Ветровая турбина с вертикальной осью вращения

Тип ветряной турбины

Самая высокая в мире ветровая турбина с вертикальной осью вращения в Кап-Ша, Квебек

Схема вихря

Вертикальная осевая ветровая турбина на шельфе

Вертикально -осевая ветровая турбина ( VAWT ) — это тип ветровой турбины , в которой вал главного ротора установлен поперек ветра, а основные компоненты расположены у основания турбины. Такое расположение позволяет располагать генератор и коробку передач близко к земле, что облегчает обслуживание и ремонт. VAWT не нужно направлять на ветер, ^{[1] [2]} , что устраняет необходимость в механизмах определения направления ветра и ориентации. Основными недостатками ранних конструкций ( Савониуса , Дарье и гиромилла ) были значительная пульсация крутящего момента во время каждого оборота и большие изгибающие моменты на лопастях. Более поздние конструкции решали проблему пульсации крутящего момента путем спирального перемещения лопастей ( тип Горлова ). ^[3] Вертикально-осевые ветровая турбина Савониуса (VAWT) не получили широкого распространения, но их простота и лучшая производительность в возмущенных полях потока по сравнению с небольшими горизонтально-осевыми ветровыми турбинами (HAWT) делают их хорошей альтернативой для устройств распределенной генерации в городской среде. ^[4]

Вертикальная ось ветрогенератора перпендикулярна линиям потока ветра и вертикальна земле. Более общий термин, включающий эту опцию, — «поперечно-осевая ветровая турбина» или «поперечно-поточная ветровая турбина». Например, оригинальный патент Дарье, патент США 1835018, включает обе опции.

Ветротурбины тягового типа, такие как ротор Савониуса, обычно работают при более низких коэффициентах окружной скорости, чем ветротурбины подъемного типа, такие как роторы Дарье и циклотурбины .

Компьютерное моделирование показывает, что ветряные электростанции, построенные с использованием ветровых турбин с вертикальной осью вращения, на 15% эффективнее обычных ветровых турбин с горизонтальной осью вращения, поскольку они создают меньше турбулентности. ^{[5] [6]}

Общая аэродинамика

Силы и скорости, действующие в турбине Дарье, показаны на рисунке 1. Результирующий вектор скорости, , представляет собой векторную сумму скорости невозмущенного восходящего потока воздуха, , и вектора скорости движущейся лопасти, . ${\displaystyle {\vec {W}}}$ ${\displaystyle {\vec {U}}}$ ${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$

${\displaystyle {\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)}$

Рисунок 1: Силы и скорости, действующие в турбине Дарье для различных азимутальных положений

Винтовая турбина Дарье

Таким образом, скорость набегающей жидкости меняется в течение каждого цикла. Максимальная скорость находится для , а минимальная — для , где — азимутальное или орбитальное положение лопасти. Угол атаки , , — это угол между скоростью набегающего воздуха W и хордой лопасти. Результирующий поток воздуха создает переменный, положительный угол атаки к лопасти в зоне выше по потоку машины, меняя знак в зоне ниже по потоку машины. ${\displaystyle \theta =0{}^{\circ }}$ ${\displaystyle \theta =180{}^{\circ }}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \alpha }$

Из геометрических соображений угловой скорости, как показано на прилагаемом рисунке, следует, что:

${\displaystyle V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )}$

и:

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta )}$

Решение относительной скорости как результата тангенциальной и нормальной составляющих дает:

${\displaystyle W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}}$ ^[7]

Таким образом, объединение вышеизложенного с определениями для коэффициента скорости конца лопасти дает следующее выражение для результирующей скорости: ${\displaystyle \lambda =(\omega R)/U}$

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$ ^[8]

Угол атаки определяется как:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)}$

Что при замене вышеприведенного дает:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^[9]

Результирующая аэродинамическая сила разлагается либо на компоненты подъемной силы (L) - сопротивления (D), либо на компоненты нормальной силы (N) - тангенциальной силы (T). Силы считаются действующими в точке четверти хорды, а момент тангажа определяется для разложения аэродинамических сил. Авиационные термины подъемная сила и сопротивление относятся к силам поперек (подъемная сила) и вдоль (сопротивление) приближающегося чистого относительного воздушного потока. Тангенциальная сила действует вдоль скорости лопасти, тянув лопасть вокруг, а нормальная сила действует радиально, толкая подшипники вала. Подъемная сила и сила сопротивления полезны при работе с аэродинамическими силами вокруг лопасти, такими как динамический срыв , пограничный слой и т. д.; в то время как при работе с глобальной производительностью, усталостными нагрузками и т. д. удобнее иметь нормально-тангенциальную раму. Коэффициенты подъемной силы и сопротивления обычно нормализуются динамическим давлением относительного воздушного потока, в то время как нормальные и тангенциальные коэффициенты обычно нормализуются динамическим давлением невозмущенной скорости восходящей жидкости.

${\displaystyle C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}$

A = Площадь лопатки (не путать с площадью ометаемой поверхности, которая равна высоте лопатки/ротора, умноженной на диаметр ротора), R = Радиус турбины

Количество мощности P, которое может быть поглощено ветряной турбиной:

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}}$

Где - коэффициент мощности, - плотность воздуха, - площадь ометаемой поверхности турбины, - скорость ветра. ^[10] ${\displaystyle C_{p}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \nu }$

Типы

Существует два основных типа ветровых турбин с вертикальной осью вращения. Ветровая турбина Савониуса и ветровая турбина Дарье. Ротор Дарье имеет различные подформы, включая спиральную, дисковую и H-ротор с прямыми лопастями. Эти турбины обычно имеют три тонких роторных лопасти, приводимых в движение подъемной силой, что позволяет им достигать высоких скоростей.[1]

Для вертикальных ветровых турбин могут существовать различные простые конструкции, как подробно описано ниже. На практике вы можете столкнуться с рядом вариаций и комбинаций, при этом разработчики часто демонстрируют свою креативность в создании различных форм вертикальных ветровых турбин.

Типы ветровых турбин с вертикальной осью вращения

Савониус

Схематический чертеж двухлопастной турбины Савониуса.

Ветряная турбина Савониуса ( SWT) — это VAWT тягового типа. Обычная конструкция включает вращающийся вал с двумя или тремя ковшами, которые улавливают входящий ветер. Благодаря своей простой и прочной конструкции и относительно низкой эффективности она используется всегда, когда надежность важнее эффективности. Одной из причин низкой эффективности ветряной турбины Савониуса является то, что примерно только половина турбины генерирует положительный крутящий момент, в то время как другая сторона движется против ветра и, таким образом, создает отрицательный крутящий момент. Вариантом SWT является ветряная турбина Harmony ^[11] со спиральными лопастями и автоматическим механизмом сворачивания при сильном ветре.

Дарриеус

Ветряная турбина Darrieus представляет собой подъемный тип VAWT. Первоначальная конструкция включала ряд изогнутых лопастей аэродинамического профиля с наконечниками, прикрепленными к вращающемуся валу. Однако существуют также конструкции, в которых используются прямые вертикальные аэродинамические профили, называемые ветряными турбинами Darrieus H-rotor или Giromill. Кроме того, лопасти ветряной турбины Darrieus могут быть сформированы в виде спирали, чтобы уменьшить эффект пульсации крутящего момента на турбине путем равномерного распределения крутящего момента по обороту.

Ветровые турбины Дарье, являясь устройствами подъемного типа, могут извлекать больше энергии из ветра, чем ветровые турбины тягового типа , такие как ветротурбина Савониуса.

Вращающееся крыло

Ветровые турбины с вращающимся крылом или ветровые турбины с вращающимся крылом представляют собой новую категорию подъемных ветроэнергетических установок, в которых используется один вертикально стоящий невинтовой аэродинамический профиль для создания вращения на 360 градусов вокруг вертикального вала, проходящего через центр аэродинамического профиля.

Преимущества

Ветровые турбины с горизонтальной осью вращения обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными ветряными турбинами с горизонтальной осью вращения (ВГВТ):

• Всенаправленным VAWT может не потребоваться отслеживать ветер. Это означает, что им не нужны сложные механизмы и двигатели для рыскания ротора и наклона лопастей . ^[12]
• Замена и обслуживание коробки передач стали проще и эффективнее, поскольку коробка передач доступна на уровне земли, а не требует от оператора работы на высоте сотен футов. Отказы двигателя и коробки передач обычно являются существенными проблемами при эксплуатации и обслуживании.
• В некоторых проектах можно использовать винтовые свайные фундаменты, что сокращает транспортировку бетона по дорогам и воздействие установки на окружающую среду. Винтовые сваи могут быть полностью переработаны по окончании срока службы.
• VAWT могут быть установлены на ветровых электростанциях HAWT ниже существующих HAWT, дополняя выходную мощность. ^[13]
• VAWT могут работать в условиях, неподходящих для HAWT. Например, ротор Савониуса , который может работать в условиях нерегулярного, медленного ветра на уровне земли, часто используется в удаленных или необслуживаемых местах, хотя это самый «неэффективный» VAWT тягового типа.
• Снижение шума по сравнению с HAWT ^[14]
• Уменьшение опасности для птиц ^[15]

Недостатки

Когда скорость ветряной турбины VAWT растет, растет и мощность, однако в определенной пиковой точке мощность постепенно уменьшается до нуля, даже когда скорость ветряной турбины самая большая. ^{[ необходимо разъяснение ]} Таким образом, дисковые тормоза используются для замедления скорости ветряной турбины при сильном ветре. Однако иногда из-за перегрева дискового тормоза турбина может загореться. ^[16]

VAWT часто страдают от динамического срыва лопастей, поскольку угол атаки быстро меняется. ^{[17] [18] [19]}

Лопасти VAWT подвержены усталости из-за большого изменения приложенных сил во время каждого поворота. Вертикально ориентированные лопасти могут скручиваться и изгибаться во время каждого поворота, что сокращает их полезный срок службы.

За исключением тяговых типов, VAWT оказались менее надежными, чем HAWT , ^[20] хотя современные конструкции преодолели многие ранние проблемы. ^{[21] [22]}

Исследовать

Исследование 2021 года смоделировало конфигурацию VAWT, которая позволила VAWT превзойти сопоставимую установку HAWT на 15%. 11 500-часовое моделирование продемонстрировало повышенную эффективность, отчасти за счет использования сетчатой ​​структуры. Одним из эффектов является избежание турбулентности ниже по потоку, возникающей из-за сетчатых HAWT, что снижает эффективность. Другие оптимизации включали угол решетки, направление вращения, расстояние между турбинами и количество роторов. ^[23]

В 2022 году норвежская компания World Wide Wind представила плавающие VAWT с двумя наборами вращающихся в противоположных направлениях лопастей. Два набора закреплены на концентрических валах. К каждому прикреплена турбина. Один прикреплен к ротору , другой к статору . Это приводит к удвоению их скорости относительно друг друга по сравнению со статическим статором. Они заявили, что вырабатывают более чем вдвое больше энергии по сравнению с самыми большими HAWT. HAWT требуют тяжелых трансмиссий, коробок передач, генераторов и лопастей наверху башни, что требует тяжелых подводных противовесов. VAWT размещают большинство тяжелых компонентов внизу башни, что снижает необходимость в противовесе. Лопасти охватывают коническую область, что помогает уменьшить турбулентность по ветру каждой башни, увеличивая максимальную плотность башни. Компания заявляет, что построит 40-мегаваттный блок высотой 400 м (1300 футов). ^[24]

Приложения

Ветряная турбина на фонарном столбе

Windspire, небольшой VAWT, предназначенный для индивидуального (домашнего или офисного) использования, был разработан в начале 2000-х годов американской компанией Mariah Power. Компания сообщила, что к июню 2008 года несколько единиц были установлены по всей территории США. ^[25]

Компания Arborwind из Энн-Арбор, штат Мичиган , производит запатентованный небольшой VAWT, который был установлен в нескольких местах в США по состоянию на 2013 год. ^[26]

В 2011 году исследователи ветроэнергетики Sandia National Laboratories начали пятилетнее исследование применения технологии проектирования VAWT на морских ветровых электростанциях. ^[27] Исследователи заявили: «Экономика морской ветроэнергетики отличается от наземных турбин из-за проблем с установкой и эксплуатацией. VAWT предлагают три больших преимущества, которые могут снизить стоимость ветроэнергетики: более низкий центр тяжести турбины; меньшая сложность машины; и лучшая масштабируемость до очень больших размеров. Более низкий центр тяжести означает улучшенную устойчивость на плаву и более низкие гравитационные усталостные нагрузки. Кроме того, трансмиссия на VAWT находится на поверхности или около нее, что потенциально упрощает обслуживание и сокращает затраты времени. Меньше деталей, более низкие усталостные нагрузки и более простое обслуживание приводят к снижению затрат на обслуживание».

Демонстрационный участок VAWT из 24 блоков был установлен в южной Калифорнии в начале 2010-х годов профессором аэронавтики Калтеха Джоном Дабири . Его проект был включен в 10-блочную генерирующую ферму, установленную в 2013 году в деревне Айгиугиг на Аляске. ^[28]

Dulas, Anglesey , получил разрешение в марте 2014 года на установку прототипа VAWT на волнорезе в порту Талбот. Турбина представляет собой новую конструкцию, поставленную базирующейся в Уэльсе компанией C-FEC (Суонси), ^[29] и будет эксплуатироваться в течение двухлетнего испытания. ^[30] Этот VAWT включает в себя ветрозащитный экран, который блокирует ветер от движущихся лопастей, и, таким образом, требует датчика направления ветра и механизма позиционирования, в отличие от типов VAWT «взбивалка», обсуждавшихся выше. ^[29]

Канадская компания StrongWind производит запатентованный городской VAWT, который был установлен в нескольких канадских и международных местах по состоянию на 2023 год. ^[31]

Архитектор Майкл Рейнольдс (известный своими проектами домов Earthship ) разработал VAWT 4-го поколения под названием Dynasphere . Он имеет два генератора по 1,5 кВт и может вырабатывать электроэнергию на очень низких скоростях. ^[32]

Смотрите также

• Нетрадиционные ветровые турбины
• Вентилятор поперечного потока

Ссылки

1. Джа, АР (2010). Технология ветровых турбин . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press .^{[ нужна страница ]}
2. Рачити Кастелли, Марко; Энгларо, Алессандро; Бенини, Эрнесто (2011). «Ветряная турбина Дарье: предложение по новой модели прогнозирования производительности на основе CFD». Энергия . 36 (8): 4919–4934. Бибкод : 2011Ene....36.4919R. doi :10.1016/j.energy.2011.05.036.
3. Battisti, L.; Brighenti, A.; Benini, E.; Castelli, M. Raciti (сентябрь 2016 г.). «Анализ различных архитектур лезвий при малой производительности VAWT». Journal of Physics: Conference Series . 753 (6): 062009. Bibcode : 2016JPhCS.753f2009B. doi : 10.1088/1742-6596/753/6/062009. hdl : 11572/152690 . S2CID  4880064.
4. Лонго, Риккардо; Никастро, Патрисия; Наталини, Маттео; Шито, Паоло; Мереу, Риккардо; Паренте, Алессандро (август 2020 г.). «Влияние городской среды на производительность ветряных турбин Савониуса: численная перспектива» (PDF) . Возобновляемая энергия . 156 : 407–422. Бибкод : 2020REne..156..407L. doi : 10.1016/j.renene.2020.03.101. hdl : 11311/1136273. S2CID  219003726.
5. «Вертикальные турбины могут стать будущим ветряных электростанций». EurekAlert! .
6. Хансен, Иоахим Тофтегаард; Махак, Махак; Цанакис, Яковос (июнь 2021 г.). «Численное моделирование и оптимизация пар ветряных турбин с вертикальной осью: подход с увеличением масштаба». Возобновляемая энергия . 171 : 1371–1381. Bibcode : 2021REne..171.1371H. doi : 10.1016/j.renene.2021.03.001 .
7. Ислам, М.; Тинг, Д.; Фартадж, А. (2008). «Аэродинамические модели для ветровых турбин с прямыми лопастями и вертикальной осью типа Дарье». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (4): 1087–1109. Bibcode : 2008RSERv..12.1087I. doi : 10.1016/j.rser.2006.10.023.
8. «Разработка ветряной турбины с вертикальной осью вращения, Гильерме Силва» (PDF) .
9. Эль Касми, Амина; Массон, Кристиан (2008). «Расширенная модель k–ε для турбулентного потока через ветровые турбины с горизонтальной осью». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 96 : 103–122. doi :10.1016/j.jweia.2007.03.007.
10. Эрикссон, С.; Бернхофф, Х.; Лейон, М. (2008). «Оценка различных концепций турбин для ветроэнергетики». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (5): 1419–1434. Bibcode : 2008RSERv..12.1419E. doi : 10.1016/j.rser.2006.05.017.
11. «Harmony Turbines – ...теперь у нас есть возможность изменить мир!». harmonyturbines.com . Получено 20.10.2022 .
12. Wicaksono, Yoga Arob; Tjahjana, Dominicus Danardono Dwi Prija; Hadi, Syamsul (2018). "Влияние всенаправленного направляющего лопасти на производительность ротора с поперечным потоком для городской ветроэнергетики". 3-я международная конференция по промышленности . Труды конференции AIP. 1927 (1): 030040. Bibcode : 2018AIPC.1931c0040W. doi : 10.1063/1.5024099 . ISSN  0094-243X.
13. Peace, Steven (2004-06-01). «Другой подход к ветру». Машиностроение . 126 (6): 28–31. doi : 10.1115/1.2004-JUN-2 .
14. Эрик Мёллерстрём; Фредрик Оттермо; Джонни Хайландер; Ханс Бернхофф (2016). «Шумовое излучение ветровой турбины с вертикальной осью мощностью 200 кВт» (PDF) . Energies . 9 : 19. doi : 10.3390/en9010019 . Получено 15.09.2022 .
15. "Bird-Safe Wind Turbines". 2018-09-12 . Получено 2022-09-15 .
16. Аниш Паудель; Махато, Рахул; Девкота, Сантош; Сандип Паудель (август 2022 г.). «ПРОЕКТИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ВЕТРОВОЙ ТУРБИНЫ HARMONY». doi :10.13140/RG.2.2.33181.38883. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ) ^{[ мертвая ссылка ]}
17. Бюхнер, А.-Дж.; Сория, Дж.; Хоннери, Д.; Смитс, А.Дж. (2018). «Динамический срыв в ветровых турбинах с вертикальной осью: масштабирование и топологические соображения». Журнал механики жидкости . 841 : 746–766. Bibcode : 2018JFM...841..746B. doi : 10.1017/jfm.2018.112 . S2CID  126033643.
18. Бюхнер, А.-Дж.; Лори, М.В.; Мартинелли, Л.; Сория, Дж.; Смитс, А.Дж. (2015). «Динамический срыв в ветровых турбинах с вертикальной осью: сравнение экспериментов и вычислений». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 146 : 163–171. Bibcode : 2015JWEIA.146..163B. doi : 10.1016/j.jweia.2015.09.001.
19. Симау Феррейра, Карлос; Ван Куик, Гийс; Ван Бассел, Жерар; Скарано, Фульвио (2008). «Визуализация с помощью PIV динамического сваливания на ветряной турбине с вертикальной осью». Эксперименты с жидкостями . 46 (1): 97–108. Бибкод : 2009ExFl...46...97S. дои : 10.1007/s00348-008-0543-z .
20. Чирас, Дэн (2010). Основы ветроэнергетики: руководство по зеленой энергии . Новое общество. стр. 87. ISBN 978-0-86571-617-9.^{[ нужна страница ]}
21. Эшвилл, Томас Д.; Сазерленд, Герберт Дж.; Берг, Дейл Э. (2012-01-01). Ретроспектива технологии VAWT (Отчет). doi :10.2172/1035336 – через Библиотеки Университета Северного Техаса, Цифровая библиотека UNT https://digital.library.unt.edu; Отдел правительственных документов библиотек UNT.
22. Кир, Мэтт; Эванс, Бен; Эллис, Роб; Ролланд, Сэм (январь 2016 г.). «Вычислительная аэродинамическая оптимизация лопастей ветряных турбин с вертикальной осью». Прикладное математическое моделирование . 40 (2): 1038–1051. doi : 10.1016/j.apm.2015.07.001 . ISSN  0307-904X.
23. Куп, Фермин (27.04.2021). «Будущее ветряных электростанций — вертикальное, согласно новым поразительным исследованиям». ZME Science . Получено 29.04.2021 .
24. Блейн, Лоз (2022-08-30). «Плавающие турбины противоположного вращения обещают беспрецедентный масштаб и мощность». Новый Атлас . Получено 2022-08-31 .
25. LaMonica, Martin (2008-06-02). "Ветровая турбина с вертикальной осью вращения превращается в бизнес". CNET . Получено 2015-09-18 .
26. "История". Arbor Wind . Получено 2015-09-18 .
27. Холинка, Стефани (2012-08-08). "Оффшорное использование вертикально-осевых ветровых турбин становится более пристальным". Renewable Energy World . Получено 2015-09-18 .
28. Буллис, Кевин (2013-04-08). «Будут ли вертикальные турбины производить больше ветра?». MIT Technology Review . Получено 2015-09-18 .
29. "C-FEC". Архивировано из оригинала 2016-03-18 . Получено 2024-09-02 .
30. "Dulas получает согласие на прототип ветровой турбины с вертикальной осью". Renewable Energy Focus. 2014-03-05 . Получено 2015-09-18 .
31. "strongwind.ca". strongwind.ca . Получено 2023-12-01 .
32. "Vertical Axis Wind Power Generation Prototype". Earthship Biotecture. Архивировано из оригинала 2022-06-11 . Получено 2015-09-18 .

Внешние ссылки

• Изображение дня в подвале. На нем изображен VAWT, расположенный поперечно ветру, но с горизонтальной осью, однако это не позволяет назвать машину HAWT.