých autonomních systémech roli takového článku obvykle hraje baterie. Pokud je výkon větrného generátoru větší než výkon zátěže, baterie se nabíjí. Pokud je výkon zátěže větší, baterie je vybitá. To vede k následující důležité vlastnosti větrného generátoru jako zdroje energie: pokud je většina ostatních zdrojů vybrána na základě špičkového výkonu, větrné generátory by měly být vybrány na základě množství elektřiny spotřebované za měsíc (nebo za rok, jak chcete ).

Ukažme si to na příkladu. Na břehu moře, kde se průměrná rychlost větru blíží 6 m/s, stojí dům, kam přijíždí na víkend tříčlenná rodina. Elektrická zařízení se také zapínají pouze o víkendech. Spotřeba za den dosahuje 15 kW*h, při špičkovém zatížení až 3 kW. Měsíční spotřeba energie je tedy 120 kWh. Při průměrné roční rychlosti větru 6 m/s dokáže malý 120wattový větrný generátor vyrobit 700 kWh za měsíc. Kromě toho bude potřeba velkokapacitní baterie pro uchování energie po dobu 5 dnů a 3 kW invertor (který převádí stejnosměrné napětí baterie na standardní střídavé napětí) pro pokrytí špičkového zatížení.

Jak vidíte, v každém z výše uvedených případů se výkon větrného generátoru několikrát liší od špičkového výkonu zátěže. Špičkový výkon zátěže určuje výkon měniče. Samotný větrný generátor určuje pouze množství výkonu v určitém časovém období při určité průměrné měsíční rychlosti větru. Kromě průměrné rychlosti větru existují podrobnější vstupy pro hodnocení zdrojů větru, tzv. Weibullovy distribuční parametry, které odrážejí rozložení trvání větru dané síly pro danou lokalitu a používají se při návrhu větrných elektráren s kapacitou desítky MW.

V jakých případech je výhodné použít větrný generátor?

Větrné elektrárny se nejvýhodněji používají v místech, kde nelze instalovat obecnou elektrickou síť, nebo je připojení velmi nákladné, stejně jako v místech s častými výpadky elektřiny. Větrné elektrárny má smysl instalovat, pokud průměrná roční rychlost větru v místě přesahuje 3 m/s.

Obecně platí, že při průměrné roční rychlosti větru vyšší než 4 m/s ve výšce 10 m (v této výšce jsou na meteostanicích instalovány anemometry – přístroje, které měří rychlost větru), lze efektivně využívat větrné turbíny a větrné s nižší rychlostí je vhodný pro zařízení na zvedání vody.

Cenově nejefektivnější aplikace větrných turbín nastává, pokud jsou větrné turbíny sloučeny do skupin. Říká se jim větrné elektrárny (WPP) a v zahraničí „větrné elektrárny“. Jejich výkon se pohybuje od stovek kilowattů až po stovky megawattů. Větrné turbíny s vysokým výkonem nejsou navrženy tak, aby fungovaly nezávisle nebo paralelně. Jakmile se tedy vypne vedení pro přenos energie spojující větrnou turbínu s energetickým systémem, zastaví se i větrná farma. Obvykle je při navrhování komunikace zajištěna dvěma silovými vedeními z různých míst v energetickém systému. Pro jednotlivé větrné turbíny a malé větrné farmy napájející určitou zátěž je nutné mít záložní zdroj energie (dieselový generátor, agregát s plynovou turbínou, solární panely).

Následující subjekty Ruské federace mají v Rusku dobré větrné podmínky: Archangelsk, Astrachaň, Volgograd, Kaliningrad, Kamčatka, Leningrad, Magadan, Murmansk, Novosibirsk, Perm, Rostov, Sachalin, Ťumenská oblast, Krasnodar, Přímořsko, území Chabarovsk, Dagestán, Kalmykia. Karélie, Komi. Něnecký autonomní okruh, Chakassie, Čukotka, Jakutsko, Jamalsko-něnecký autonomní okruh.

Na základě provozních zkušeností větrných elektráren instalovaných v Ruské federaci je jejich kapacitní faktor v průměru 12 %. Jak vidíme, ruské větrné elektrárny mají nízký kapacitní faktor. Je to dáno jak nízkou průměrnou roční rychlostí větru v místech, kde jsou instalovány, tak dlouhými prostoji.

Jaké dokumenty a povolení jsou potřeba k instalaci větrného generátoru?

Dovážené větrné turbíny nepodléhají certifikaci. Větrnou elektrárnu o výkonu až 75 kW a výšce až 30 metrů můžete snadno nainstalovat na svůj pozemek pro osobní nekomerční použití. K tomu nejsou potřeba žádné doklady, osvědčení ani povolení.

Diskuze na toto téma z našeho fóra

• Potřebuju povolení pro instalaci větrných turbín?
• Je možný větrný generátor na střeše 9patrové budovy!?
• Jak kombinovat solární panel a větrný generátor?

Tento článek byl přečten 77638 krát!

Některé země, které vážně uvažují o dalších zdrojích elektřiny, využívají u elektráren větrné generátory s horizontální osou rotace. Nedávné výzkumy v oblasti technologií však naznačují, že v budoucnu se hlavním zdrojem energie z větru stanou větrné turbíny s vertikální osou rotace. Všechny dnes známé generátory lze rozdělit do dvou typů. Typ generátoru závisí na typu osy, která pohání mechanismus. Osa může být horizontálního nebo vertikálního typu.

Větrné generátory s vertikální osou – výhody a nevýhody:

Vědci, kteří pozorovali větrný generátor s vertikální osou, dokázali zjistit, že v následujících oblastech je tento typ generátoru mnohem lepší než jeho horizontální protějšek:

Není potřeba drahé přídavné zařízení, které detekuje směr větru a nasměruje generátor k proudu vzduchu;

Výše uvedené výhody jsou docela pádným důvodem pro pokračování výzkumu v této oblasti. Vertikální větrné elektrárny však mají spolu s výhodami řadu významných nevýhod:

Obrovský objem lopatek. Snad nejvýznamnější nevýhodou tohoto typu větrných generátorů. U horizontální turbíny s celkovým objemem lopatek 90 metrů může přijatá energie dosáhnout 1-3 kW, aby bylo dosaženo podobných výsledků, lopatky vertikální turbíny musí mít celkovou plochu 270 metrů.

Instalace větrného generátoru:

Jedinou nezbytnou podmínkou pro provoz větrného generátoru je přítomnost konstantního větru dostatečné síly. Proto před instalací vertikálního větrného mlýna stojí za to najít místo, kde může vítr foukat, aniž by se setkal s překážkami. Ideální místo pro instalaci větrné turbíny bude obvykle na vrcholu útesu nebo vysokého kopce nebo na střeše domu, pokud to splňuje technické požadavky. Zvláštní pozornost by měla být věnována upevnění celé konstrukce zařízení na výrobu větru, protože konstantní vibrace a tlak větru ji mohou snadno zhroutit.

Místo, kde bude instalace větrné turbíny nejúčinnější, můžete určit pomocí internetu. Stačí zadat do vyhledávače dotaz na pohyb větru v oblasti, kde žijete. Mimochodem, pomocí takových informací je možné určit, zda bude ekonomicky výhodné instalovat vertikální větrný generátor a jak brzy vrátí prostředky investované do něj.

Pracovní princip:

Větrné generátory vytvářejí během rotace turbín tři působící síly najednou: impulsní, vztlakovou a brzdnou sílu, která je působí proti nim. Impulzní a zdvihací síla způsobí roztočení lopatek generátoru. V důsledku toho rotor generátoru vytváří magnetické pole na statoru. Díky magnetickému poli vzniká elektřina.

Stojí náklady za to?

Před nákupem vertikálního větrného generátoru musíte zvážit klady a zápory. Pokud například proudění vzduchu obchází vaši oblast, pak se efektivita používání výkonného zařízení pravděpodobně nevyplatí. Pro takový terén může být vhodné použít generátor s nízkým výkonem.

Někdy jsou místa, kde se směr proudění vzduchu může měnit i vícekrát za den, v takovém případě je samozřejmě na místě zamyslet se nad tím, zda je vhodné použít větrné turbíny, pokud ano, pak je v tomto případě jediná možná možnost; použít větrný generátor s rotací svislou osou.

Cena za generátory se liší v závislosti na kapacitě elektrárny. Stanici o výkonu 2 kW lze tedy pořídit za 6200 10 dolarů a pokud výkon dosáhne 40000 kW, pak cena za takový vertikální větrný generátor může dosáhnout 0,6 3000 dolarů. Chcete-li získat elektřinu schopnou dobíjet baterie v autě nebo mobilním telefonu, můžete si koupit stanici o výkonu XNUMX kW, její cena nepřesáhne XNUMX XNUMX $.
Generátory se mohou výrazně lišit v ceně v závislosti na výrobci a jejich typu. Cena větrné turbíny od tuzemského výrobce je většinou o třetinu levnější než dovážená a kvalita stanice je téměř stejná.

Pořízení větrné elektrárny je možné za předpokladu, že je možné investovat velké množství peněz do dlouhodobé investice a jsou příznivé povětrnostní podmínky.