Różne typy i typy turbin wiatrowych

Na początek zgódźmy się, że kiedy mówimy o turbinach wiatrowych, mamy na myśli tę część elektrowni wiatrowej (APU), która zamienia energię wiatru na energię ruchu obrotowego. Turbina wiatrowa jest napędzana wiatrem, jest połączona bezpośrednio lub poprzez jakiś mechanizm transmisyjny z wałem, którego obrót napędza sprzęt wykonujący użyteczną pracę (na przykład generator lub pompa wodna). Często turbina wiatrowa nazywana jest wirnikiem lub turbiną wiatrową.

W tym artykule omówimy główne typy turbin wiatrowych. Amatorowi, który po raz pierwszy zetknął się z energetyką wiatrową, nie jest łatwo dokonać właściwego wyboru spośród wielu typów tego typu instalacji.

Kompas wyboru

Przede wszystkim musisz jasno wiedzieć, czego potrzebujesz, jakiej mocy oczekujesz od swojej instalacji, jakie są warunki pogodowe w okolicy, a w końcu przystąpić do szczegółowego zapoznania się z takim lub innym rodzajem wiatraka. A różne typy turbin wiatrowych dają zupełnie inne wyniki swojej pracy. Z tej publikacji dowiesz się, jakie typy turbin wiatrowych istnieją dzisiaj, a po ich poznaniu nie jest Ci trudno dokonać właściwego wyboru.

Dla skromnych apetytów odpowiednim wyborem jest tak zwany generator wiatru ortogonalnego, który można stosować w obszarach, w których występują bardzo słabe wiatry. Ma kilka ostrzy równoległych do osi, znajdujących się w pewnej odległości od niej. (Zobacz zdjęcie).

Tak więc generatory wiatrowe różnią się wyglądem:

• liczba ostrzy
• materiały, z których wykonane są ostrza,
• położenie osi obrotu względem powierzchni ziemi,
• znak podziałki śruby.

W zależności od liczby ostrzy są one jedno-dwa-trzy i wieloostrzowe. Te ostatnie zaczynają swój obrót przy najmniejszym ruchu powietrza, ale mają zastosowanie tylko do takich celów, w których ważny jest sam fakt rotacji, a nie wytwarzana energia elektryczna. Oznacza to, że są one niezbędne, powiedzmy, podczas pompowania wody z głębokich studni.

W zależności od materiałów, z których wykonane są łopaty, turbiny wiatrowe są sztywne i żaglowe. Łodzie żaglowe są znacznie tańsze od sztywnych, wykonanych z włókna szklanego lub metalu, ale podczas eksploatacji można męczyć się przy ich naprawie.

W zależności od położenia osi obrotu względem powierzchni gleby rozróżnia się turbiny wiatrowe poziome i pionowe. Ich różnice są tak delikatne, że w różnych warunkach zamieniają się miejscami w swojej wyższości. Dzięki pionowej osi wiatraki natychmiast łapią najmniejszy powiew wiatru, nie wymagają wiatrowskazu, ale są słabsze niż wiatraki poziome.

W zależności od skoku śmigła, turbiny wiatrowe mają zmienny i stały skok. Zmienny skok bez wątpienia umożliwia zwiększenie prędkości obrotowej, ale co za projekt! Jest to skomplikowane, zwiększa wagę wiatraka, czyli będzie wymagało nieobliczalnych dodatkowych kosztów. Znacznie prostszy i bardziej niezawodny stały krok.
To, w skrócie, jest twój kompas, więc nie zgubisz się w swoich wyborach.

Niezbędne jest również podanie listy niektórych terminów i skrótów, które będą używane w przyszłości.

• KIJÓW – współczynnik wykorzystania energii wiatru. Jeśli do obliczeń stosuje się mechanistyczny płaski model wiatru (patrz poniżej), jest on równy sprawności wirnika elektrowni wiatrowej (APU).
• Wydajność – całkowita wydajność APU, od nadchodzącego wiatru do zacisków generatora elektrycznego lub do ilości wody wpompowanej do zbiornika.
• Minimalna robocza prędkość wiatru (MPS) to prędkość, przy której wiatrak zaczyna podawać prąd do obciążenia.
• Maksymalna dopuszczalna prędkość wiatru (MPS) to prędkość, przy której zatrzymuje się produkcja energii: automatyka albo wyłącza generator, albo umieszcza wirnik w wiatrowskazie, albo składa go i ukrywa, albo zatrzymuje się wirnik lub APU po prostu upada.
• Startowa prędkość wiatru (CWS) – przy tej prędkości wirnik jest w stanie obracać się bez obciążenia, rozkręcać się i przechodzić w tryb pracy, po którym można włączyć generator.
• Ujemna prędkość początkowa (OSS) – oznacza to, że APU (lub turbina wiatrowa – elektrownia wiatrowa lub WEA, elektrownia wiatrowa) wymaga obowiązkowego rozruchu z zewnętrznego źródła energii, aby rozpocząć przy dowolnej prędkości wiatru.
• Moment rozruchowy (początkowy) – zdolność wirnika, silnie spowolnionego w przepływie powietrza, do wytworzenia momentu obrotowego na wale.
• Turbina wiatrowa (VD) – część APU od wirnika do wału generatora lub pompy lub innego odbiornika energii.
• Obrotowy generator wiatrowy – APU, w którym energia wiatru zamieniana jest na moment obrotowy na wale odbioru mocy poprzez obracanie wirnika w strumieniu powietrza.
• Zakres prędkości roboczej wirnika to różnica między MDS i MRS podczas pracy przy obciążeniu znamionowym.
• Wiatrak wolnoobrotowy – w nim prędkość liniowa części wirnika w przepływie nie przekracza znacznie prędkości wiatru lub poniżej niej. Dynamiczna wysokość przepływu jest bezpośrednio zamieniana na nacisk łopaty.
• Wiatrak szybkoobrotowy – prędkość liniowa łopat jest znacznie (do 20 lub więcej razy) wyższa od prędkości wiatru, a wirnik tworzy własny obieg powietrza. Cykl przekształcania energii przepływu w ciąg jest złożony.

Dwa rodzaje, dwóch rywali

Jak już wspomniano, w sprzedaży dostępne są dwa rodzaje turbin wiatrowych (w zależności od położenia wału obrotowego do powierzchni ziemi) – pozioma i pionowa. Porozmawiajmy najpierw o pionie.

Elektrownie wiatrowe (VPU) z pionową osią obrotu mają niezaprzeczalną zaletę w życiu codziennym: ich węzły wymagające konserwacji są skoncentrowane na dole i nie ma potrzeby ich podnoszenia. Pozostaje, i to nie zawsze, samonastawne łożysko oporowe, ale jest mocne i trwałe. Dlatego przy projektowaniu prostego generatora wiatrowego wybór opcji należy rozpocząć od pionów.

Wirnik Savonius

W pierwszej pozycji – najprostszy, najczęściej nazywany wirnikiem Savonius.

Na początku października 1924 rosyjscy wynalazcy, bracia Ya.A. i A.A. Voronin, otrzymali sowiecki patent na poprzeczną turbinę obrotową, w następnym roku fiński przemysłowiec Sigurd Savonius zorganizował masową produkcję takich turbin. Dla nas i pozostał chwałą wynalazcy tej nowości.

Wirnik Voronina-Savoniusa, w skrócie BC, ma co najmniej dwa półcylindry na pionowej osi obrotu (patrz zdjęcie). I bez względu na kierunek wiatru, bez względu na to, jak gwałtownie zmienia swoje impulsy, taki wiatrak będzie cicho obracał się wokół własnej osi, generując energię. To jedyna i główna przewaga wiatraka pionowego nad wiatrakiem poziomym.

A jego główną wadą jest niskie zużycie energii wiatrowej. Wyjaśnia to fakt, że ostrza półcylindrowe działają tylko w ćwierć obrotu, a reszta koła obrotu wydaje się spowalniać prędkość obrotową swoim ruchem. Obliczenia wykazały, że w tym przypadku wykorzystywana jest tylko jedna trzecia energii wiatru.

Uwaga: dwułopatowy BC nie wiruje, ale szarpie; 4-łopatowe jest tylko trochę gładsze, ale w KIJÓW dużo traci. Aby poprawić 4-“koryto” najczęściej rozłożone na dwóch piętrach – para ostrzy poniżej i druga para, obrócona o 90 stopni w poziomie, nad nimi. KIJÓW jest zachowany, a boczne obciążenia mechaniki słabną, ale zginające nieco się zwiększają, a przy wietrze większym niż 25 m/s taki APU ma wał, tj. bez łożyska naciągniętego przez chłopaków nad wirnikiem „łamie wieżę”.

Pionowe turbiny wiatrowe z wirnikiem Darrieus

W 1931 roku francuski projektant Georges Darrieus zaproponował własną wersję wirnika, który ma dwie lub więcej płaskich łopatek. Jest jeszcze prostszy niż BC: ostrza wykonane są z prostej elastycznej taśmy bez żadnego profilu. Łatwy w produkcji i montażu, ale o niskiej wydajności – KIJÓW – do 20%.

Teoria wirnika Darrieusa nie jest jeszcze dobrze rozwinięta. Widać tylko, że zaczyna się rozwijać ze względu na różnicę w aerodynamice garbu i kieszeni pasa, a następnie staje się jak szybkobieżny, tworząc własny obieg. Moment obrotowy jest niewielki, a w pozycjach startowych wirnika równoległych i prostopadłych do wiatru w ogóle nie ma czegoś takiego, więc autopromocja jest możliwa tylko przy nieparzystej liczbie łopat (skrzydeł?).

Wirnik Darrieusa ma jeszcze dwie złe cechy. Po pierwsze, podczas obrotu wektor ciągu łopaty opisuje pełny obrót w stosunku do jego ogniska aerodynamicznego, i to nie płynnie, ale z szarpnięciem. Dlatego wirnik Darrieus szybko łamie swoją mechanikę nawet przy płaskim wietrze. Po drugie, Daria nie tylko hałasuje, ale krzyczy i piszczy, aż taśma się rozrywa. Wynika to z jego wibracji. A im więcej ostrzy, tym silniejszy ryk. Tak więc, jeśli Darya jest wykonana, to jest dwułopatowa, wykonana z drogich materiałów dźwiękochłonnych o wysokiej wytrzymałości (węgiel, mylar), a mały samolot służy do obracania się w środku masztu.

Wirnik helikoidalny

Inny typ turbiny wiatrowej z pionową osią obrotu – z wirnik helikoidalny. Jest w stanie obracać się równomiernie dzięki skręceniu ostrzy. Korzyść: Zmniejsza obciążenie łożyska i zwiększa żywotność. Ale ze względu na wyrafinowaną technologię jest zbyt drogi. (Widzieć zdjęcie).

I wreszcie turbiny wiatrowe z wirnik wielołopatkowy. Jest to jeden z najbardziej wydajnych typów pionowych turbin wiatrowych. (Widzieć zdjęcie).

Turbiny wiatrowe o osi poziomej

Przechodzimy do opisu poziomych turbin wiatrowych. W zależności od liczby ostrzy dzielą się na jedno-dwa-trzy i wieloostrzowe. Zaletami poziomych są wyższa wydajność w porównaniu z ich pionowymi rywalami. Wada: potrzeba urządzenia wiatrowskazowego do ciągłego wyszukiwania kierunku wiatru. Dodatkowo podczas skręcania pod wiatr prędkość obrotowa maleje, co zmniejsza jego wydajność.

Główną zaletą pojedynczego ostrza są wysokie prędkości obrotowe. Posiadają przeciwwagę zamiast drugiej łopatki, co ma niewielki wpływ na opory ruchu powietrza, co umożliwia zastosowanie ich do generatorów o dużych prędkościach obrotowych. A to pozwala zmniejszyć wagę i wymiary całej instalacji. (Patrz rysunek jednołopatowej turbiny wiatrowej).

Dwułopatowe turbiny wiatrowe niewiele różnią się mocą od jednołopatowych i nie ma sensu ich bardziej szczegółowo rozważać.

Na rynkach najczęściej spotykane są wiatraki poziome z trzema łopatami. Ich moc wyjściowa może osiągnąć siedem megawatów.

Instalacje wielołopatkowe z nawet pięcioma tuzinami łopatek mają dużą bezwładność, dzięki czemu przy niskich prędkościach obrotowych rozwijają duży moment obrotowy. Ta zaleta pozwala na zastosowanie instalacji do obsługi pomp wodnych, gdzie zajmują wiodącą pozycję.

Jak kurczak zamienił się w strusia

Kto nie wie, jakie turbiny wiatrowe wykorzystują jako dodatkowe źródło? Wszyscy są świadomi. Ale jak zawsze, to nie wystarczyło ludzkości, próbują zamienić kurczaka w strusia i wyobraź sobie, mówiąc w przenośni, to się udaje. W wyniku wytrwałych badań pojawiły się zupełnie nowe typy turbin wiatrowych, które są w stanie wytwarzać energię elektryczną… bez łopat. A są tacy, którzy radzą sobie nawet bez powietrza i wiatru! Teraz bardziej szczegółowo.

Wypuszczono już dość skuteczny generator wiatrowy, który łapie wiatr bez łopat. Taki generator wiatrowy działa na zasadzie żaglówki (patrz zdjęcie). „Żagiel”, przypominający raczej płytkę, łapie napór powietrza, dzięki czemu tłoki znajdujące się bezpośrednio za płytą, w górnej części instalacji, zaczynają się poruszać.

Tłoki napędzają układ hydrauliczny, który wytwarza energię elektryczną. Taka konstrukcja nie ma ani przekładni, ani nadajników i prawie nie wytwarza hałasu. Sprawność jest znacznie wyższa niż w przypadku klasycznej turbiny wiatrowej. Ponadto koszty operacyjne są o połowę niższe niż w przypadku konwencjonalnych instalacji. Krajem narodzin takiego projektu jest Tunezja.

Ale nawet to nie wystarczyło! W Portugalii postanowiono nie korzystać z usług wiatrowych, ale korzystać z wody morskiej. W końcu morze ciągle się porusza, martwi, czasem burzy, ale nigdy się nie zatrzymuje. Marnowana jest energia kinetyczna.

A pięć lat temu, kilka kilometrów od wybrzeża, na wody Oceanu Atlantyckiego wypuszczono instalację, która wytwarza ponad 2 megawaty energii elektrycznej, co wystarczy, aby oświetlić ponad półtora tysiąca domów.

Schematyczne urządzenie jest następujące. Konstrukcja składa się z trzech sekcji, pomiędzy którymi znajdują się tłoki. Wewnątrz sekcji zamontowane są silniki hydrauliczne i generatory. Zasada działania jest prosta do zhańbienia. Sekcje oscylują na falach, które je uginają, co wprawia w ruch tłoki hydrauliczne. Te wywierają nacisk na olej, który wchodzi do silników hydraulicznych, a następnie ruch jest przekazywany do generatorów. Wszystko, prąd poszedł na brzeg.

Obecnie eksploatowane są trzy sekcje, do których planowane jest podłączenie kolejnych 25 takich konwerterów, a następnie projektowa moc instalacji morskiej wzrośnie do 20 megawatów, co pozwoli zasilić prądem ok. 15000 tys. domów.

Teraz wierzysz, że z kurczaka można stworzyć prawdziwego strusia!

Elektrownie pływakowe budowane są na całym świecie, w tym w Rosji:

Turbina wiatrowa do domu, jak wybrać i co musisz wiedzieć

Ludzie od dawna nauczyli się wykorzystywać energię wiatru, wiatraki i systemy żeglarskie znane są od tysięcy lat. Jest nieskończona i przyjazna dla środowiska, nic więc dziwnego, że nauczyli się wykorzystywać ją jako alternatywne źródło zaopatrzenia w energię.

Ale postęp nie stoi w miejscu, wśród innowacji technicznych w tej dziedzinie można nazwać generator wiatrowy, zaawansowaną technologicznie instalację, która przekształca przepływy wiatru w energię elektryczną.

Generator wiatrowy do domu nie jest już rzadkością

Elektrownie wiatrowe są od dawna wykorzystywane na skalę przemysłową. Jednak złożoność projektu, a także złożoność jego instalacji, nie pozwoliły na wykorzystanie tego sprzętu w domach prywatnych, takich jak panele słoneczne.

Jednak teraz, wraz z rozwojem technologii i wzrostem zapotrzebowania na „zieloną energię”, sytuacja się zmieniła. Producenci uruchomili produkcję małogabarytowych instalacji dla sektora prywatnego.

Zasada działania

Wiatr obraca łopaty wirnika zamontowane na wale generatora. W wyniku rotacji w uzwojeniach generowany jest prąd przemienny. Aby zwiększyć liczbę obrotów, a tym samym ilość generowanej energii, można zastosować przekładnię redukcyjną (przekładnię). Może również całkowicie zablokować obrót ostrzy, jeśli zajdzie taka potrzeba.

Anemometr monitoruje kierunek wiatru i obraca instalację do pozycji, w której przepływ wiatru będzie działał najefektywniej.

Powstały prąd przemienny jest przekształcany na stałe 220 W za pomocą falownika. Następnie trafia do konsumenta lub, poprzez kontroler ładowania, do akumulatorów w celu akumulacji.

Kompletny schemat działania instalacji od wytworzenia energii do jej zużycia.

Rodzaje turbin wiatrowych i która z nich jest lepsza dla prywatnego domu

W tej chwili istnieją dwa rodzaje tego projektu:

1. Z wirnikiem poziomym.
2. Z wirnikiem pionowym.

Pierwszy typ z wirnikiem poziomym. Ten mechanizm jest uważany za najbardziej skuteczny. Wydajność wynosi około 50%. Wadą jest potrzeba minimalna prędkość wiatru od 3 m/s, projekt generuje dużo hałasu.

Aby uzyskać maksymalną wydajność, wymagany jest wysoki maszt, co z kolei komplikuje instalację i dalszą konserwację.

Drugi typ z pionem. Generator wiatrowy z pionowym wirnikiem ma sprawność nie większą niż 20%, natomiast wystarczająca prędkość wiatru tylko 1-2 m na sekundę. Jednocześnie pracuje znacznie ciszej, poziom emitowanego hałasu nie przekracza 30 dB i to bez wibracji. Nie wymaga dużej przestrzeni do pracy, jednocześnie nie tracąc wydajności.

Montaż nie wymaga wysokiego masztu. Sprzęt można zamontować na dachu domu nawet własnymi rękami.

Brak anemometru i mechanizmu obrotowego, które w tej konstrukcji nie są w ogóle potrzebne, sprawia, że ​​ten typ generatora wiatrowego jest tańszy w porównaniu z pierwszą opcją.

Przegląd wideo

Jakie ustawienie wybrać?

Zanim odpowiesz na to pytanie, musisz zrozumieć swoje wymagania, możliwości finansowe i priorytety operacyjne.

Jeśli chcesz uzyskać jak najwięcej mocy i chcesz wydawać pieniądze na okresową konserwację generatora, wybierz pierwszą opcję. Inwestując raz w wysoki maszt i płacąc za łożyska lub wymianę oleju raz na 1-5 lat, uzyskasz całkowitą niezależność energetyczną, a nawet jeśli mieszkasz na Ukrainie lub w krajach UE, będziesz mógł sprzedawać nadmiar energii elektrycznej.

Wysoki poziom hałasu tej stacji wymaga wybrania miejsca jak najdalej od budynków mieszkalnych. Ten punkt również należy wziąć pod uwagę, ponieważ infradźwięki nie pozostaną niezauważone przez sąsiadów.

Jeśli chcesz to zrobić zainstaluj samnp. na niskim maszcie lub nawet na dachu domu warto wybrać wiatrak z pionowym wirnikiem. Kilka takich mechanizmów można zainstalować na ograniczonym obszarze bez utraty wydajności ich pracy.

Aby uzyskać równoważną moc w stosunku do pierwszego wariantu, konieczne będzie zasilenie 3 turbin wiatrowych tego typu. Jednak pod względem ceny uzyskuje się w przybliżeniu taką samą ilość (z zastrzeżeniem samodzielnego montażu).

Porównajmy dwa rodzaje turbin wiatrowych

Recenzja wideo eksperta w dziedzinie alternatywnych źródeł energii

Wybór rozmiaru turbiny wiatrowej

Musisz wybrać rozmiar tej instalacji w oparciu o pożądaną ilość energii elektrycznej i prędkość wiatru, a także jego gęstość w Twojej okolicy. Należy natychmiast wyjaśnić, że obliczenia mocy zostaną wykonane dla fabrycznego generatora wiatrowego, który nie jest wykonany ręcznie z improwizowanych części.