Вертикально-осевой ветряк

редактировать

Самая высокая в мире ветряная турбина с вертикальной осью, в Кап-Шат, Квебек.

Схема Vortexis

Вертикальной оси ветровой турбины ( VAWT ) представляет собой тип ветряной турбины, где основной вал ротора установлен поперек ветра (но не обязательно вертикально) в то время как основные компоненты расположены у основания турбины. Такое расположение позволяет размещать генератор и редуктор близко к земле, что упрощает обслуживание и ремонт. VAWT не нужно направлять против ветра, что устраняет необходимость в механизмах определения ветра и ориентации. Основные недостатки для ранних конструкций ( Savonius, Дарья и giromill ) включали в себя значительное крутящий момент изменение или « пульсацию » во время каждой революции, и большие изгибающие моменты на лопастях. В более поздних конструкциях проблема пульсации крутящего момента решалась за счет спирального поворота лопастей ( типа Горлова ). Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) Savonius не получили широкого распространения, но их простота и лучшая производительность в возмущенных полях потока по сравнению с небольшими ветряными турбинами с горизонтальной осью (HAWT) делают их хорошей альтернативой для устройств распределенной генерации в городской среде.

Ось ветряной турбины с вертикальной осью перпендикулярна линиям тока ветра и вертикальна земле. Более общий термин, который включает этот вариант, - «ветряная турбина с поперечной осью» или «ветровая турбина с поперечным потоком». Например, оригинальный патент Дарье, патент США 1835018, включает оба варианта.

VAWT тягового типа, такие как ротор Савониуса, обычно работают на более низких передаточных числах, чем VAWT на подъемной основе, такие как роторы Дарье и циклотурбины.

СОДЕРЖАНИЕ

1 Общая аэродинамика
2 преимущества
3 Недостатки
4 Приложения
5 См. Также
6 Ссылки
7 Внешние ссылки

Общая аэродинамика

Силы и скорость, действующая в турбине Дарьи изображены на рисунке 1. Полученного вектор скорости, является векторной суммой невозмущенной выше по потоку скорости воздуха, и вектор скорости наступающей лопасти,. ${\ displaystyle {\ vec {W}}}$ ${\ vec {W}}$ ${\ displaystyle {\ vec {U}}}$ ${\ vec {U}}$ ${\ displaystyle - {\ vec {\ omega}} \ times {\ vec {R}}}$ $- {\ vec {\ omega}} \ times {\ vec {R}}$

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

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

Воспроизвести медиа 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. Углом атаки, является углом между встречной скоростью воздуха, W и хордой лезвия. Возникающий в результате воздушный поток создает переменный положительный угол атаки на лезвие в зоне входа машины, меняя знак в зоне выхода машины. ${\ displaystyle \ theta = 0 {} ^ {\ circ}}$ $\ theta = 0 {} ^ {\ circ}$ ${\ displaystyle \ theta = 180 {} ^ {\ circ}}$ $\ theta = 180 {} ^ {\ circ}$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ ${\ displaystyle \ alpha}$ $\альфа$

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

${\ Displaystyle V_ {t} = р \ омега + U \ соз (\ тета)}$ ${\ Displaystyle V_ {t} = р \ омега + U \ соз (\ тета)}$

а также:

${\ Displaystyle V_ {п} = U \ грех (\ тета)}$ ${\ Displaystyle V_ {п} = U \ грех (\ тета)}$

Решение относительной скорости как результирующей тангенциальной и нормальной составляющих дает:

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

Таким образом, объединение вышеизложенного с определениями передаточного числа конечных скоростей дает следующее выражение для результирующей скорости: ${\ Displaystyle \ лямбда = (\ омега R) / U}$ ${\ Displaystyle \ лямбда = (\ омега R) / U}$

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

Угол атаки решается как:

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

Что при замене вышеуказанного дает:

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

Результирующая аэродинамическая сила разделяется на составляющие подъемной силы (L) - сопротивления (D) или нормальные (N) - тангенциальные (T) составляющие. Считается, что силы действуют в точке четверти хорды, а момент тангажа определяется для разрешения аэродинамических сил. Авиационные термины «подъемная сила» и «сопротивление» относятся к силам, действующим поперек (подъемная сила) и вдоль (лобовое сопротивление) приближающегося чистого относительного воздушного потока. Тангенциальная сила действует вдоль скорости лезвия, притягивая лезвие, а нормальная сила действует радиально, давя на 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 общей производительностью, усталостными нагрузками и т. д. удобнее использовать нормально-тангенциальную раму. Коэффициенты подъемной силы и сопротивления обычно нормируются на динамическое давление относительного воздушного потока, тогда как нормальные и тангенциальные коэффициенты обычно нормируются на динамическое давление невозмущенной скорости жидкости вверх по потоку.

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

A = площадь лопасти (не путать с площадью захвата, которая равна высоте лопасти / ротора, умноженной на диаметр ротора), R = радиус турбины

Количество энергии P, которое может быть поглощено ветряной турбиной:

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

Где - коэффициент мощности, - это плотность воздуха, - это рабочая площадь турбины, а - скорость ветра. ${\ displaystyle C_ {p}}$ $C _ {{p}}$ ${\ displaystyle \ rho}$ $\ rho$ ${\ displaystyle A}$ $А$ ${\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$

Преимущества

VAWT обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными ветряными турбинами с горизонтальной осью (HAWT):

Будучи всенаправленными, некоторые формы не нуждаются в отслеживании ветра. Это означает, что им не требуется сложный механизм и двигатели для рыскания ротора и наклона лопастей.
В VAWT замена и обслуживание коробки передач проще и эффективнее, так как коробка передач доступна с уровня земли, поэтому на месте не требуются краны или другое крупное оборудование. Это снижает затраты и снижает воздействие на окружающую среду. Отказ двигателя и коробки передач обычно является важным фактором при эксплуатации и техническом обслуживании HAWT как на суше, так и на море.
некоторые конструкции VAWT в подходящих ситуациях могут использовать фундамент на винтовых сваях, что значительно снижает дорожные перевозки бетона и углеродные затраты на установку. По истечении срока службы винтовые сваи могут быть полностью переработаны.
VAWT могут быть установлены на ветряных электростанциях HAWT ниже существующих HAWT; это может дополнить выходную мощность существующей фермы.

Недостатки

VAWT менее надежны, чем HAWT, и менее эффективны. Несмотря на то, что они могут выглядеть более привлекательно, ветровые турбины с вертикальной осью, как известно, имеют меньшую эффективность по сравнению с ветряными турбинами с горизонтальной осью. В основном это связано с их конструктивными и эксплуатационными характеристиками.

Одной из основных нерешенных проблем, стоящих перед технологиями ветряных турбин с вертикальной осью, является динамический срыв лопастей при быстром изменении угла атаки.

Лезвия VAWT склонны к усталости из-за большого разброса прилагаемых сил во время каждого вращения. Это можно преодолеть за счет использования современных композитных материалов и улучшений в конструкции, включая использование аэродинамических законцовок крыла, которые вызывают статическую нагрузку на соединения крыла-расширителя. Вертикально ориентированные лезвия могут поворачиваться и сгибаться во время каждого поворота, в результате чего они ломаются.

VAWT оказались менее надежными, чем HAWT, хотя современные конструкции VAWT преодолели многие проблемы, связанные с ранними конструкциями.

Приложения

Фонарный столб ветряной турбины

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 в США было установлено несколько устройств.

Arborwind, компания из Анн-Арбора (Мичиган, США), производит запатентованные малые VAWT, которые были установлены в нескольких местах в США с 2013 года.

В 2011 году исследователи ветроэнергетики Sandia National Laboratories начали пятилетнее исследование применения технологии проектирования VAWT в оффшорных ветряных электростанциях. Исследователи заявили: «Экономика морских ветроэнергетических установок отличается от наземных турбин из-за проблем с установкой и эксплуатацией. VAWT предлагает три больших преимущества, которые могут снизить стоимость энергии ветра: 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 меньшие гравитационные усталостные нагрузки. Кроме того, трансмиссия VAWT находится на поверхности или рядом с ней, что потенциально упрощает техническое обслуживание и снижает затраты времени. Меньшее количество деталей, более низкие усталостные нагрузки и более простое техническое обслуживание - все это ведет к снижению затрат на техническое обслуживание ».

Демонстрационный участок VAWT на 24 объекта был установлен в южной Калифорнии в начале 2010-х профессором авиации Калифорнийского технологического института Джоном Дабири. Его проект был воплощен в 10-секционной электростанции, установленной в 2013 году в аляскинской деревне Игиугиг.

В марте 2014 года Дулас, Англси, получил разрешение на установку прототипа VAWT на волнорезе на берегу Порт-Талбота. Турбина новой конструкции была поставлена базирующейся в Уэльсе C-FEC (Суонси) и будет эксплуатироваться в течение двухлетних испытаний. 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 VAWT типа «взбивания яиц», описанных выше.

Ryse Energy производит один из более крупных VAWT - ветряную турбину мощностью 55 кВт, получившую название N-55.

Архитектор Майкл Рейнольдс (известный своими проектами домов Earthship ) разработал ветряную турбину с вертикальной осью 4-го поколения под названием «Dynasphere». Он имеет два генератора мощностью 1,5 кВт и может производить электроэнергию на очень низких скоростях.

Смотрите также

Нетрадиционные ветряные турбины

Внешние ссылки

Изображение дня в подвале показывает VAWT поперек ветра, но с горизонтальной осью, но это не позволяет называть машину HAWT.