Ветряные турбины: виды, преимущества и применение

Ранее объяснялось, что разные типы ветряных турбин используют кинетическую энергию ветра для генерации мощности. Ветровая энергия — чистейший способ получения механической и/или электрической мощности. Полученная энергия классифицируется по способу сбора: наземный и морской ветер. Подробнее в статье!

Сегодня вы узнаете о различных типах ветряных турбинах и их преимуществах и недостатках в применениях.

Типы ветряных турбин

Ветряные турбины с горизонтальной осью (ВТГО / HAWTs)

Наиболее используемые турбины сегодня, несмотря на ограничения. Лопасти пропеллерного типа вращаются вокруг горизонтальной оси. Компоненты: роторные лопасти на валу, соединенном с генератором электроэнергии. Лопасти как самолетный пропеллер на вышке.

Ветровой датчик на завязивающем механизме ( гондоле / nacelle) выравнивает турбину по направлению ветра. Эффективнее распределяет энергию на ротор.

Конструкция ВТГО должна выдерживать вес компонентов: лопастей, мультипликатора, генератора. Основание — устойчиво к сильному ветру. Гондола содержит тормоз для аварийной остановки лопастей при штормовом ветре.

Среди всех типов ВТГО — выше КПД и выработка. Два основных подтипа: наветренные (upwind) и заветренные (downwind).

Наветренные турбины (Up-wind turbines):

Ветр достигает ротора до вышки — ротор лицом к ветру. Ротор не страдает от ветровой тени вышки — более эффективная работа. Меньше износ. Но завязивающий механизм добавляет вес конструкции.

В большинстве конструкций наветренные роторы негибки, чтобы не сгибаться и не сталкиваться с вышкой при высоком ветре. Ротор отодвигают от вышки. Это усложняет производство. Негибкость лопастей требует более тяжелых материалов.

Заветренные турбины (Down-wind turbines):

Менее распространены, дизайн похож. Разница — ротор по ветру от вышки. Ветр ударяет в вышку перед лопастями. Конструкция допускает большую гибкость лопастей — легче материалы. Преимущества: меньший вес конструкции, лучшая динамика вышки за счет снятия части нагрузки на лопасти.

Заветренные ВТГО не нуждаются в завязивающем механизме — корпус и ротор спроектированы следить за ветром. Но ротор в ветровой тени вышки — колебания мощности. Ветровая тень вызывает утомление конструкции.

Преимущества и недостатки ветряных турбин с горизонтальной осью (ВТГО)

Преимущества:

• Высокая вышка дает доступ к более сильному ветру в зоне сдвига.
• Лопасти движутся перпендикулярно ветру — мощность на всем обороте. Высокая эффективность.

Недостатки:

• Тяжелые компоненты (лопасти, мультипликатор, генератор) требуют массивной вышки.
• Компоненты подъемны на высоту.
• Высота делает их навязчиво видимыми на больших площадях. Нарушает ландшафт, вызывает местное неприятие.
• Заветренный вариант страдает от усталости и структурных сбоев из-за турбулентности при прохождении лопасти через ветровую тень вышки. Большинство ВТГО — наветренные.
• Нужен дополнительный завязивающий механизм для поворота лопастей к ветру.
• Тормоз для остановки при штормовом ветре — защита от разрушения.
• Циклические напряжения и вибрации при попытке повернуться к ветру.

Ветряные турбины с вертикальной осью (ВТВО / VAWT)

Роторы вращают вал, установленный вертикально. Конструкция менее чувствительна к направлению ветра — идеально для ферм с часто меняющимся направлением. Как бы ни дул ветер, лопасти вращают вал, вырабатывая мощность.

Генератор у ВТВО у земли. Снимает вес с ротора, упрощает конструкцию. Обслуживание легче ВТГО. Но КПД ниже — значительное лобовое сопротивление воздуха на роторах. Меньшая мощность — скорость и ламинарность ветра выше и гладче над землей, у поверхности ниже и турбулентнее.

Сопротивление-базированные, или туристические (Savonius) — роторы с твердыми лопатками, вращающиеся о вертикальной оси.

Подъемные силы-базированные, или Дарриеус (Darrieus) — высокие, вертикальные крыльевидные профили, некоторые с формой яйцобетера. Windspire — подъемный тип, все еще на независимых испытаниях.

Преимущества и недостатки ветряных турбин с вертикальной осью (ВТВО)

Преимущества:

• Генерация в любом направлении ветра.
• Не нужна мощная вышка — большинство компонентов у земли.
• Низкая стоимость производства vs ВТГО.
• Исключены завязивающий привод и механизм шага — не нужен поворот к ветру.
• Простая установка.
• Низкие затраты на обслуживание.
• Легкая транспортировка.
• Подходят для экстремальных погодных условий.
• Установка в городской застройке.
• Низкий риск для людей и птиц — лопасти движутся с малыми скоростями.

Недостатки:

• Низкая эффективность — работает только одна лопасть одновременно.
• Нужен начальный толчок для запуска вращения.
• Очень низкая эффективность из-за дополнительного лобового сопротивления при вращении лопастей.
• Высокая вибрация — воздушный поток у земли создает турбулентное течение.
• Вибрация увеличивает износ подшипников — рост затрат на обслуживание.
• Шумовое загрязнение.

Заключение

Разные типы ветряных турбин подходят под разные причины. ВТГО часты за эффективность, ВТВО — за переносимость в любой географической зоне. В статье: типы ветряных турбин, их преимущества и недостатки.

Надеюсь, полезно. Делитесь со студентами. Спасибо!