Ветряная турбина Дарье — это тип вертикальной осевой ветряной турбины (VAWT), используемой для выработки электроэнергии из энергии ветра . Турбина состоит из ряда изогнутых аэродинамических лопастей, установленных на вращающемся валу или каркасе. Кривизна лопастей позволяет лопасти напрягаться только при растяжении на высоких скоростях вращения. Существует несколько тесно связанных ветряных турбин, которые используют прямые лопасти. Эта конструкция турбины была запатентована Жоржем Жаном Мари Дарье , французским авиационным инженером ; подача патента была 1 октября 1926 года. Существуют серьезные трудности в защите турбины Дарье от экстремальных ветровых условий и в обеспечении ее самозапуска.
В оригинальных версиях конструкции Дарьеса аэродинамические поверхности расположены симметрично и имеют нулевой угол такелажа , то есть угол, под которым аэродинамические поверхности установлены относительно конструкции, на которой они установлены. Такое расположение одинаково эффективно независимо от направления ветра — в отличие от обычного типа, который должен быть повернут лицом к ветру.
Когда ротор Дарье вращается, аэродинамические поверхности движутся вперед по воздуху по круговой траектории. Относительно лопасти этот встречный поток воздуха добавляется векторно к ветру, так что результирующий поток воздуха создает переменный небольшой положительный угол атаки лопасти. Это создает чистую силу, направленную наклонно вперед вдоль определенной «линии действия». Эта сила может быть спроецирована внутрь мимо оси турбины на определенном расстоянии, давая положительный крутящий момент валу, тем самым помогая ему вращаться в направлении, в котором он уже движется. Аэродинамические принципы, которые вращают ротор, эквивалентны принципам в автожирах и обычных вертолетах в режиме авторотации.
Когда аэродинамический профиль движется вокруг задней части аппарата, угол атаки меняется на противоположный знак, но генерируемая сила по-прежнему наклонена в направлении вращения, поскольку крылья симметричны, а угол такелажа равен нулю. Ротор вращается со скоростью, не связанной со скоростью ветра, и обычно во много раз быстрее. Энергия, возникающая из крутящего момента и скорости, может быть извлечена и преобразована в полезную мощность с помощью электрического генератора .
Авиационные термины подъемная сила и сопротивление , строго говоря, являются силами поперек и вдоль приближающегося чистого относительного воздушного потока соответственно, поэтому они здесь бесполезны. Действующие силы — это скорее тангенциальная сила , которая тянет лопасть вокруг, и радиальная сила, которая действует против подшипников.
Когда ротор неподвижен, не возникает чистой вращательной силы, даже если скорость ветра достаточно высока — ротор должен уже вращаться, чтобы генерировать крутящий момент. Таким образом, конструкция обычно не является самозапускающейся. В редких случаях роторы Дарье могут самозапускаться, поэтому требуется некоторая форма тормоза, чтобы удерживать его при остановке.
Одна из проблем конструкции заключается в том, что угол атаки изменяется по мере вращения турбины, поэтому каждая лопасть генерирует максимальный крутящий момент в двух точках своего цикла (спереди и сзади турбины). Это приводит к синусоидальному (пульсирующему) циклу мощности, что усложняет конструкцию. В частности, почти все турбины Дарье имеют резонансные режимы , где при определенной скорости вращения пульсация происходит на собственной частоте лопастей, что может привести к их (в конечном итоге) поломке. По этой причине большинство турбин Дарье имеют механические тормоза или другие устройства управления скоростью, чтобы не допустить вращения турбины на этих скоростях в течение длительного периода времени.
Другая проблема возникает из-за того, что большая часть массы вращающегося механизма находится на периферии, а не на ступице, как в случае с пропеллером. Это приводит к очень высоким центробежным напряжениям в механизме, который должен быть прочнее и тяжелее, чем в противном случае, чтобы выдерживать их. Один из распространенных подходов к минимизации этого — изогнуть крылья в форме «взбивалки» (это называется формой « тропоскейна », что происходит от греческого слова «форма скрученной веревки»), так что они становятся самоподдерживающимися и не требуют таких тяжелых опор и креплений. См. рис. 1.
В этой конфигурации конструкция Darrieus теоретически менее затратна, чем обычный тип, поскольку большая часть напряжения приходится на лопасти, которые крутят генератор, расположенный в нижней части турбины. Единственные силы, которые необходимо уравновесить по вертикали, — это сжимающая нагрузка, возникающая из-за того, что лопасти изгибаются наружу (таким образом, пытаясь «сжать» башню), и сила ветра, пытающаяся сдуть всю турбину, половина которой передается на дно, а другая половина может быть легко компенсирована растяжками .
Напротив, в обычной конструкции вся сила ветра пытается перевернуть башню наверху, где расположен главный подшипник. Кроме того, нельзя легко использовать растяжки для компенсации этой нагрузки, поскольку пропеллер вращается как выше, так и ниже вершины башни. Таким образом, обычная конструкция требует прочной башни, которая резко увеличивается с размером пропеллера. Современные конструкции могут компенсировать большинство нагрузок башни с этой переменной скоростью и переменным шагом.
В общем сравнении, хотя в конструкции Darrieus есть некоторые преимущества, недостатков гораздо больше, особенно с более крупными машинами в классе MW. Конструкция Darrieus использует гораздо более дорогой материал в лопастях, в то время как большая часть лопасти находится слишком близко к земле, чтобы давать какую-либо реальную мощность. Традиционные конструкции предполагают, что конец крыла находится на расстоянии не менее 40 м от земли в самой низкой точке, чтобы максимизировать выработку энергии и срок службы. До сих пор не известно ни одного материала (даже углеродного волокна ), который мог бы соответствовать требованиям циклической нагрузки. [ необходима цитата ]
Патент Дарье 1927 года также охватывал практически любую возможную компоновку с использованием вертикальных аэродинамических профилей. Одним из наиболее распространенных типов является H-ротор , [1] [2] [3] также называемый Giromill или H-bar design, в котором длинные лопасти «взбивателя яиц» обычной конструкции Дарье заменяются прямыми вертикальными секциями лопастей, прикрепленными к центральной башне с горизонтальными опорами. Эта конструкция используется шанхайской компанией MUCE. [4] [5]
Другой вариант Giromill — это Cycloturbine , в которой каждая лопасть установлена так, что может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Это позволяет лопастям быть «наклоненными» так, чтобы они всегда имели некоторый угол атаки относительно ветра. Главное преимущество этой конструкции заключается в том, что создаваемый крутящий момент остается почти постоянным в довольно широком диапазоне углов, поэтому циклотурбина с тремя или четырьмя лопастями имеет довольно постоянный крутящий момент. В этом диапазоне углов крутящий момент сам по себе близок к максимально возможному, что означает, что система также вырабатывает больше мощности. Циклотурбина также имеет преимущество в том, что она может самостоятельно запускаться, наклоняя «движущуюся по ветру» лопасть плашмя к ветру, чтобы создать сопротивление и запустить вращение турбины на низкой скорости. С другой стороны, механизм наклона лопастей сложен и, как правило, тяжел, и необходимо добавить какой-то датчик направления ветра, чтобы правильно наклонить лопасти.
Лопасти турбины Дарье могут быть скошены в спираль, например, три лопасти и спиральная закрутка 60 градусов. Первоначальным конструктором винтовой турбины является Ульрих Штампа (патент Германии DE2948060A1, 1979). А. Горлов предложил похожую конструкцию в 1995 году (водяные турбины Горлова) . Поскольку ветер тянет каждую лопасть вокруг как на наветренной, так и на подветренной стороне турбины, эта особенность равномерно распределяет крутящий момент по всему обороту, тем самым предотвращая разрушительные пульсации. Такая конструкция используется ветряными турбинами марок Turby , Urban Green Energy , Enessere , Aerotecture и Quiet Revolution .
Относительная скорость создает силу на лопасти. Эту силу можно разложить на осевую и нормальную силу (рис. 5). В случае турбины Дарье осевая сила, связанная с радиусом, создает крутящий момент, а нормальная сила создает на рычаге напряжение попеременно для каждого полуоборота, напряжение сжатия и напряжение растяжения. С системой кривошипно-шатунного механизма (рис. 6) принцип турбины Active Lift заключается в преобразовании этого альтернативного ограничения в дополнительную рекуперацию энергии. [6] [7]
(Вертикальные) турбины Muce на здании MarineBoard
