Войти
Компактные ветряные турбины (CWAT) - это класс ветряных турбин, в которых используются конструкции для ускорения ветра до того, как он попадет в ветрогенератор. Концепция этих структур существует уже несколько десятилетий, но не получила широкого распространения на рынке. В 2008 году две компании, нацеленные на рынок среднего ветра (100 кВт-1 МВт), получили финансирование от венчурного капитала. Первой компанией, получившей финансирование, является Optiwind, получившая финансирование серии A в апреле 2008 года, а второй компанией является Ogin, Inc. (ранее FloDesign Wind Turbine Inc.), которая также получила финансирование серии A в апреле 2008 года. Optiwind является финансируется через Charles River Ventures, а FloDesign финансируется через Kleiner Perkins. Другие CWAT, находящиеся в разработке, включают WindTamer от AristaPower, WindCube, Innowind (концептуальное морское приложение) и турбины Enflo.
CWAT - это новый акроним, охватывающий класс машин, ранее известных как DAWT (ветряные турбины с диффузором). Во всех упомянутых выше технологиях в качестве основного средства ускорения используется расширение диффузора, которое по существу аналогично предыдущим разработкам. DAWT были тщательно исследованы К. Форманом и Оманом из Grumman Aerospace в 1970-х и 1980-х годах и Игрой в Израиле в 1970-х. В конце десятилетия исследований и проектирования аэродинамической трубы, финансируемых Grumman, NASA и DOE, было установлено, что экономичность системы DAWT не соответствует действительности. достаточно, чтобы оправдать коммерциализацию. В 1990-х годах технология Grumman была передана по лицензии новозеландской компании Vortec Wind. Попытка коммерциализировать Vortec 7 в Новой Зеландии с 1998 по 2002 год доказала, что это экономически невыгодно по сравнению с доминирующей технологией HAWT (ветряная турбина с горизонтальной осью).
В конечном счете, любая конструкция ветряной турбины должна оцениваться с учетом экономических реалий. Он должен положительно ответить на вопрос: «Является ли стоимость установки и эксплуатации системы ниже, чем стоимость других альтернатив, включая местную электрическую сеть?» Исторически сложилось так, что конструкции CWAT / DAWT не смогли преодолеть это препятствие по сравнению с более традиционными конструкциями HAWT. Однако есть основания полагать, что это уравнение может смещаться в сторону этих новых конструкций. Двумя основными движущими силами этого уравнения были количество улучшений и структурные последствия этих дополнительных элементов дизайна.
Первый фактор касается увеличения мощности и метода сравнения, используемого разработчиками DAWT (а в последнее время и CWAT) для определения того, стоит ли разрабатывать систему. Grumman и другие попытки коммерциализации этих машин сравнивают свои машины с HAWT на основе сравнения площади ротора и площади ротора. Как отметил Ван Бассель из Делфта (Наука о создании большего крутящего момента из ветра: пересмотр экспериментов и теории с диффузорами, GJW van Bussel, Делфт, 2007), это неточное сравнение, и сравнение кратных значений мощности должно производиться на основе выходная область диффузора или кожуха, а не область ротора. Грумман заявил о 4-кратном увеличении по сравнению с турбиной без кожуха, основанной на ускорении в 1,6 раза превышающем скорость окружающего ветра (Исследование турбин с диффузорным усилением, Д. Г. Филипс, 2003 г. (справочные материалы, собранные у К. М. Формана)). Ускорение 1,6 фактически в 2,6 раза превышает мощность HAWT, если отношение закрытого ротора к площади выхода составляет 1,6. Если, однако, отношение площади ротора к выходной площади составляет 2,75 (как это было в случае Grumman), фактическое увеличение мощности по сравнению с HAWT с той же рабочей площадью, что и выходная площадь диффузора, составляет всего 1,4 раза больше мощности (Cp, связанное с 0,34. к зоне выхода, немного лучше, чем у небольшой ветряной турбины без конденсата, и значительно хуже, чем у ветряной турбины коммунального масштаба Cp). Учитывая, что твердость DAWT с этим соотношением составляет примерно 60 +% с учетом лопастей и диффузора, а прочность HAWT составляет примерно 10%, стоимость и количество материала, необходимого для получения 40% -ного прироста, перевешивают увеличение мощности.
Во-вторых, это структурные требования с точки зрения сопротивления опрокидыванию и изгибу в экстремальных ветровых явлениях, на которые все ветровые турбины должны быть рассчитаны в соответствии с серией стандартов IEC 61400 стандарты (IEC). Структура DAWT обычно имеет плохие характеристики сопротивления (см. D.G. Philips). Это в сочетании с более высокой прочностью может привести к значительно более высокой стоимости, чем структурной в ГАТМЕ в опорной конструкции, относительно вертикальной оси подшипника, и основания, при использовании обычных конструкций монопольных. Тем не менее, появление новых конструкций башен, геометрии фланцев и систем фундаментов, кажется, успешно бросает вызов этим историческим нормам, но если так, то эти достижения могут быть одинаково хорошо применены для улучшения экономических показателей традиционных конструкций HAWT.
В случае с Optiwind (ныне несуществующей), похоже, появляется все больше свидетельств, которые, по их мнению, решили как проблемы ускорения, так и экономические проблемы, связанные с конструкциями CWAT / DAWT. В то время как предыдущие попытки создания новых конструкций в этой категории были сосредоточены исключительно на величине ускорения, Optiwind, похоже, придерживалась более целостного подхода к своей конструкции, учитывая стоимость и выгоду от ускорения. Кроме того, текущие эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание всего блока, по-видимому, успешно решены в этом проекте. Отсутствуют существенные факторы стоимости систем HAWT - большие композитные лопасти, редуктор, двигатель рыскания, регулировка шага, смазка и т. Д. Кроме того, новая геометрия фундамента, по-видимому, смягчила структурные проблемы традиционной конструкции монопольного фундамента, которая была Первоначально задумано для компенсации эффекта встречного вращения («качания») больших трехлопастных турбин. Таким образом, разумно предположить, что целостный подход Optiwind к общесистемным затратам привел к ряду разработок и открытий, которые могут реально обеспечить экономические преимущества ускоренного ветра при затратах, меньших, чем чистая стоимость системы. Это верно, если сравнивать систему Optiwind с HAWT исключительно по рейтингу. Проблема здесь в том, что если сравнить конструкцию Optiwind на основе высоты его штабеля (расстояние от самой нижней турбины до самой высокой турбины) с традиционным HAWT того же диаметра, общая выходная мощность машины будет на 20% меньше, чем та. HAWT, со всеми сопутствующими материальными и структурными расходами, обычно связанными с CWAT / DAWT. В среднем система CWAT / DAWT должна будет производить, по крайней мере, в 2-3 раза больше энергии, чем HAWT может произвести из максимальной площади, используемой CWAT / DAWT, чтобы компенсировать значительно большие материальные затраты. Пока нет доказательств того, что существуют какие-либо конструкции DAWT / CWAT, способные обеспечить такой уровень увеличения по сравнению с HAWT на основе яблок к яблокам.
MEWT Огина (ветряная турбина со смесителем-эжектором, другой вариант CWAT) отличается от предыдущих DAWT использованием двухлопастного двухступенчатого диффузора (машины Grumman и Vortec были также двухступенчатый, но конический, а не лепестковый) для выравнивания давления на выходе из диффузора. Теория заключается в том, что создание равномерного распределения давления с лепестками и нагнетание внешнего потока предотвратит разделение пограничного слоя в диффузоре, тем самым обеспечивая максимальное ускорение через ротор. В статье Верле и Преса (главных ученых Flodesign), техническая записка AAIA Ducted Water / Wind turbines Revisited - 2007, подробно описывается теория, лежащая в основе их конструкции. Максимальное ускорение, описанное в их статье, составляет 1,8 × окружающей скорости, из которой они выводят, что на роторе доступно в 3 раза больше мощности, чем для турбины без кожуха. При обращении к области выхода это множество падает до паритета с мощностью HAWT. Турбина Огина, основанная на опубликованных изображениях и САПР, по-видимому, в основном похожа на машины Vortec и Grumman, за исключением лопастного внутреннего кольца. Это указывает на то, что его характеристики сопротивления могут быть аналогичными. Более новая информация на веб-сайте Ogin (www.oginenergy.com) показывает, что доли развернуты в виде 2D-панелей. Несколько ветряных турбин Ogin были сняты менее чем через шесть месяцев по нераскрытым причинам.
Наука об ускорении ветра вокруг конструкции, а также о преимуществах рассеивания вихрей кожух / диффузор, хорошо изучены и протестированы. Начиная с Бернулли, наука в значительной степени проверила эти концепции, и существует общий академический консенсус относительно их достоверности и их потенциального воздействия на производство энергии ветра. Однако у DAWT есть классическая проблема разделения пограничного слоя, с которой сталкиваются крыловые профили при угле атаки "сваливания". Это значительно снижает ускорение, достигаемое DAWT, по сравнению с теоретической скоростью, обозначенной отношением его выхода к площади, согласно статье Flodesign, упомянутой выше. Обычно считается, что, поскольку количество энергии, производимой ветряной турбиной, пропорционально кубу скорости ветра, любое преимущество ускорения потенциально статистически значимо для экономики ветра. Как уже отмечалось, это неточно, поскольку игнорируется влияние соотношения выхода к площади и, следовательно, сравнивается яблоко с апельсином. В случае типичного CWAT / DAWT мощность в результате идеальной теоретической работы после поправки на площадь кожуха фактически является квадратом скорости на роторе. Поскольку CWAT / DAWT отклоняется от теоретической функции, увеличение мощности значительно падает в соответствии с формулой, полученной из сохранения массы:
Отношение мощности DAWT к HAWT = (A горло / A впуск) (v горло / v свободный поток)
Соотношение мощности DAWT к HAWT = (1 / 2,75) (27,5 мс / 10 мс) = 7,56 увеличение
Так, например, DAWT, работающий с теоретической функцией 1,8 с соотношением площадей 2,75 на Flodesign,
Отношение мощностей DAWT к HAWT = ( 1 / 2,75) (18 мс / 10 мс) = 2,12 увеличения
Для максимального заявленного увеличения скорости DAWT в 1,6 раза в набегающем потоке
Отношение мощности DAWT к HAWT = (1 / 2,75) (16 мс / 10 мс) = увеличение на 1,48
Недостаточно значимо, чтобы компенсировать связанные с этим расходы. Проблема с optiwind еще более серьезна, поскольку система покрывает только часть развертки площадь, доступная для HAWT высоты стека.
Проблема всегда была и остается, установка, эксплуатация и обслуживание этих структур для совместной st, что меньше, чем дополнительная ценность, полученная их присутствием. Недавние разработки в области материаловедения, методологии установки и общей системной интеграции привели к гораздо более реалистичному представлению о том, что мы очень близки к этому появлению и рассвету нового, очень устойчивого класса ветряных турбин, если проблемы, проясненные выше, могут быть решены. что все еще остается под большим вопросом для геометрии DAWT.
Среди последних разработок DAWT, которые, по-видимому, имеют определенную положительную мощность, если не цену, по сравнению с HAWT - турбина Enflo. Судя по соотношению ротор: выходная мощность и опубликованным характеристикам мощности, эта турбина, по-видимому, имеет подтвержденное двукратное увеличение выходной мощности по сравнению с HAWT диаметра выходной площади. По-прежнему маловероятно, что эта машина сможет масштабироваться до более высоких оценок, но на основе опубликованных данных (не подтвержденных сторонними испытаниями) Enflo, по-видимому, является наиболее производительным DAWT / CWAT из когда-либо созданных.
