Правильное расположение ветрогенератора
В регионах с высокой скоростью ветра, в прибрежных зонах и на объектах, где в зимний период солнечная электростанция «не справляется», для автономного энергоснабжения используют ветрогенераторные станции – «ветрогенераторы», (сокращённо ВГ). Но на большей территории нашей страны средняя скорость ветра составляет всего 4-5м/сек., тогда как ветрогенератору для выработки «номинальной мощности» требуется 10-12м/сек.. Именно поэтому нет никаких сомнений в важности правильной и продуманной установки устройства, достичения точки, где винт его окажется в зоне с максимальной скоростью ветра.
Мощность ветрогенератора и зависимость от скорости ветра и высоты мачты
Почему же так важно «не потерять» ни одного метра в секунду? Определим зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра.
1. Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений) W=1/2mV2, где m — масса воздуха, V – его скорость.
2. Массу воздуха, проходящего за время t и площадь S можно выразить следующим образом: m=VtSρ, где: S – площадь, описываемая винтом ВГ, ρ – плотность воздуха.
3. Чтобы определить мощность (P), делим энергию на время, подставляем выражение для массы, получаем: P=1/2V3Sρ.
4. Если теперь умножить выражение на КПД устройства в целом, включающее в себя коэффициент преобразования лопастей винта, коэффициент полезного действия редуктора и генератора (ƞ), получим реальную мощность «ветряка»: P=1/2V3Sρ ƞ. На практике обычно значение ƞ лежит в пределах 0,4-0,5.
Как видно из расчета, мощность ВГ пропорциональна третей степени скорости ветра, то есть увеличение скорости в 2 раза даст увеличение мощности в 8 раз!
Таким образом, скорость ветра и отсутствие турбулентностей (завихрений) должны иметь решающее значение при выборе места установки ветрогенератора. Из этих соображений идеально подходят:
- берег крупного водоема;
- вершина горы или возвышенности;
- центр протяженного поля.
Увы, в реальной жизни мало кто имеет на своем участке моря, поля и горы. Поэтому принцип только один – чем выше установка, тем лучше. В идеале, Ветрогенератор должен быть выше не менее, чем на 6 (шесть) метров окружающих его предметов (дома, деревьев, строений, возвышенностей), чтобы оказаться в зоне ламинарного движения воздуха.
Приведем простой пример, который можно легко проверить в on-line калькуляторе для расчета на нашем сайте. Рассмотрим модель пятилопастного ветрогенератора HY-1000, стоящий в «бесконечном» поле вблизи Санкт-Петербурга:
- При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки;
- Если увеличить высоту мачты до 10 метров, получим 2,43 кВтч/сутки;
- Увеличим высоту до 20 метров и получим уже – 3,12 кВтч/сутки.
Вывод напрашивается сам собой — часто вместо увеличения мощности ветрогенератора достаточно увеличить высоту мачты.
Решающая роль места установки «ветряка» в эффективности энергосистемы
Очень велик соблазн приделать мачту ветрогенератора к дому для увеличения высоты всей конструкции. Несмотря на очевидные плюсы, данный подход имеет ряд минусов:
Во-первых, установка издает звуки, и звуки эти отлично могут быть переданы по мачте на конструкцию дома, что со временем будет раздражать его жителей. Во-вторых, если здание находится в черте города, могут потребоваться дополнительные согласования в надзорных органах.
Стоит также обратить внимание на конструкцию самой мачты. Если горизонтальные линейные размеры мачты сравнимы или превышают размеры ВГ, то, собственно, сама мачта может являться источником турбулентности.
Очень показательный пример, когда мачта по сути мешает работать системе, плюс частично затеняет солнечные батареи, представлен на фотографии.
Особое внимание нужно уделить выбору сечения кабеля. Так как ВГ находится на мачте, а контроллер заряда где-то в доме, длина линии может быть значительной, равно как и падение напряжения. Это может привести к снижению эффективности заряда аккумуляторных батарей. Из этих соображений, площадь сечения кабеля должна быть достаточно большой, чтобы данный эффект был незначителен. Для расчёта площади сечения кабеля следует обратиться к правилам, описанным в статье Расчёт сечения провода.
В отличие от монтажа солнечных батарей, установка «ветряка» часто влечет за собой капитальные строительные работы, такие как бетонирование основания, монтаж свай для растяжек, сварочные работы. Тем не менее, правильно выполненный монтаж обеспечит надежную и эффективную работу системы, и максимальную выработку энергии на протяжении всего срока эксплуатации.
Все о лопастях ветряных турбин — 10 самых популярных вопросов по ветроэнергетике
Ветряная турбина (ветроэлектрическая установка), также известная как ветрогенератор, представляет собой механическое устройство, которое преобразует кинетическую энергию, создаваемую ветром, в электрическую энергию.
Долгий опыт эксплуатации и испытаний ветроэлектрических установок позволил создать конструкцию с аэродинамическим дизайном, которая позволяет сочетать производительность, экономичность и масштабируемость.
Лопасти ветряной турбины играют важную роль, и их форма, угол наклона, вес и используемые материалы могут иметь большое влияние на эффективность турбины для производства электроэнергии.
Лопасти ветряных турбин должны иметь аэродинамический профиль, чтобы создавать подъемную силу и генерировать максимальный крутящий момент для вращения турбины и привода генераторов. Таким образом, форма лопасти ветряной турбины имеет жизненно важное значение для основного функционирования машины.
1. Как длина лопастей влияет на ветроэлектрическую установку?
Ветроэлектрическая установка с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для использования энергии ветра.
2. Какая длина у лопастей ветряной турбины?
На сегодняшний день наиболее распространенные промышленные ветряные турбины имеют высоту около 70 метров. Их выходная мощность зависит от размера и высоты, но обычно она колеблется от одного до пяти мегаватт
Лопасти таких ветряных турбин в среднем имеют длину около 50 метров, что позволяет им охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии.
До этого года самые длинные в мире лопасти имела ветряная турбина, произведенная компанией LM Wind Power — 107 метров. На данный момент, рекордсменом по этому параметру считаются ветряные турбины Siemens Gamesa Renewable Energy мощностью 14 МВт, в которых используются 108-метровые лопасти.
В настоящее время разрабатываются и более длинные лопасти. Так датский производитель ветряных турбин Vestas в этом году планирует провести испытания лопасти ротора длиной длиной 115,5 метров для нового прототипа ветряной турбины V236-15,0 МВт в Фраунгоферовском институте ветроэнергетических систем IWES в Бремерхафене в Германии. Ожидается, что эти ветряные турбины будут построены и введены в коммерческую эксплуатацию в 2024 году.
3. Какой формы лопасти ветряка лучше всего?
Чем быстрее дует ветер, тем больше подъемная сила создается на лопасти, следовательно, тем быстрее вращение. Преимущества изогнутой лопасти ротора по сравнению с плоской лопастью заключаются в том, что подъемная сила позволяет концам лопастей ветряной турбины двигаться быстрее, чем движется ветер, создавая большую мощность и более высокую эффективность.
Слегка изогнутые лопасти турбины могут улавливать на 5–10 % больше энергии ветра. Изогнутые лопасти также более эффективно работают в районах с более низкой скоростью ветра.
Оптимальной формой лопасти ветряной турбины является изогнутая лопасть с аэродинамическим профилем, поскольку эта форма обеспечивает более высокие скорости вращения, что идеально подходит для выработки электроэнергии.
Изогнутая форма лопасти создает подъемную силу за счет низкого давления воздуха, создаваемого на стороне с наибольшей кривизной, и сил воздуха высокого давления на другой стороне аэродинамического профиля в форме лопасти. Эти две силы создают подъемную силу, перпендикулярную потоку воздуха над лопастями турбины.
Хорошо спроектированная лопасть ротора турбины создаст точное количество подъемной силы и тяги, обеспечивающее оптимальное воздушное замедление для повышения эффективности лопасти.
4. Должны ли лопасти ветроенераторов быть тяжелыми или легкими?
Лопасти ветрогенераторов должны быть легкими, так как они более эффективны, когда они легче. Это облегчает сборку и разборку ветряных турбин, а также облегчает их вращение, повышая их производительность. Хотя легкие системы с высокой прочностью материала идеальны, уменьшение массы может привести к повышенному риску разрушения конструкции.
Большие ветрогенераторы с тяжелыми лопастями также могут негативно повлиять на местную дикую природу, особенно на стаи перелетных птиц, которые попадают под лопасти и погибают.
Как и в случае с большинством механических систем, баланс параметров прочности и веса для общей производительности является обычным явлением.
5. Какой лучший угол для лопастей ветрогенератора?
Для каждой скорости ветра существует оптимальный угол наклона лопастей, при котором мощность, вырабатываемая ветрогенератором, максимальна. Этот оптимальный угол зависит от скорости ветра. Так, например, угол наклона 5° является оптимальным для ветрогенератора при рабочей скорости 7 м/с для оптимальной выработки электроэнергии, 20° при 15,1 м/с и 30° при 25,1 м/с. Работа ветрогенератора под другими углами приводит к снижению мощности.
Тяга увеличивается с увеличением скорости набегающего потока воздуха из-за большей передачи импульса. Тяга уменьшается с увеличением угла наклона лопасти из-за уменьшения лобовой площади и, следовательно, уменьшения сопротивления лопасти.
6. Почему у ветрогенераторов только три лопасти?
Лопатки ветрогенератора соединены с центральной ступицей. Эта сборка лопастей и ступицы называется ротором турбины, который генерирует аэродинамический крутящий момент от ветра.
Резонный вопрос, почему ветряка всего три лопасти? Чтобы ответить на этот вопрос нужно учитывать ряд соображений.
Во-первых использование более трех лопастей мало влияет на КПД ветрогенератора, который увеличивается очень незначительно, если используются четыре лопасти, а не три, но вес ротора при этом увеличивается, а скорость вращения, при которой достигается пиковая мощность, снижается.
Во-вторых, больше лопастей означает более высокие материальные и производственные затраты. Больше лопастей требуют более трудоемкого обслуживания.
При увеличении количества лопастей они должны быть тоньше, что приводит к потере жесткости и аэродинамической эффективности. Большое количество лопастей могут увеличить давление и привести к опрокидыванию всей конструкции турбины.
Наконец, три лопасти позволяют хорошо сбалансировать динамическую ветровую нагрузку на вращающийся ротор. С тремя лопастями угловой момент остается постоянным, потому что, когда одна лопасть поднята, две другие направлены под углом. Таким образом, ветряная турбина может плавно вращаться против ветра.
По всем этим причинам три лопасти стали стандартом в ветроэнергетике.
7. Какова оптимальная скорость вращения лопастей ветряной турбины?
Скорость ветряной турбины определяет количество электроэнергии, которую она может произвести.
Если лопасти вращаются слишком медленно, большое количество ветра будет проходить беспрепятственно, ограничивая количество энергии, которое потенциально может быть произведено. С другой стороны, если лопасти вращаются слишком быстро, они действуют как большой плоский вращающийся диск на ветру, что создает огромное сопротивление и ограничивает количество энергии, которое может быть произведено.
Оптимальное отношение скорости кончиков лопастей определяется как отношение скорости кончиков лопастей к скорости ветра. Этот показатель зависит от нескольких факторов, включая формы, количества и конструкции лопастей турбины.
Стандартные скорости вращения ветряных турбин варьируются от 5 — 25 оборотов в минуту.
Современные ветряные турбины, проектируют так, чтобы они могли вращаться с различной скоростью, а высокоэффективные трехлопастные турбины имеют оптимальное соотношение скоростей лопастей от шести до семи.
Ветряные турбины, которые работают с постоянным передаточным числом или близким к их оптимальному передаточному отношению во время сильных порывов ветра улучшают эффективное улавливание и преобразование энергии.
8. Из каких материалов сделаны лопасти современных ветроэлектрических установок?
Материал лопастей турбины играет решающую роль в эффективности машины для выработки электроэнергии.
Лопасти ветрогенератора должны иметь малый вес, высокую прочность, высокую жесткость, высокую усталостную прочность и высокое сопротивление к разрушениям, позволяющие выдерживать удары молнии, град, влажность и большие перепады температур.
Для изготовления лопастей ветряных турбин используется несколько типов материалов, что позволяет лопастям работать с максимальной эффективностью.
Наиболее подходящим материалом для изготовления лопастей ветроустановки являются армированные волокнами композиты, обладающие высокой прочностью и жесткостью, а также низкой плотностью. Лезвия меньшего размера могут быть изготовлены из легких металлов, таких как алюминий, однако они потребуют частого обслуживания.
В настоящее время коммерческие лопасти ветряных турбин изготавливаются из армированных волокном полимеров, которые представляют собой композиты, состоящие из полимерной матрицы и волокон.
Длинные волокна в этих материалах обеспечивают прочность и продольную жесткость, в то время как матрица обеспечивает прочность вне плоскости, прочность на расслоение, вязкость разрушения и жесткость.
Армированные стекловолокном и углеродным волокном пластмассы — стеклопластики и углепластики — также являются хорошими материалами для изготовления лопастей, поскольку они обладают высокой вязкостью разрушения, сопротивлением усталости и термической стабильностью.
9. Могут ли лопасти ветряной турбины вращаться в обе стороны?
Точно так же, как крыло самолета создает подъемную силу за счет воздуха, протекающего под ним, так и лопасти ротора ветряной турбины вращаются, приводимые в движение потоком ветра над его поверхностью. Имеет значение, в каком направлении вращаются эти огромные лопасти ротора?
Лопасти ротора ветряной турбины могут быть спроектированы так, чтобы они вращались в обоих направлениях для производства электроэнергии — по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Большинство турбин вращаются по часовой стрелке по причинам, связанным с удобством и единым мировым стандартом. Однако направление вращения ротора может иметь значение, когда две или более ветряных турбин размещаются одна за другой.
10. Как обслуживаются и ремонтируются лопасти?
Существует два вида технического обслуживания: профилактическое и корректирующее. Первое заключается в проведении периодических осмотров для определения состояния лопастей и поиска возможных повреждений.
Эти проверки осуществляются разными способами: с земли, путем залезания на лопасти с помощью канатов, кранов или подъемных платформ.
Со своей стороны, корректирующее обслуживание состоит из ремонта или реконструкции лопастей для устранения повреждений, которые появляются как на поверхности, так и в ее конструкции.
Лопасти ветряных турбин могут иметь трещины, повреждения, вызванные ударами молнии и птиц, или отверстия в передней или задней кромке, а также другие повреждения.
В настоящее время изучаются альтернативные системы ремонта и очистки, такие как дистанционно управляемые дроны, чтобы операторам не приходилось взбираться на ветроэлектрические установки.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Лопасть длиной 115 метров. Siemens Gamesa начала производство лопастей B115 для гигантских ветрогенераторов
Компания Siemens Gamesa объявила о начале производства лопастей B115 для огромных ветрогенераторов.
В названии лопасти указана её длина — 115 м. Для оценки масштабов гигантского элемента, создание которого стало возможным благодаря технологии RecyclableBlade, компания сняла короткое видео.
Такие лопасти будут использоваться на турбине SG 14-236 DD, которая будет вырабатывать 14 МВт мощности при диаметре ротора 236 м. Ветрогенератор будет использовать три лопасти B115.
Прототип SG 14-236 DD будет испытан в конце текущего года на испытательном полигоне компании. Когда такие ветрогенераторы будут использоваться в каких-то электростанциях, пока неизвестно.
We have now started production of the first B115 blades in Aalborg, Denmark. The 115-meter long blade is available as standard IntegralBlade and will also be produced using our unique RecyclableBlade technology. #Leadingtheoffshorerevolution#Strongwindsofchange pic.twitter.com/tB8ss5Jb0n
— Siemens Gamesa (@SiemensGamesa) March 31, 2022
К слову, несмотря на исполинские размеры и лопасти, и самой установки, она не будет самой крупной в ближайшее время. Как мы уже говорили, турбина MySE 16.0-242 компании MingYang Smart Energy получит лопасти длиной 118 м каждая, а мощность достигнет 16 МВт.
Ветроэнергетика: размеры и пределы роста
Современная ветроэнергетика – энергетика больших мощностей и гигантских машин. Ветряные турбины становятся все больше и больше. Примерно так:
Если посмотреть на изменение парка материковых ветровых турбин во времени, например, в Германии, очевидно увеличение их среднего размера.
Всё растет. Увеличиваются как башни, которые у крупнейших машин сегодня достигают 140 метров, так и лопасти, достигающие в длину почти 90 м, и диаметры ротора, доходящие до почти 190 м.
На нынешний день крупнейшими серийными ветряками являются 8-мегаваттные машины от Vestas (MHI Vestas V164), Adwen (AD-180) и Siemens (SWT-8.0-154 8MW), используемые в морской (офшорной) ветроэнергетике, а также 7,5 МВт модель Enercon E-126 – крупнейший материковый ветрогенератор (на фото в начале статьи).
Это серийные модели, находящиеся в эксплуатации. В виде прототипов существуют еще более крупные агрегаты.
Есть ли предел роста размеров ветряных турбин? Чем он обусловлен?
Понятно, размеры ветроустановок увеличивают не из прихоти, а исходя из экономических соображений – в попытке снизить стоимость электроэнергии. Высокие башни обеспечивают доступ к ветровым ресурсам более высокого качества (как говорят спецы: «на высоте 100 метров всегда есть коммерческий ветер»). Увеличение диаметра ротора позволяет «захватить» этих ресурсов побольше, а также задействовать менее качественный ветровой потенциал. Увеличение размеров может приводить к снижению удельных (на единицу мощности) капитальных и операционных затрат, что прямо отражается на стоимости электроэнергии.
В то же время рост размеров ветряных турбин наталкивается на ограничения, связанные как с характеристиками используемых материалов, так и с транспортировкой и технологиями монтажных работ. Кроме того, существуют физические лимиты увеличения размеров, описываемые законом квадрата-куба: объем (соответственно, масса и стоимость) используемых материалов может расти быстрее, чем отдача от этого увеличения.
Транспортно-логистические и монтажные ограничения касаются главным образом материковой ветроэнергетики. Перевозка секций башен большого диаметра и длинных лопастей наземным транспортном – серьезный технологический вызов. Диаметр перевозимых труб/конусов башен ветряков ограничен сегодня 4,3 метра в редких случаях возможны перевозки диаметров 4,6 метра. Разумеется, транспортировка таких агрегатов на дальние расстояния крайне затруднена. Одним из используемых компромиссных решений является комбинированная башня сталь/железобетон, в которой нижние железобетонные секции самого большого диаметра изготавливаются на месте. Кроме того, необходимо учитывать, что транспортная и монтажная техника (например, большие краны) имеет свои пределы.
Рассмотренные в предыдущем абзаце ограничения в меньшей степени касаются морской ветроэнергетики, где используются производственные технологии/мощности судостроения, строительства на шельфе и морских грузоперевозок.
Проведенное в текущем году в США исследование, включающее в себя опрос 163-х ведущих отраслевых экспертов, показало: размеры ветроустановок будут расти и дальше. При этом, очевидно, потенциал роста у офшорных ветрогенераторов существенно превышает потенциал наземной ветроэнергетики.
Результаты исследования представлены на следующих графиках.
К 2030 средняя высота башни ветрогенератора в материковой ветроэнергетике приблизится к 120 метрам и в Европе, и в США, средний диаметр ротора будет находится в интервале 130-140 метров, а средняя установленная мощность на один генератор в Европе превысит 3,5 МВт.
В офшорной ветроэнергетике намечаемые изменения куда существенней. Средняя мощность ветрогенераторов на европейском рынке достигнет 11 МВт, при высоте башен более 220 метров. Распространение получат плавающие ветроэлектростанции. Некоторые эксперты прогнозируют, что к 2030 году максимальная мощность морских ветряков на фиксированном фундаменте может достичь 18 МВт, то есть более чем в два раза превысить сегодняшние рекордные показатели.
В то же время очевидно, что ветроустановки не будут расти бесконечно. Вероятно, в скором времени мы узнаем оптимум, превышение которого будет затруднено с логистической, в первую очередь, точки зрения, и не будет оправдываться экономически.
