В последние годы все большую популярность приобретают альтернативные источники энергии, среди которых особое место занимает ветроэнергетика. Ключевым элементом любой ветроэнергетической установки является ветрогенератор – устройство, способное улавливать энергию ветра и преобразовывать ее в электрический ток.
Ветряная турбина – сердце ветрогенератора – по принципу действия напоминает обычный вентилятор, но работает в обратном направлении. Если вентилятор превращает электроэнергию в поток воздуха, то ветротурбина, наоборот, использует силу ветра для вращения лопастей и производства электричества.
Типовая конструкция ветрогенератора включает ротор с лопастями особой формы, электрический генератор (постоянного или переменного тока) и опорную башню. По мере того, как ветер обтекает лопасти, они начинают вращаться, приводя в действие ротор и вал генератора. В генераторе механическая энергия вращения преобразуется в электрическую, которую можно передавать потребителям или аккумулировать для дальнейшего использования.
Эффективность работы ветряной турбины во многом зависит от ее конструктивных особенностей – формы и материала лопастей, количества лопастей на роторе, системы управления углом атаки и других параметров. Оптимальная конструкция позволяет максимально полно использовать энергию ветра в широком диапазоне скоростей.
В данной статье мы углубимся в детали устройства ветрогенераторов, рассмотрим основные типы конструкций и материалы, применяемые при изготовлении лопастей. Эта информация поможет лучше понять принципы работы ветряных турбин и сделать осознанный выбор при проектировании ветроэнергетических систем.
Конструкция генератора ветряной турбины
На изображении выше показаны основные компоненты, из которых состоит типичная конструкция ветряной турбины. Ветряная турбина извлекает кинетическую энергию из ветра, замедляя его, и передает эту энергию во вращающийся вал, поэтому важно иметь хорошую конструкцию. Доступная мощность ветра, которую можно использовать, зависит как от скорости ветра, так и от площади, охватываемой вращающимися лопастями турбины.
Таким образом, чем выше скорость ветра или чем больше лопасти ротора, тем больше энергии можно извлечь из ветра. Поэтому мы можем сказать, что производство энергии ветряной турбиной зависит от взаимодействия между лопастями ротора и ветром, и именно это взаимодействие важно для конструкции ветряной турбины.
Чтобы улучшить это взаимодействие и, следовательно, повысить эффективность, доступны два типа конструкции ветряных турбин: распространенная горизонтальная ось и вертикальная ось. Конструкция с горизонтальной осью улавливает больше ветра, поэтому выходная мощность выше, чем у конструкции с вертикальной осью. Недостаток конструкции с горизонтальной осью заключается в том, что требуется гораздо более высокая башня для поддержки ветряной турбины, а конструкция лопастей ротора должна быть намного лучше.
Вертикально-осевая турбина или VAWT проще в проектировании и обслуживании, но обеспечивает более низкую производительность, чем горизонтально-осевые типы, из-за высокого сопротивления ее простой конструкции лопастей ротора. Большинство ветряных турбин, генерирующих электричество сегодня, как коммерческих, так и бытовых, являются горизонтально-осевыми машинами, поэтому именно на эти типы конструкции ветряных турбин мы обратим внимание в этом руководстве по ветряным турбинам.
Ротор
Это основная часть современной конструкции ветряной турбины, которая собирает энергию ветра и преобразует ее в механическую энергию в форме вращения. Ротор состоит из двух или более “лопастей ротора”, изготовленных из ламинированной древесины, стекловолокна или металла, и защитной ступицы, которая вращается (отсюда и название) вокруг центральной оси.
Как и крыло самолета, лопасти ветряной турбины работают, создавая подъемную силу благодаря своей изогнутой форме. Лопасти ротора извлекают часть кинетической энергии из движущихся воздушных масс в соответствии с принципом подъемной силы со скоростью, определяемой скоростью ветра и формой лопастей.
Чистый результат – это подъемная сила, перпендикулярная направлению потока воздуха. Затем задача состоит в том, чтобы спроектировать лопасть ротора так, чтобы создать правильное количество подъемной силы и тяги лопасти ротора, обеспечивая оптимальное замедление воздуха и не более того.
К сожалению, лопасти ротора турбины не улавливают 100% всей энергии ветра, так как для этого воздух за лопастями турбины должен был бы быть полностью неподвижным и, следовательно, не позволял бы большему количеству ветра проходить через лопасти. Теоретическая максимальная эффективность, с которой лопасти ротора турбины могут извлекать энергию ветра, составляет от 30 до 45% и зависит от следующих переменных лопастей ротора: конструкции лопасти, количества лопастей, длины лопасти, шага/угла лопасти, формы лопасти, материалов и веса лопасти, если назвать несколько.
Конструкция лопасти
Конструкции лопастей ротора работают по принципу подъемной силы или сопротивления для извлечения энергии из потоков воздушных масс. Конструкция лопасти, основанная на подъемной силе, использует тот же принцип, который позволяет летать самолетам, воздушным змеям и птицам, создавая подъемную силу, перпендикулярную направлению движения.
Лопасть ротора по сути является аэродинамическим профилем или крылом, похожим по форме на крыло самолета. Когда лопасть рассекает воздух, создается разница скоростей и давления между верхней и нижней поверхностями лопасти.
Давление на нижней поверхности больше и, таким образом, действует, “поднимая” лопасть вверх, поэтому мы хотим сделать эту силу как можно больше. Когда лопасти прикреплены к центральной оси вращения, как ротор ветряной турбины, эта подъемная сила преобразуется во вращательное движение.
Противодействующей этой подъемной силе является сила сопротивления, которая параллельна направлению движения и вызывает турбулентность вокруг задней кромки лопасти, когда она рассекает воздух. Эта турбулентность оказывает тормозящее действие на лопасть, поэтому мы хотим сделать эту силу сопротивления как можно меньше. Комбинация подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться как пропеллер.
Конструкции, основанные на сопротивлении, чаще используются в вертикальных конструкциях ветряных турбин, которые имеют большие чашеобразные или изогнутые лопасти. Ветер буквально отталкивает лопасти, которые прикреплены к центральному валу.
Преимущества лопастей ротора, основанных на сопротивлении, заключаются в более низких скоростях вращения и высоких возможностях крутящего момента, что делает их полезными для перекачки воды и питания сельскохозяйственных машин. Ветряные турбины, работающие на подъемной силе, имеют гораздо более высокую скорость вращения, чем типы, основанные на сопротивлении, и поэтому хорошо подходят для производства электроэнергии.
Количество лопастей
Количество лопастей ротора, которое имеет конструкция ветряной турбины, обычно определяется аэродинамической эффективностью и стоимостью. Идеальная конструкция ветряной турбины имела бы много тонких лопастей ротора, но большинство горизонтально-осевых генераторов ветряных турбин имеют только одну, две или три лопасти ротора.
Увеличение количества лопастей ротора свыше трех дает лишь небольшое увеличение эффективности ротора, но увеличивает его стоимость, поэтому обычно не требуется более трех лопастей, хотя для домашнего использования доступны небольшие высокоскоростные многолопастные генераторы турбин. Как правило, чем меньше количество лопастей, тем меньше материала требуется при производстве, что снижает их общую стоимость и сложность.
Однолопастные роторы имеют противовес на противоположной стороне ротора, но страдают от высокого материального напряжения и вибрации из-за неравномерного вращательного движения одной лопасти, которая должна двигаться быстрее, чтобы захватить такое же количество энергии ветра.
Кроме того, у одно- или даже двухлопастных роторов большая часть доступного движения воздуха и, следовательно, энергии ветра проходит через неохваченную поперечную площадь турбины, не взаимодействуя с ротором, что снижает их эффективность.
С другой стороны, многолопастные роторы имеют более плавную работу вращения и более низкие уровни шума. Возможны более низкие скорости вращения и крутящий момент с многолопастными конструкциями, что снижает нагрузку на трансмиссию, приводя к снижению затрат на редуктор и генератор. Однако конструкции ветряных турбин со многими лопастями или очень широкими лопастями будут подвергаться очень большим силам при очень сильных ветрах, поэтому большинство конструкций ветряных турбин используют три лопасти ротора.
Нечетное или четное количество лопастей ротора
Конструкция ветряной турбины, которая имеет “ЧЕТНОЕ” количество лопастей ротора (2, 4 или 6 и т.д.), может страдать от проблем со стабильностью при вращении. Это связано с тем, что у каждой лопасти ротора есть точная и противоположная лопасть, которая расположена на 180° в противоположном направлении.
Когда ротор вращается, в тот самый момент, когда верхняя лопасть направлена вертикально вверх (положение 12 часов), нижняя лопасть направлена прямо вниз перед опорной башней турбины. В результате верхняя лопасть изгибается назад, потому что она получает максимальную силу от ветра, называемую “нагрузкой тяги“, в то время как нижняя лопасть проходит в зону без ветра непосредственно перед опорной башней.
Это неравномерное сгибание лопастей ротора турбины (верхняя изогнута под ветром, а нижняя прямая) при каждом вертикальном выравнивании создает нежелательные силы на лопастях ротора и валу ротора, так как две лопасти сгибаются вперед и назад при вращении. Для небольшой жесткой турбины с алюминиевыми или стальными лопастями это может не быть проблемой, в отличие от более длинных лопастей из армированного стекловолокном пластика.
Конструкция ветряной турбины, которая имеет “НЕЧЕТНОЕ” количество лопастей ротора (по крайней мере три лопасти), вращается более плавно, потому что гироскопические и изгибающие силы более равномерно распределены по лопастям, повышая стабильность турбины.
Наиболее распространенной конструкцией с нечетным количеством лопастей является трехлопастная турбина. Энергоэффективность трехлопастного ротора немного выше, чем у аналогичного двухлопастного ротора, и благодаря дополнительной лопасти они могут вращаться медленнее, снижая износ и шум.
Кроме того, чтобы избежать турбулентности и взаимодействия между соседними лопастями, расстояние между каждой лопастью многолопастной конструкции и ее скорость вращения должны быть достаточно большими, чтобы одна лопасть не встречала нарушенный, более слабый поток воздуха, вызванный прохождением предыдущей лопасти через ту же точку непосредственно перед ней. Из-за этого ограничения большинство нечетных типов ветряных турбин имеют максимум три лопасти на своих роторах и обычно вращаются на более низких скоростях.
В целом, трехлопастные роторы турбин лучше вписываются в ландшафт, более эстетически привлекательны и более аэродинамически эффективны, чем двухлопастные конструкции, что способствует тому, что трехлопастные ветряные турбины доминируют на рынке ветроэнергетики. Хотя некоторые производители выпускают двух- и шестилопастные турбины (для парусных лодок).
Другие преимущества нечетных (трех) лопастных роторов включают более плавную работу, меньший шум и меньше столкновений с птицами, что компенсирует недостаток более высоких затрат на материалы. Уровень шума существенно не зависит от количества лопастей.
Длина лопасти ротора
Три фактора определяют, сколько кинетической энергии может быть извлечено из ветра ветряной турбиной:
- плотность воздуха
- скорость ветра
- площадь ротора
Плотность воздуха зависит от того, насколько вы находитесь выше уровня моря, в то время как скорость ветра контролируется погодой. Однако мы можем контролировать площадь вращения, охватываемую лопастями ротора, увеличивая их длину, так как размер ротора определяет количество кинетической энергии, которую ветряная турбина способна захватить из ветра.
Лопасти ротора вращаются вокруг центрального подшипника, образуя идеальный круг в 360° при вращении, и, как мы знаем из школы, площадь круга дается как: π·r². Таким образом, по мере увеличения охватываемой площади ротора, площадь, которую он покрывает, также увеличивается с квадратом радиуса. Таким образом, удвоение длины лопастей турбины приводит к увеличению в четыре раза ее площади, что позволяет ей получать в четыре раза больше энергии ветра. Однако это значительно увеличивает размер, вес и, в конечном счете, стоимость конструкции ветряной турбины.
Один важный аспект длины лопасти – это скорость вращения кончика ротора, возникающая в результате угловой скорости.
Чем длиннее лопасть турбины, тем быстрее вращение кончика при заданной скорости ветра. Аналогично, при заданной длине лопасти ротора, чем выше скорость ветра, тем быстрее вращение.
Тогда почему мы не можем иметь конструкцию ветряной турбины с очень длинными лопастями ротора, работающую в ветреной среде и производящую много бесплатного электричества от ветра? Ответ заключается в том, что наступает момент, когда длина лопастей ротора и скорость ветра фактически снижают выходную эффективность турбины. Вот почему многие крупные конструкции ветряных турбин вращаются на гораздо более низких скоростях.
Эффективность является функцией того, насколько быстро вращается кончик ротора при заданной скорости ветра, создавая постоянное отношение скорости ветра к скорости кончика, называемое “отношением скорости кончика” (λ), которое является безразмерной единицей, используемой для максимизации эффективности ротора. Другими словами, “отношение скорости кончика” (TSR) – это отношение скорости вращающегося кончика лопасти в об/мин к скорости ветра в километрах в час (км/ч) или милях в час (миль/ч).
Чем больше это отношение TSR, тем быстрее вращение ротора ветряной турбины при заданной скорости ветра. Скорость вала, к которому прикреплен ротор, указывается в оборотах в минуту (об/мин) и зависит от скорости кончика и диаметра лопастей турбины.
Скорость вращения турбины определяется как: об/мин = скорость ветра × отношение скорости кончика × 60 / (диаметр × π).
Если ротор турбины вращается слишком медленно, он позволяет слишком большому количеству ветра пройти без помех и, таким образом, не извлекает столько энергии, сколько мог бы. С другой стороны, если лопасть ротора вращается слишком быстро, она выглядит для ветра как один большой плоский вращающийся круговой диск, который создает большое сопротивление и потери на концах, замедляя ротор. Поэтому важно согласовать скорость вращения ротора турбины с определенной скоростью ветра, чтобы получить оптимальную эффективность.
Роторы турбин с меньшим количеством лопастей достигают своей максимальной эффективности при более высоких отношениях скорости кончика, и, как правило, трехлопастные конструкции ветряных турбин для производства электроэнергии имеют отношение скорости кончика от 6 до 8, но будут работать более плавно, потому что у них три лопасти. С другой стороны, турбины, используемые для перекачки воды, имеют более низкое отношение скорости кончика от 1,5 до 2, так как они специально разработаны для создания высокого крутящего момента на низких скоростях.
Шаг/Угол лопасти ротора
Лопасти ротора ветряных турбин с фиксированной конструкцией обычно не прямые или плоские, как аэродинамические крылья самолета, а вместо этого имеют небольшой изгиб и сужение по всей длине от кончика до корня, чтобы учитывать различные скорости вращения вдоль лопасти.
Этот изгиб позволяет лопасти поглощать энергию ветра, когда ветер дует на нее под разными тангенциальными углами, а не только прямо. Прямая или плоская лопасть ротора перестанет создавать подъемную силу и может даже остановиться (застопориться), если лопасть ротора будет подвергаться воздействию ветра под разными углами, называемыми “углом атаки”, особенно если этот угол атаки слишком крутой.
Поэтому, чтобы лопасть ротора видела оптимальный угол атаки, увеличивая подъемную силу и эффективность, лопасти в конструкции ветряных турбин обычно закручиваются по всей длине лопасти. Кроме того, этот изгиб в конструкции ветряной турбины не позволяет лопастям ротора вращаться слишком быстро при высоких скоростях ветра.
Однако для очень крупномасштабных конструкций ветряных турбин, используемых для производства электроэнергии, это закручивание лопастей может сделать их конструкцию очень сложной и дорогой, поэтому используется некоторая другая форма аэродинамического контроля, чтобы сохранить угол атаки лопастей идеально выровненным с направлением ветра.
Аэродинамическая мощность, производимая ветряной турбиной, может контролироваться путем регулировки угла наклона ветряной турбины по отношению к углу атаки ветра, поскольку каждая лопасть вращается вокруг своей продольной оси. Затем лопасти ротора с контролем шага могут быть более плоскими и прямыми, но, как правило, эти большие лопасти имеют аналогичный изгиб в своей геометрии, но намного меньший, чтобы оптимизировать тангенциальную нагрузку на лопасть ротора.
Каждая лопасть ротора имеет встроенный в корень лопасти механизм вращательного закручивания, либо пассивный, либо динамический, создающий равномерный инкрементный контроль шага по всей ее длине (постоянное закручивание). Требуемая величина шага составляет всего несколько градусов, так как небольшие изменения угла наклона могут оказать драматический эффект на выходную мощность.
Энергия, содержащаяся в ветре, пропорциональна кубу скорости ветра.
Одно из основных преимуществ управления шагом лопасти ротора – это увеличение окна скорости ветра. Положительный угол наклона создает большой начальный крутящий момент, когда ротор начинает вращаться, уменьшая его начальную скорость ветра. Аналогично, при высоких скоростях ветра, когда достигается предельная скорость ротора, шаг можно контролировать, чтобы предотвратить превышение об/мин ротора путем уменьшения их эффективности и угла атаки.
Регулирование мощности ветряной турбины может быть достигнуто с помощью управления шагом лопастей ротора для уменьшения или увеличения подъемной силы на лопастях путем контроля угла атаки. Меньшие лопасти ротора достигают этого за счет включения небольшого изгиба в их конструкцию.
Более крупные коммерческие ветряные турбины используют управление шагом либо пассивно, с помощью центробежных пружин и рычагов (аналогично роторам вертолетов), либо активно, с помощью небольших электродвигателей, встроенных в ступицу лопастей, для вращения их на необходимые несколько градусов. Основными недостатками управления шагом являются надежность и стоимость.
Конструкция лопасти
Кинетическая энергия, извлекаемая из ветра, зависит от геометрии лопастей ротора, поэтому определение аэродинамически оптимальной формы и конструкции лопасти является важной задачей.
Но не менее важна и структурная конструкция лопасти, которая включает в себя выбор материала и обеспечение прочности, так как лопасти подвергаются значительным нагрузкам и деформациям во время работы.
Идеальный конструкционный материал для лопасти ротора должен обладать следующими свойствами:
- Высокое соотношение прочности к весу
- Долгий срок службы
- Достаточная жесткость
- Оптимальная естественная частота вибрации
- Устойчивость к усталостным нагрузкам
- Низкая стоимость
- Возможность формовки в нужную аэродинамическую форму
Материалы для лопастей ветрогенераторов
В зависимости от размера и мощности ветрогенератора для изготовления лопастей применяются различные материалы.
Малые ветрогенераторы (от 100 Вт до 50 кВт):
- Цельное резное дерево
- Деревянные ламинаты
- Композитные материалы из древесного шпона
- Алюминий
- Сталь
Деревянные лопасти популярны в самодельных конструкциях благодаря своей доступности, легкости обработки, прочности и низкой стоимости. Однако деревянные ламинаты не всегда подходят для узких лопастей, работающих на высоких скоростях.
Алюминиевые лопасти легкие и прочные, но более дорогие и подверженные усталостным нагрузкам. Стальные лопасти дешевы и могут приобретать нужную форму, но их сложно изгибать, они подвержены коррозии и редко используются.
Большие горизонтально-осевые ветрогенераторы:
- Стекловолокно/полиэфирная смола
- Стекловолокно/эпоксидная смола
- Стекловолокно/полиэстер
- Углеродное волокно
Для лопастей больших ветряных турбин применяются композиционные материалы на основе стекло- и углеволокна. Они обладают высокой удельной прочностью, малым весом, хорошей усталостной стойкостью и технологичностью. Особенно широко используется стекловолокно благодаря своей доступности и невысокой стоимости.
Выбор размера, типа и конструкции ветрогенератора зависит от конкретных условий применения и требований к мощности. Малые ветрогенераторы мощностью от 20 Вт до 50 кВт находят применение в бытовых системах электроснабжения, например, для зарядки аккумуляторов и питания освещения.
Заключение
Ветровая энергия является одним из самых быстрорастущих источников возобновляемой энергии в мире, так как это чистый, широко распространенный энергетический ресурс, который является обильным, имеет нулевую стоимость топлива, технологию производства энергии без выбросов. Большинство современных генераторов ветряных турбин, доступных сегодня, разработаны для установки и использования в жилых типах установок.
В результате они производятся меньшими и более легкими, что позволяет быстро и легко устанавливать их непосредственно на крышу или на короткий столб или башню. Установка более нового генератора турбины в рамках вашей домашней системы ветровой энергии позволит вам снизить большую часть более высоких затрат на обслуживание и установку более высокой и дорогой башни турбины, как это было бы раньше.
Дальше поговорим о ветровой энергии – рассмотрим работу и конструкцию генераторов ветряных турбин, используемых для производства электроэнергии в рамках домашней системы генерации ветряных турбин.
