Veterné elektrárne sú klasifikované podľa dvoch hlavných charakteristík: geometria veterného kolesa a jeho poloha vzhľadom na smer vetra.
Odolnosť proti prúdu vetra je charakterizovaná parametrom nazývaným geometrická náplň a rovná sa pomeru plochy priemetu lopatiek na rovinu kolmú na prúdenie k ploche, ktorú zametajú. Takže napríklad pri rovnakých lopatkách má štvorlisté koleso dvojnásobnú geometrickú výplň ako dvojlisté.
Veterné turbíny s veľkou geometrickou náplňou veterného kolesa vyvíjajú značný výkon pri relatívne slabom vetre a maximálny výkon sa dosahuje pri nízkych otáčkach kolesa.
Veterné turbíny s nízkym plnením dosahujú maximálny výkon pri vysokých rýchlostiach a dosiahnutie tohto režimu trvá dlhšie. Preto sa prvé zariadenia používajú napríklad ako vodné čerpadlá a zostávajú funkčné aj pri slabom vetre, zatiaľ čo druhé zariadenia sa používajú ako elektrické generátory, kde sú potrebné vysoké rýchlosti otáčania.
Hlavné typy veterných turbín sú znázornené na obr. 15.
Sú rozdelené do dvoch skupín:
lopatkové veterné turbíny s horizontálnou osou otáčania (b ÷d);
Veterné turbíny s vertikálnou osou rotácie (rotačné: lopatkové (a) a ortogonálne (e)).
Typy lopatkových veterných turbín sa líšia iba počtom lopatiek.
Lopatkové veterné turbíny. Pre lopatkové veterné turbíny, ktorých najväčšia účinnosť sa dosahuje pri kolmom prúdení vzduchu na rovinu otáčania krídlových lopatiek, je potrebné zariadenie na automatické otáčanie osi otáčania. Na tento účel sa používa stabilizačné krídlo. Karuselové veterné turbíny majú tú výhodu, že môžu pracovať v akomkoľvek smere vetra bez zmeny ich polohy.
Koeficient využitia veternej energie pre lopatkové veterné turbíny je výrazne vyšší ako pre rotačné veterné turbíny. Zároveň majú kolotoče oveľa vyšší krútiaci moment. Je to maximum pre jednotky s rotačnými lopatkami pri nulovej relatívnej rýchlosti vetra.
Šírenie veterných turbín s obežným kolesom sa vysvetľuje veľkosťou ich rýchlosti otáčania. Môžu byť priamo napojené na generátor elektrického prúdu bez multiplikátora. Multiplikátor je prevodovka, ktorá zvyšuje rýchlosť otáčania hriadeľa elektrického generátora. Rýchlosť otáčania lopatkových veterných turbín je nepriamo úmerná počtu krídel, takže jednotky s viac ako tromi lopatkami sa prakticky nepoužívajú.
Kolotočové veterné turbíny. Rozdiel v aerodynamike dáva rotačným turbínam výhodu oproti tradičným veterným turbínam. So zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra rýchlo zvyšujú svoju prítlačnú silu, po ktorej sa rýchlosť otáčania stabilizuje. Karuselové veterné turbíny sú nízkorýchlostné a to umožňuje použitie jednoduchých elektrických obvodov napríklad s asynchrónnym generátorom bez rizika havárie v dôsledku náhodného poryvu vetra. Pomalosť kladie jednu obmedzujúcu požiadavku – použitie viacpólového generátora pracujúceho pri nízkych rýchlostiach. Takéto generátory nie sú rozšírené a použitie multiplikátorov je neúčinné z dôvodu ich nízkej účinnosti.
Ešte dôležitejšou výhodou kolotočového dizajnu bola jeho schopnosť monitorovať „kam vietor fúka“ bez ďalších trikov, čo je veľmi dôležité pre povrchové toky. Veterná turbína s rotačnými lopatkami sa ovláda najjednoduchšie. Jeho konštrukcia zaisťuje maximálny krútiaci moment pri štartovaní veternej turbíny a automatickú samoreguláciu maximálnej rýchlosti otáčania počas prevádzky. Keď sa zaťaženie zvyšuje, rýchlosť otáčania sa znižuje a krútiaci moment sa zvyšuje až do úplného zastavenia.
Ortogonálne veterné turbíny. Ortogonálne veterné turbíny sú najsľubnejšie pre energiu vo veľkom meradle. Dnes, keď sa používajú ortogonálne veterné turbíny, existujú určité ťažkosti, jednou z nich je problém ich spúšťania.
Ortogonálne inštalácie využívajú rovnaký profil krídla ako podzvukové lietadlo (pozri typ e, obr. 15). Lietadlo, predtým ako sa „oprie“ o zdvíhaciu silu krídla, musí vzlietnuť. To isté platí pre ortogonálnu inštaláciu. Najprv mu treba dodať energiu – roztočiť ho a priviesť na určité aerodynamické parametre a až potom sa sám prepne z režimu motora do režimu generátora.
Veľa ľudí sa zaujíma o veternú energiu. Dôvody tohto záujmu sú rôzne: pre niektorých je to jedna z mála príležitostí, ako zabezpečiť svoj domov elektrinou; niekto považuje veterný mlyn za záložný zdroj energie; iní chcú získať úplnú nezávislosť od centrálnych energetických sietí. Dnes je taká príležitosť - na mieste je potrebné nainštalovať veterný generátor a nie príliš zložité pomocné zariadenia. Stále však existujú niektoré nuansy, o ktorých by ste mali vedieť vopred.
Kinetická energia vetra sa môže premeniť buď na elektrickú, mechanickú alebo tepelnú energiu. Pomocou vetra je teda možné nielen zásobovať dom elektrinou, ale napríklad aj čerpať vodu zo studne, a to bez prechodnej premeny kinetickej energie prúdenia vetra na elektrickú energiu.
V tom či onom prípade budete potrebovať veternú elektráreň, ktorej súčasťou je veterná turbína vybavená meničom energie a batériou. Meničom energie môžu byť elektrické generátory, hydraulické čerpadlá, kompresory. Napríklad, ak bude veterná elektráreň slúžiť len na zavlažovanie, potom nemá zmysel najprv prijímať elektrinu a potom ju využívať na pohon elektrických čerpadiel. Ďalší článok v transformácii energie znižuje účinnosť veternej elektrárne. V hospodárskej praxi sa používajú prevažne len dva typy meničov – elektrické a mechanické (na čerpanie vody). V prvom prípade hovoríme o o akumulácii elektrická energia, ktorý používajú spotrebitelia; v druhom o veterných čerpadlách, ktoré zabezpečujú potrebný tlak v systémoch kvapkovej závlahy, postrekovacích systémoch a systémoch zásobovania vodou v domácnostiach.
Typy veterných turbín
Každá veterná turbína má lopatky, ktoré pri vetre absorbujú časť kinetickej energie prúdenia vetra. Tvar týchto lopatiek a dizajn veterného kolesa môžu byť rôzne. Existujú tri hlavné typy veterných turbín: lopatkové (podobné vrtuli), rotorové (kolotočové) a bubnové. Najbežnejšie sú okrídlené pracovné časti veterného kolesa, ktorých os otáčania je umiestnená horizontálne. Ich podiel je minimálne 90 % z celkového počtu veterných turbín.
Toto sú „veterné mlyny“. veľké množstvá možno nájsť v Európe a najmä v Holandsku. Projekty veternej energie v tejto krajine, ktoré začali v polovici minulého storočia, sa už mnohonásobne vyplatili. Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, že veterná elektráreň nie je schopná vyrobiť dostatok elektriny na to, aby pokryla náklady na jej inštaláciu a údržbu, v Holandsku sú celé dediny poháňané výlučne veternými turbínami. Jedna výkonná veterná elektráreň dokáže poskytnúť plnohodnotnú elektrinu niekoľkým stovkám(!) chát. Veterná turbína takejto inštalácie je inštalovaná na veľmi pevnej a stabilnej konštrukcii, ktorá je založená na masívnej železobetónovej doske zakopanej v hĺbke 15-20 metrov. Ako koreň stromu drží vysokú vežu, vo vnútri ktorej je rebrík, ktorý umožňuje obsluhu veternej turbíny. Nepoužívajú sa žiadne strie.
Lopatkové veterné turbíny pozostávajú z veterného kolesa, hlavy, orientačného mechanizmu (chvost) a veže (alebo stožiaru, v závislosti od veľkosti).
Veterné koleso môže byť vybavené jedným až ôsmimi alebo viacerými lopatkami. Veterné turbíny sa podľa počtu delia na vysokorýchlostné (do 4 lopatiek), strednorýchlostné (4...8 lopatiek) a nízkorýchlostné (od 8 lopatiek).
Hlava je navrhnutá tak, aby sa mohla otáčať okolo zvislej osi veže. Jeho tvar závisí od výkonu a účelu veternej turbíny – od faktorov, ktoré určujú sústavu prevodového mechanizmu, jeho konštrukciu a počet stupňov.
Chvost funguje ako korouhvička a otáča hlavu vo vetre. Jeho plocha závisí od aerodynamických parametrov lopatiek veterného kolesa.
Veža dvíha veternú turbínu nad všetky prekážky, ktoré znižujú tlakové prúdenie vetra, a tiež zaisťuje bezpečnosť rotácie lopatiek. Keď rýchlosť vetra prekročí 35-45 m/s, aktivuje sa brzdový systém, ktorý úplne zastaví veternú turbínu.
Počet lopatiek veterného kolesa vrtule závisí od priemernej rýchlosti vetra v oblasti, kde je veterná elektráreň inštalovaná. Zapnuté otvorené priestory, morské a oceánske pobrežia používajú veterné motory s malými lopatkami, ktoré na spustenie vyžadujú minimálnu rýchlosť vetra 5-8 m/s. Ide o najjednoduchšie veterné turbíny v dizajne, ktoré majú vysokú účinnosť, ale vytvárajú veľa hluku.
V oblastiach, kde rýchlosť vetra zriedka prekračuje 5 m/s, sa vo všeobecnosti odporúča inštalovať viaclopatkové veterné turbíny. Pracujú takmer ticho, ale majú tiež nižšiu účinnosť ako malé lopatky; Okrem toho výroba veterných turbín s viacerými lopatkami vyžaduje viac materiálov, pretože Počas prevádzky má veterná turbína tohto typu zvýšené gyroskopické zaťaženie.
Rotačné veterné turbíny(aka karusel) majú tiež jednoduchý dizajn, ale majú oveľa nižšiu účinnosť - maximálne 18%. Problémom ich použitia je aj to, že používajú skôr vzácne viacpólové elektrické generátory. Rotačné veterné turbíny majú vertikálnu os otáčania a lopatky, ktoré fungujú ako plachta. Jednou z výhod tohto typu veternej turbíny je absencia orientačného mechanizmu. Vertikálna os otáčania umožňuje bezpečné použitie veterného kolesa rotora pri nízkej výške veže. Takéto veterné turbíny štartujú pri nízkych rýchlostiach vetra a nevydávajú hluk. Hlavnou nevýhodou rotačných veterných turbín je nízky faktor využitia vetra, pretože do prevádzky je neustále zapojená iba časť lopatiek; zvyšok buď prekonáva odpor vetra, alebo je od neho izolovaný dáždnikom (plášťom).
Za posledné desaťročie sa trh s veternými elektrárňami (WPP) výrazne rozšíril, predovšetkým o kompaktné modely, ktoré by sa dali použiť v usadlostiach a farmách. Sú dimenzované na nízku počiatočnú rýchlosť vetra 2,5...3 m/s a inštaláciu veternej turbíny vo výške 6...17 m.. Menovité množstvo elektriny sa vyrába už vo výške 6...8 m /s (rýchlosť otáčania veternej turbíny 250...300 ot./min.).
Veterné generátory v práci
Rýchlosť vetra nie je konštantná a preto nie je možné z meniča získať „čistú“ elektrinu so stabilnými parametrami. Generátor spravidla produkuje napätie 0...56 V. Vzniknutá „špinavá“ energia je akumulovaná batériami, ktoré sú vybavené veternou turbínou, čo zabezpečuje nepretržitú prevádzku systému. Počas obdobia silného vetra zariadenie pracuje na maximálny výkon a ukladá energiu pre budúce použitie, aby ju uvoľnila v pokojných alebo slabých podmienkach vetra. Často sa používa spolu s veternou turbínou solárne panely, ktoré zabezpečujú nabíjanie batérie v lete, keď je vietor obzvlášť slabý.
Na premenu jednosmerného prúdu batérií na striedavý prúd s parametrami 220V/50Hz sú veterné turbíny vybavené invertormi.
S cieľom prekonať špičkové zaťaženie sa veterné turbíny kombinujú s pomocnými zdrojmi elektriny, ako sú dieselové a benzínové generátory, ako aj (ako pomocná) centralizovaná elektrická sieť.
Jednotlivé veterné elektrárne slaby prud postupne sa stáva lacnejším a efektívnejším. Zároveň sa zvyšujú vyhliadky na ich využitie pre súkromné domy a farmy. Napríklad pre chaty v odľahlých oblastiach je dôležité mať autonómnu veternú elektráreň s výkonom 20-50 kW, ktorá zaručuje prevádzku hlavného elektrického zariadenia pri absencii všetkých ostatných zdrojov.
Veterné čerpadlá
Ľudia sa naučili dvíhať vodu z hlbín pomocou vetra už dávno, no na tento spôsob sa dnes nezabúda, najmä tam, kde nie sú dostupné zdroje elektriny. Myšlienka vynálezu je jednoduchá – využiť veternú energiu na pohon vodného čerpadla.
Veterné čerpadlá sú najrozšírenejšie v USA. Kedysi rozhodovali o osude ekonomiky krajiny a dnes sa stali aj akousi náboženskou budovou v tradičnom prostredí amerického ranča.
V postsovietskom priestore sú veterné čerpadlá vzácnosťou, hoci počas záhradníckeho boomu v polovici 80. rokov ich popularita vzrástla. Vynútili si to okolnosti. V súčasnosti sa objavujú aj predpoklady na to, aby sme sa obrátili na už zabudnuté „sedmokrásky“ a „Vodnár“, keďže podiel elektriny na nákladoch na rastlinné produkty z roka na rok rastie.
Vetro-mechanická jednotka „Romashka“ bola vyvinutá NPO Vetroen. Jeho kresby boli prvýkrát publikované v časopise „Modelist-Konstruktor“ v roku 1988, ktorý načrtol pokyny pre vlastnú výrobu veterného čerpadla.
Obe jednotky majú najviac zjednodušený dizajn. Sú určené na nasávanie vody z hĺbky až 8 m a fungujú aj pri rýchlosti vetra 3 m/s. Veterné koleso „Romashka“ má 12 lopatiek a poháňa membránu čerpadla cez vačkovo-pákový mechanizmus s vertikálnou tyčou prechádzajúcou vo vnútri podpery veternej turbíny.
Pri rýchlosti vetra 5 m/s zdvihne veterné čerpadlo Romashka 8 metrovú hĺbku až 300 litrov vody za hodinu a je schopné ju dopraviť do výšky až 10 metrov. Spárované so systémom kvapková závlaha táto jednotka poskytuje skutočnú príležitosť na kultiváciu záhradné plodiny v odľahlých oblastiach, ak je tam nádrž alebo studňa hlboká do 8 metrov.
Princíp činnosti všetkých veterných turbín je rovnaký: pod tlakom vetra sa otáča veterné koleso s lopatkami, ktoré prenáša krútiaci moment cez prevodový systém na hriadeľ generátora, ktorý vyrába elektrinu, do vodného čerpadla. Čím väčší je priemer veterného kolesa, tým väčší prúd vzduchu zachytáva a tým viac energie jednotka vyrobí.
Tradičné usporiadanie veterných turbín je s horizontálnou osou otáčania (obr. 3) je dobrým riešením pre jednotky malej veľkosti a výkonu. Keď sa rozpätia lopatiek zväčšili, toto usporiadanie sa ukázalo ako neúčinné, pretože v rôznych výškach vietor fúka rôznymi smermi. V tomto prípade nielenže nie je možné jednotku optimálne orientovať vo vetre, ale hrozí aj deštrukcia čepele. Okrem toho konce lopatiek veľkej inštalácie, pohybujúce sa vysokou rýchlosťou, vytvárajú hluk. Hlavná prekážka využívania veternej energie je však stále ekonomická – výkon bloku zostáva malý a podiel nákladov na jeho prevádzku sa ukazuje ako významný. Nízkoenergetické jednotky dokážu vyrobiť energiu, ktorá je približne trikrát drahšia.
Obrázok 3 - Lopatková veterná turbína
Existujúce systémy veterných turbín podľa konštrukcie veterného kolesa a jeho polohy v prúdení vetra sú oddelené pre tri triedy.
Prvá trieda zahŕňa veterné turbíny, v ktorých je veterné koleso umiestnené vo vertikálnej rovine; v tomto prípade je rovina rotácie kolmá na smer vetra, a preto je os veterného kolesa rovnobežná s prúdením. Takéto veterné turbíny sú tzv okrídlený.
Rýchlosť je pomer obvodovej rýchlosti (ωR) hrotu lopatky k rýchlosti vetra V:
|
Lopatkové veterné turbíny sa podľa GOST 2656-44 v závislosti od typu veterného kolesa a rýchlosti delia do troch skupín (obrázok 4):
Ø viaclopatkové veterné turbíny, nízkorýchlostné, s vysokou rýchlosťou Zn 2 £;
Ø veterné motory s malými lopatkami s nízkou rýchlosťou, vrátane veterných mlynov, s vysokou rýchlosťou Zn> 2;
Ø veterné turbíny sú malolopatkové, vysokorýchlostné, Zn³3.
Obrázok.4 - Schémy veterných kolies lopatkových veterných motorov: 1 – viaclistové; 2–4 – maločepeľové
Co. druhý stupeň zahŕňajú systémy veterných turbín s vertikálnou osou otáčania veterného kolesa . Podľa konštruktívnej schémy sú rozdelené do skupín:
- kolotoč, v ktorom sú nepracujúce lopatky buď zakryté clonou alebo umiestnené na okraji proti vetru (obrázok 5, položka 1);
- rotačný veterné turbíny systému Savonius.
TO tretí stupeň patria veterné motory fungujúce na princípe vodného mlynského kolesa a tzv bubny ( Obrázok 5, položka 7 ) . Tieto veterné turbíny majú horizontálnu os otáčania a kolmú na smer vetra.
Obrázok 5 - Typy veterných turbín: 1 – rotačné; 2–3 viaclaločné; 4–5 – malolaločnaté; 6 – ortogonálne; 7 - bubon
Hlavné nevýhody karuselových a bubnových veterných turbín vyplývajú zo samotného princípu usporiadania pracovných plôch veterného kolesa v prúde vetra:
1. Keďže sa pracovné lopatky kolesa pohybujú v smere prúdenia vzduchu, zaťaženie vetrom nepôsobí súčasne na všetky lopatky, ale jedna po druhej. V dôsledku toho je každá lopatka vystavená prerušovanému zaťaženiu a miera využitia veternej energie je veľmi nízka a nepresahuje 10%.
2. Pohyb povrchov veterného kolesa v smere vetra neumožňuje vyvinúť vysoké rýchlosti, keďže povrchy sa nemôžu pohybovať rýchlejšie ako vietor.
3. Rozmery použitej časti prúdenia vzduchu (zametaná plocha) sú malé v porovnaní s rozmermi samotného kolesa, čo výrazne zvyšuje jeho hmotnosť na jednotku inštalovaného výkonu veterného motora.
Kolotočové veterné turbíny majú tú výhodu, že môžu pracovať v akomkoľvek smere vetra bez zmeny ich polohy.
Rotorové veterné turbíny systému Savonius majú najvyššiu mieru využitia veternej energie 18 %.
Lopatkové veterné turbíny nemajú vyššie uvedené nevýhody rotačných a bubnových veterných turbín. Dobré aerodynamické vlastnosti lopatkových veterných turbín, konštrukčná schopnosť vyrábať ich na vysoký výkon, relatívne nízka hmotnosť na jednotku výkonu sú hlavné výhody veterných turbín tejto triedy
Komerčné využitie lopatkových veterných turbín sa začalo v roku 1980. Za posledných 14 rokov sa výkon veterných turbín zvýšil 100-krát: z 20...60 kW s priemerom rotora asi 20 m začiatkom 80. rokov na 5000 kW s priemerom rotora nad 100 m do roku 2003 (obr. 7.6).
Typy lopatkových veterných turbín sa líšia iba počtom lopatiek.
Pre lopatkové veterné turbíny, ktorého najväčšia účinnosť sa dosahuje pri kolmom prúdení vzduchu na rovinu otáčania krídlových lopatiek, je potrebné zariadenie na automatické otáčanie osi otáčania. Na tento účel sa používa stabilizačné krídlo.
Koeficient využitia veternej energie (obrázok 4) pre lopatkové veterné turbíny je oveľa vyšší ako pre rotačné veterné turbíny. Zároveň majú kolotoče oveľa vyšší krútiaci moment. Je to maximum pre jednotky s rotačnými lopatkami pri nulovej relatívnej rýchlosti vetra.
Šírenie veterných turbín s obežným kolesom sa vysvetľuje veľkosťou ich rýchlosti otáčania. Môžu byť priamo napojené na generátor elektrického prúdu bez multiplikátora. Rýchlosť otáčania lopatkových veterných turbín je nepriamo úmerná počtu krídel, takže jednotky s viac ako tromi lopatkami sa prakticky nepoužívajú.
Rozdiel v aerodynamike dáva rotačným inštaláciám výhodu oproti tradičným veterným turbínam (obrázok 7). So zvyšujúcou sa rýchlosťou vetra rýchlo zvyšujú svoju ťažnú silu, po ktorej sa rýchlosť otáčania stabilizuje. Karuselové veterné turbíny sú nízkorýchlostné a to umožňuje použitie jednoduchých elektrických obvodov napríklad s asynchrónnym generátorom bez rizika havárie v dôsledku náhodného poryvu vetra. Pomalosť kladie jednu obmedzujúcu požiadavku – použitie viacpólového generátora pracujúceho pri nízkych rýchlostiach. Takéto generátory nie sú široko používané a použitie multiplikátorov (Multiplikátor [lat. multiplikátor] - zvýšenie prevodového stupňa) nie je efektívne kvôli nízkej účinnosti druhého.
Ešte dôležitejšou výhodou kolotočového dizajnu je jeho schopnosť monitorovať „kam vietor fúka“ bez ďalších trikov, čo je veľmi dôležité pre povrchové toky. Veterné turbíny tohto typu sa stavajú v USA, Japonsku, Anglicku, Nemecku a Kanade.
Veterná turbína s rotačnými lopatkami sa ovláda najjednoduchšie. Jeho konštrukcia zaisťuje maximálny krútiaci moment pri štartovaní veternej turbíny a automatickú samoreguláciu maximálnej rýchlosti otáčania počas prevádzky. Keď sa zaťaženie zvyšuje, rýchlosť otáčania sa znižuje a krútiaci moment sa zvyšuje, až kým sa úplne nezastaví.
Keď tok interaguje s čepeľou, dochádza k nasledovnému:
1) odporová sila rovnobežná s vektorom relatívnej rýchlosti prichádzajúceho prúdu;
2) zdvíhacia sila kolmá na ťažnú silu;
3) vír prúdenia okolo lopatky;
4) turbulizácia toku, t.j. chaotické poruchy jeho rýchlosti vo veľkosti a smere;
5) prekážka blížiaceho sa toku.
Prekážka prichádzajúceho toku je charakterizovaná parametrom nazývaným geometrická výplň a rovná sa pomeru plochy priemetu lopatiek na rovinu kolmú na tok k ploche, ktorú zmietajú.
Hlavné klasifikačné charakteristiky veterných elektrární možno určiť podľa nasledujúcich kritérií:
1. Ak je os otáčania veterného kolesa rovnobežná s prúdením vzduchu, inštalácia bude horizontálna-axiálna, ak je os otáčania veterného kolesa kolmá na prúdenie vzduchu - vertikálne-axiálne.
2. Zariadenia, ktoré využívajú odporovú silu (ťahacie stroje) ako rotačnú silu, sa spravidla otáčajú lineárnou rýchlosťou nižšou ako je rýchlosť vetra a zariadenia využívajúce zdvíhaciu silu (výťahové stroje) majú lineárnu rýchlosť koncov lopatky, ktorá má výrazne vyššiu rýchlosť vetra.
3. Pre väčšinu inštalácií je geometrická náplň veterného kolesa určená počtom lopatiek. Veterné turbíny s veľkou geometrickou náplňou veterného kolesa vyvíjajú značný výkon pri relatívne slabom vetre a maximálny výkon sa dosahuje pri nízkych otáčkach kolesa. Veterné turbíny s nízkym plnením dosahujú maximálny výkon pri vysokých rýchlostiach a dosiahnutie tohto režimu trvá dlhšie. Preto sa prvé zariadenia používajú napríklad ako vodné čerpadlá a zostávajú funkčné aj pri slabom vetre, zatiaľ čo druhé zariadenia sa používajú ako elektrické generátory, kde sú potrebné vysoké rýchlosti otáčania.
4. Zariadenia na priamy výkon mechanickej práce sa často nazývajú veterný mlyn alebo turbína, zariadenia na výrobu elektriny, t. j. kombinácia turbíny a elektrického generátora, sa nazývajú veterné generátory, vzduchové generátory a tiež premena energie. inštalácie.
5. Pre vzduchové generátory pripojené priamo k výkonnému energetickému systému je rýchlosť otáčania konštantná v dôsledku asynchronizačného efektu, ale takéto zariadenia využívajú veternú energiu menej efektívne ako zariadenia s premenlivou rýchlosťou otáčania.
6. Veterné koleso môže byť pripojené k elektrickému generátoru priamo (pevná spojka) alebo cez medziľahlý menič energie, ktorý funguje ako nárazník. Prítomnosť nárazníka znižuje následky kolísania rýchlosti otáčania veterného kolesa, čo umožňuje efektívnejšie využitie veternej energie a výkonu elektrického generátora. Okrem toho existujú čiastočne oddelené schémy na pripojenie kolesa k generátoru, ktoré sa nazývajú mäkké. Netuhé spojenie spolu so zotrvačnosťou veterného kolesa teda znižuje vplyv kolísania rýchlosti vetra na výstupné parametre elektrického generátora. Tento vplyv možno znížiť aj pružným spojením lopatiek s osou veterného kolesa, napríklad pomocou odpružených závesov.
Veterné koleso s horizontálnou osou. Uvažujme veterné kolesá typu vrtule s horizontálnou osou. Hlavnou rotačnou silou pre kolesá tohto typu je zdvih. S ohľadom na vietor môže byť veterné koleso v pracovnej polohe umiestnené pred nosnou vežou alebo za ňou.
Veterné generátory zvyčajne používajú dvoj- a trojlistové veterné kolesá, ktoré sa vyznačujú veľmi hladkou jazdou. Elektrický generátor a prevodovka, ktorá ho spája s veterným kolesom, sú zvyčajne umiestnené v hornej časti nosnej veže v otočnej hlave.
Kolesá s viacerými lopatkami, ktoré vyvíjajú vysoký krútiaci moment pri slabom vetre, sa používajú na čerpanie vody a iné účely, ktoré nevyžadujú vysokú rýchlosť otáčania veterného kolesa.
Veterné generátory s vertikálnou osou (obrázok 7). Veterné generátory s vertikálnou osou otáčania sú vďaka svojej geometrii v prevádzkovej polohe v akomkoľvek smere vetra. Okrem toho táto schéma umožňuje jednoduchým predĺžením hriadeľa nainštalovať prevodovku s generátormi na spodok veže.
Zásadnými nevýhodami takýchto inštalácií sú: ich oveľa väčšia náchylnosť na únavové poruchy v dôsledku častejšie sa vyskytujúcich samokmitavých procesov v nich a pulzácie krútiaceho momentu, vedúcej k nežiaducim pulzáciám vo výstupných parametroch generátora. Z tohto dôvodu je veľká väčšina generátorov veternej energie navrhnutá pomocou konštrukcie s horizontálnou osou, ale výskum rôzne druhy prebiehajú inštalácie s vertikálnou osou.
Najbežnejšie typy inštalácií vertikálnej osi sú:
1. Rotor pohára (anemometer). Veterné koleso tohto typu sa otáča odporovou silou. Tvar miskovitej lopatky zabezpečuje takmer lineárnu závislosť rýchlosti kolesa od rýchlosti vetra.
2.Savonius rotor. Toto koleso sa tiež otáča odporom. Jeho čepele sú vyrobené z tenkých zakrivených plechov obdĺžnikového tvaru, t.j. sú jednoduché a lacné. Krútiaci moment vzniká v dôsledku rozdielneho odporu, ktorý prúdeniu vzduchu poskytujú konkávne a voči nemu zakrivené lopatky rotora. Vďaka veľkej geometrickej výplni má toto veterné koleso veľký krútiaci moment a slúži na čerpanie vody.
3. RotorDarye. Krútiaci moment je vytváraný zdvíhacou silou, ktorá vzniká na dvoch alebo troch tenkých zakrivených nosných plochách s aerodynamickým profilom. Zdvíhacia sila je maximálna v momente, keď lopatka pretína prichádzajúci prúd vzduchu vysokou rýchlosťou. Rotor Daria sa používa vo veterných generátoroch. Rotor sa spravidla nemôže sám roztočiť, preto sa na jeho spustenie zvyčajne používa generátor pracujúci v režime motora.
4.Musgroove rotor. Lopatky tohto veterného kolesa v prevádzkovom stave sú umiestnené vertikálne, ale majú schopnosť otáčať sa alebo zložiť okolo horizontálnej osi, keď sú vypnuté. Existovať rôzne možnosti Musgrove rotory, ale všetky sa pri silnom vetre vypínajú.
5.Evansov rotor. Lopatky tohto rotora sú pohotovostna situacia a pri ovládaní otáčať okolo zvislej osi.
Obrázok 7 - Veterné generátory s vertikálnou osou
Náboje. Výkon veternej turbíny závisí od účinnosti využitia energie prúdu vzduchu. Jedným zo spôsobov, ako ho zvýšiť, je použitie špeciálnych koncentrátorov prúdenia vzduchu (zosilňovačov). Pre veterné generátory s horizontálnou osou boli vyvinuté rôzne verzie takýchto koncentrátorov. Môžu to byť difúzory alebo zmätky (deflektory), ktoré usmerňujú prúdenie vzduchu do veterného kolesa z oblasti väčšej ako zametaná plocha rotora a niektoré ďalšie zariadenia. Koncentrátory sa zatiaľ v priemyselných zariadeniach veľmi nepoužívajú.
Na základe konštrukcie veterného kolesa a jeho polohy v prúde vetra sú existujúce systémy veterných turbín rozdelené do troch tried. Na obr. 5.4 uvádza základné konštrukcie hlavných typov rotorov a veterných turbín.
Prvá trieda zahŕňa veterné turbíny, v ktorých je veterné koleso umiestnené vo vertikálnej rovine; v tomto prípade je rovina rotácie kolmá na smer vetra, a preto je os veterného kolesa rovnobežná s prúdením. Takéto veterné turbíny sa nazývajú okrídlené.
Pomer rýchlosti hrotu lopatky k rýchlosti vetra: nazývaná rýchlosť
Lopatkové veterné turbíny sa podľa GOST 2656-44 v závislosti od typu veterného kolesa a rýchlosti delia do troch skupín:
· viaclistové, nízkorýchlostné veterné motory s rýchlosťou Zn ≤ 2.
· nízkootáčkové veterné motory s malými lopatkami, vrátane veterných mlynov, s rýchlosťou Zn > 2.
· veterné turbíny sú malolopatkové, vysokorýchlostné, Zn ≥ 3.
Co. druhý stupeň zahŕňajú systémy veterných turbín s vertikálnou osou otáčania veterného kolesa. Podľa konštruktívnej schémy sú rozdelené do skupín:
· kolotočové lopatky, v ktorých sú nefunkčné lopatky buď zakryté clonou, alebo umiestnené hranou proti vetru;
· rotačné veterné motory systému Savonius.
l-sub">
Keď sa v prúde plynu vytvára para, voda sa ochladzuje na teplotu termodynamickej rovnováhy, ktorá je výrazne nižšia ako teplota nasýtenia pri rovnakom strednom tlaku. To umožňuje výrazne zvýšiť teplotný rozdiel vody, ...
hlad po palive, ako aj globálne znečistenie životné prostredie a skutočnosť, že nárast dopytu po energii výrazne prevyšuje nárast jej výroby, núti mnohé krajiny venovať pozornosť...
Jednotky tepelného čerpadla sú klasifikované podľa princípu činnosti a typu vykurovacej kvapaliny. Na princípe činnosti existujú kompresné (vzduchový a parný kompresor), sorpčné (absorpčné) a prúdové (ejektorové) HPI. Parný kompresor HPI v porovnaní so vzduchom...
zariadenie, ktoré premieňa veternú energiu na energiu rotačný pohyb. Hlavnou pracovnou časťou veternej turbíny je rotačná jednotka - koleso poháňané vetrom a pevne spojené s hriadeľom, ktorého rotácia poháňa zariadenie, ktoré vykonáva užitočnú prácu. Hriadeľ môže byť inštalovaný horizontálne alebo vertikálne. Veterné turbíny sa zvyčajne používajú na výrobu energie spotrebovanej pravidelne: pri čerpaní vody do nádrže, mletí obilia, v dočasných, núdzových a miestnych sieťach napájania. Historický odkaz. Aj keď prízemné vetry nie vždy fúkajú, menia svoj smer a ich sila nie je konštantná, veterná turbína je jedným z najstarších strojov na získavanie energie z prírodných zdrojov. Kvôli pochybnej spoľahlivosti starých písomných správ o veterných turbínach nie je celkom jasné, kedy a kde sa takéto stroje prvýkrát objavili. Ale, súdiac podľa niektorých záznamov, existovali už pred 7. storočím. AD Je známe, že v Perzii sa používali v 10. storočí, a v západná Európa Prvé zariadenia tohto typu sa objavili na konci 12. storočia. V priebehu 16. stor. Nakoniec vznikol stanový typ holandského veterného mlyna. Výraznejšie zmeny v ich dizajne neboli pozorované až do začiatku 20. storočia, kedy sa v dôsledku výskumu výrazne zlepšili tvary a nátery krídel mlynov. Keďže nízkorýchlostné stroje sú ťažkopádne, v druhej polovici 20. stor. začali stavať vysokorýchlostné veterné turbíny, t.j. tie, ktorých veterné kolesá dokážu urobiť veľký počet otáčok za minútu s vysokou účinnosťou využitia veternej energie. Moderné typy veterných turbín. V súčasnosti sa používajú tri hlavné typy veterných turbín – bubnové, krídlové (skrutkový typ) a rotorové (s profilom odpudzovača v tvare S). Bubon a lopatka. Hoci má veterné koleso bubnového typu najnižšiu mieru využitia veternej energie v porovnaní s inými modernými repelermi, je najpoužívanejšie. Mnoho fariem ho používa na čerpanie vody, ak z nejakého dôvodu nie je elektrina. Typický tvar takéhoto kolesa s plechovými lopatkami je na obr. Veterné kolesá bubnového a lopatkového typu sa otáčajú na vodorovnom hriadeli, takže na dosiahnutie najlepšieho výkonu sa musia otáčať proti vetru. K tomu dostanú kormidlo – list umiestnený vo zvislej rovine, ktorý zabezpečuje otáčanie veterného kolesa do vetra. Priemer kolesa najväčšej veternej turbíny lopatkového typu na svete je 53 m, maximálna šírka jeho lopatky je 4,9 m. Veterné koleso je priamo napojené na elektrický generátor s výkonom 1000 kW, ktorý sa vyvíja pri vetre rýchlosť najmenej 48 km/h. Jeho lopatky sú nastavené tak, že rýchlosť otáčania veterného kolesa zostáva konštantná a rovná sa 30 ot./min. v rozsahu rýchlosti vetra od 24 do 112 km/h. Vzhľadom na to, že v oblasti, kde sa takéto veterné turbíny nachádzajú, dosť často fúka vietor, veterná turbína zvyčajne vyrába 50 % svojho maximálneho výkonu a napája verejnú elektrickú sieť. Lopatkové veterné turbíny sú široko používané v odľahlých vidieckych oblastiach na poskytovanie elektriny farmám, vrátane nabíjania batérií rádiokomunikačných systémov. Používajú sa aj v palubných pohonných systémoch lietadiel a riadených strelách. Rotor v tvare S. Rotor v tvare S namontovaný na zvislom hriadeli (obr. 2) je dobrý, pretože veternú turbínu s takýmto odpudzovačom netreba privádzať do vetra. Aj keď sa krútiaci moment na jeho hriadeli mení od minima do jednej tretiny maximálnej hodnoty za pol otáčky, nezávisí od smeru vetra. Keď sa hladký kruhový valec otáča vplyvom vetra, pôsobí na telo valca sila kolmá na smer vetra. Tento jav sa nazýva Magnusov jav podľa nemeckého fyzika, ktorý ho študoval (1852). V rokoch 1920-1930 A. Flettner používal rotujúce valce (Flettnerove rotory) a rotory v tvare S namiesto lopatkových veterných kolies a tiež ako pohony lode, ktorá robila prechod z Európy do Ameriky a späť. Miera využitia veternej energie. Výkon získaný z vetra je zvyčajne malý – menej ako 4 kW vyvíja zastaraný typ holandského veterného mlyna pri rýchlosti vetra 32 km/h. Sila prúdenia vetra, ktorú možno využiť, je tvorená kinetickou energiou vzdušných hmôt, ktoré sa pohybujú za jednotku času kolmo na plochu danej veľkosti. Vo veternej turbíne je táto oblasť určená náveternou plochou odpudzovača. Ak vezmeme do úvahy nadmorskú výšku, tlak vzduchu na ňom a jeho teplotu, dostupný výkon N (v kW) na jednotku plochy je určený rovnicou N = 0,0000446 V3 (m/s). Koeficient využitia veternej energie sa zvyčajne definuje ako pomer výkonu vyvinutého na hriadeli veternej turbíny k dostupnému výkonu prúdenia vetra pôsobiaceho na náveternú plochu veterného kolesa. Tento koeficient sa stáva maximálnym pri určitom pomere medzi rýchlosťou vonkajšieho okraja listu veterného kolesa w a rýchlosťou vetra u; hodnota tohto w/u pomeru závisí od typu veternej turbíny. Koeficient využitia veternej energie závisí od typu veterného kolesa a pohybuje sa od 5 do 10 % ( Holandský mlyn s plochými krídlami, w/u = 2,5) až 35-40% (profilovaný krídelkový odpudzovač, 5? w/u? 10).