Авторизация
Наша группа Вконтакте
Наши партнеры
КРЫМ. СТРОЙИНДУСТРИЯ. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ВЕСНА — 2016

Сравнительный анализ конструкций ветрогенераторов

Сравнительный анализ конструкций ветрогенераторов

В настоящее время существует множество конструкций ветрогенераторов. Все это множество можно условно разделить на два типа. Первый тип использует силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения), второй тип использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения). В большинстве случаев ветряк с вертикальной осью вращения использует силу напора потока (парус), а ветряк с горизонтальной осью вращения использует подъемную силу ветра (винт). Но существуют и исключения, например ротор Дарье. Ось вращения у него вертикальная, но он использует подъемную силу ветра, как горизонталка.

Давайте подробнее рассмотрим, какие силы действуют на ветряки. Возьмем пластину, стоящую поперек потока. Когда пластина стоит неподвижно, она испытывает максимальное давление ветра, но не выполняет никакой работы. Если пластина движется по направлению ветра, она выполняет какую-то работу но уже испытывает меньшее давление ветра, так как убегает от него. Если пластина движется со скоростью ветра, она не испытывает никакого давления и не может выполнить никакой работы. Давно доказано, что максимальную работу пластина выполняет, если движется в три раза медленнее потока. Винт напротив выполняет максимальную работу, когда движется со скоростью потока. Если вспомнить, что мощность - это произведение силы на скорость, станет ясно, что винты в три раза эффективнее парусников. Если вспомнить теорию, КИЭВ идеального винта с горизонтальной осью вращения - 0,593 (Н.Е. Жуковский) 0,683 (Г.Х. Сабинин). У ветряков, использующих силу напора потока, теоретический КИЭВ - 0,192. То есть соотношение примерно такое же - три к одному. Кажется, все ясно: винты в три раза эффективнее парусников, но давайте не будем торопится.

Оценивая эффективность ветряка, мы предъявляем ему конкретные требования, предполагая что он будет крутить генератор, насос и т.д. Предъявляем определенные требования, необходимые для работы нагрузки, и на этом основании оцениваем сам ветряк. В этом и заключается ошибка оценки эффективности ветряков.

Давайте рассмотрим следующий пример. Возьмем два ветряка: винт и парусник. В качестве нагрузки будет генератор, который генерирует электроэнергию посредством пьезоэлектриков, на основе пьезоэффекта (как в зажигалке). То есть, основным требованием к ветряку будет создание максимального давления. Для работы необходимо надавливать и отпускать пьезоэлектрик, и чем быстрее и сильнее это делать, тем выше эффект. Рассмотрим парусник: пластина, стоящая поперек потока, испытывает максимальное давление и передает это давление посредством какого-то механизма на пьезоэлектрик. При переключении механизм разрывает связь между пластиной и пьезоэлектриком, пластина свободно движется по направлению ветра, пьезоэлектрик не испытывает никакого давления. Через секунду механизм переключается, и пластина со всей силой потока и инерцией опять давит на пьезоэлектрик. Через секунду механизм переключается и т.д., и т.п. Рассмотрим винт: ему необходимо время, чтобы разогнаться до скорости ветра, затем торможение из-за создаваемого давления, и снова необходимо время для разгона. Мы видим, что парусник может сделать гораздо больше циклов "надавил-отпустил" чем винт за то же самое время. Пользуясь той же формулой "мощность - это произведение силы на скорость" теперь получим противоположный результат, теперь парусник гораздо эффективнее, чем винт.

На основании этих примеров можно сделать вывод, если нужно что-то быстро крутить, выгодно использовать подъемную силу ветра (винт). Если же сильно давить, выгодно использовать силу напора потока (парус).

Можно возразить, что таких генераторов нет. Сегодня нет, но никто не даст гарантию, что завтра не найдется умник, который придумает новый сверхэффективный пьезоэлектрик, на основе которого можно будет построить такой генератор. В настоящее время парусник превосходит винт, если стоит задача тянуть большую нагрузку, например насос, где основные требования - высокий стартовый порог, большой крутящий момент, а скорость вращения - вторичный показатель. Но возможно в будущем, с появлением новых материалов, парусники как ветрогенераторы станут эффективнее винтов.

В развитии ветроэнергетики на данный момент можно выделить два направления. Первое - это строительство ветропарков в местах с высокой ветровой нагрузкой и дальнейшая транспортировка электроэнергии потребителям. Второй - установка ветрогенераторов непосредственно в местах потребления электроэнергии.

Первое направление характерно тем, что на данных площадках постоянный, относительно ровный поток ветра, который не сильно изменяется по скорости и направлению. Данная особенность позволяет эффективно использовать ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Небольшие перепады скорости потока позволяют изготовить винт с углами заклинения под среднюю скорость ветра, и небольшие отклонения от средних значений позволяют эффективно использовать винт. Постоянство направления ветра позволяет использовать винты поистине циклопических размеров. В условиях, когда нет необходимости постоянно поворачивать винт, ориентируя его по направлению меняющегося ветра, циклопические размеры конструкции не будут являться недостатком.

Второе направление, установка ветрогенераторов в местах потребления электроэнергии, предъявляет конструкциям новые требования. Практически на всей территории России резко выраженный континентальный климат, а это изменения скорости ветра от полного штиля до ураганных порывов при постоянном изменении направления. Данные условия предъявляют конструкции особые требования, такие как высокий стартовый порог, большой крутящий момент, простоту и скорость ориентирования по ветру. В условиях резко выраженного континентального климата классический винт эффективно работать не будет. Углы заклинения и углы атаки винта рассчитывают под конкретную скорость ветра и только при этой скорости ветра винт способен выдать максимум. КИЭВ винта будет меняться в зависимости от скорости ветра. Если скорость ветра соответствует параметрам винта, винт будет работать эффективно, а в остальное время КИЭВ будет значительно ниже заявленного. Чтобы избавится от этого недостатка, делают винт регулируемого шага, то есть меняют угол атаки в зависимости от скорости ветра. КИЭВ становится постоянным, но меняя угол атаки, приходится отказаться от углов заклинения, что значительно ухудшает аэродинамические характеристики винта, и винт уже не способен выдать максимальный КИЭВ. Также необходимо помнить и про ориентирование конструкции по направлению ветра. Классический горизонтальный винт довольно трудно крутить, ориентируя по направлению ветра. При больших скоростях ветра резкое изменение направления приводит к разрушению конструкции, отламыванию хвостового флюгера. Во избегание таких последствий усложняют конструкцию, делают складывающийся хвостовой флюгер.

Ветрогенераторы, использующие силу напора потока (вертикальные), имеют постоянный КИЭВ, не зависящий от скорости ветра. КИЭВ турбины Савониуса - 0,18, и он никак не меняется ни при каких обстоятельствах. Вертикальные ветрогенераторы имеют высокий стартовый порог, что позволяет им начинать работать при более низких скоростях ветра. Они не нуждаются в ориентировании по направлению ветра, что также является неоспоримым преимуществом.

Все вышеперечисленные особенности конструкций при эксплуатации в условиях резко выраженного континентального климата снижают преимущество винтов в сравнении с парусниками с теоретических в 3 раза до практических в 2 раза. Но все равно при использовании существующих генераторов, которые надо быстро крутить, выгодней использовать ветрогенераторы, использующие подъемную силу ветра как движущую силу.

В статье "Конструкция винта ветрогенератора" была описана конструкция ветрогенератора, использующая подъемную силу ветра, как движущую силу. Здесь имеется возможность использовать силу напора потока при старте, что дает высокий стартовый порог и относительно легкое ориентирование по направлению ветра, что в свою очередь не требует разворачивать всю конструкцию, как в классическом ветрогенераторе с горизонтальной осью вращения.

На сегодняшний день на рынке малой ветроэнергетики широко представлены конструкции горизонтальных ветрогенераторов (винтов) с различным количеством лопастей, от однолопастных (ветряки Мельникова) до многолопастных. Также широко представлены высокооборотистые ветрогенераторы на основе ротора Дарье.

Если сравнить конструкцию, описанную в вышеупомянутой статье, с горизонтальной ветротурбиной, то она имеет следующие преимущества. Постоянный КИЭВ не зависит от скорости ветра. Возможность использовать силу напора потока дает конструкции высокий стартовый порог, а изменение угла атаки в зависимости от снимаемой нагрузки - большой крутящий момент. Данная конструкция имеет преимущества и в сравнении с ротором Дарье. Ротор Дарье конструктивно имеет довольно малый момент приложения силы. То есть подъемная сила ветра возникает только в момент, когда лопасть находится под определенным углом к набегающему потоку ветра. На окружности, по которой движется лопасть, это две точки с угловым размером 3-5 градусов. Конструкция, представленная в майском номере журнала "Радиолоцман", имеет момент приложения силы раз в 20 больше, и если вспомнить принцип сохранения энергии, это даст конструкции значительное преимущество.

Эксплуатация ветрогенератора в условиях резко выраженного континентального климата предъявляет конструкциям довольно жесткие требования, для выполнения которых приходится усовершенствовать, усложнять конструкции, адаптируя их к эксплуатации в предложенных условиях. Простых решений, таких как "у винта КИЭВ выше, значит он лучше", в данных условиях не будет.

Рейтинг:
2
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
  • bowtiesmilelaughingblushsmileyrelaxedsmirk
    heart_eyeskissing_heartkissing_closed_eyesflushedrelievedsatisfiedgrin
    winkstuck_out_tongue_winking_eyestuck_out_tongue_closed_eyesgrinningkissingstuck_out_tonguesleeping
    worriedfrowninganguishedopen_mouthgrimacingconfusedhushed
    expressionlessunamusedsweat_smilesweatdisappointed_relievedwearypensive
    disappointedconfoundedfearfulcold_sweatperseverecrysob
    joyastonishedscreamtired_faceangryragetriumph
    sleepyyummasksunglassesdizzy_faceimpsmiling_imp
    neutral_faceno_mouthinnocent
Вопрос:
От чего дают энергию солнечные батареи?
Ответ:*
Важно ваше мнение
Какая на Ваш взгляд самая перспективная технология в энергетике?