Кто говорил, что ветряки не способны конкурировать по мощности с атомными электростанциями? Посмотрите на самую большую в мире ветроэлектрическую установку Siemens SWT-7.0-154. С площадью ометания 18 600 м² этот гигант в одиночку генерирует максимальную мощность 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. Несколько сотен таких ветряков — и вот вам атомная электростанция.

SWT-7.0-154 — это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Она пришла на смену предыдущему флагману SWT-6.0-154, от которого практически не отличается по техническим спецификациям, но оснащён более мощными магнитами. Более сильное магнитное поле позволяет генерировать больше электроэнергии при том же диаметре. Другими словами, в этой ВЭН параметр снимаемой мощности с квадратного метра площади ометания выше примерно на 16,7%.

Ветрогенератор включается в работу на минимальной скорости ветра 3-5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растёт до максимальной 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. При достижении скорости ветра 25 м/с генерация прекращается.

Казалось бы, на таких скоростях ветра лопасти ВЭУ должны вращаться быстро, но это совершенно не так. На самом деле они вращаются неторопливо и степенно, делая всего 5-11 оборотов в минуту. То есть полный оборот три лопасти совершают примерно за 5-12 секунд, в зависимости от скорости ветра.

Более сильное магнитное поле в новой модели означает также и то, что эту турбину труднее раскрутить. Для достижения той же скорости вращения 5-11 оборотов в минуту и максимальной генерируемой мощности (7 МВт вместо 6 МВт) этой турбине требуется повышенная скорость ветра: 13-15 м/с вместо 12-14 м/с. Соответственно, и начальная скорость ветрогенерации у неё выше. Вот почему данная модель-гигант наиболее оптимально подходит для размещения на территориях с относительно сильными ветрами, лучше всего в море.

Внутри турбины нет редуктора (коробки передач) — здесь работает система прямого привода, подключенная к синхронному генератору переменного тока с постоянными магнитами. Поскольку скорость генератора определяет напряжение и частоту тока, то «грязный переменный ток» преобразуется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в переменный ток перед подачей в сеть.

В последние годы в области ветряной энергетики происходит очень быстрый научно-технический прогресс. Буквально каждый год появляются новые модели ВЭУ большей мощности и эффективности. Большие и маленькие, рассчитанные на целые посёлки или отдельные дома, на большую скорость ветра в море или на среднюю скорость ветра над крышей частного дома.

Например, мировой рекорд по максимальной генерируемой мощности принадлежит вовсе не Siemens, а другой турбине ещё одного немецкого производителя Enercon E126, которая выдаёт до 7,58 МВт. На видео показан процесс установки такой турбины.

Впрочем, ветрогенераторы-гиганты — довольно дорогое удовольствие. Один такой ветряк на 7 МВт обойдётся в $14 млн вместе с установкой, если заказывать все работы у сертифицированных немецких специалистов. Конечно, если освоить производство в своей стране, благо металла хватает, то стоимость вполне можно снизить в несколько раз. Кто знает, может такой гигантский проект национальной стройки занял бы население страны и помог выбраться из экономического кризиса.

Перед установкой следует сверяться с годовой картой ветров в районе дислокации с данными средней удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м и выше. Хорошо бы составить такие карты для всей территории страны, чтобы найти места наиболее оптимального строительства ВЭУ. Нужно иметь в виду, что скорость ветра сильно зависит от высоты, что хорошо известно жителям высотных домов. В обычных прогнозах погоды по ТВ сообщают скорость ветра на высоте 10 м над землёй, а для ветровой турбины следует измерять скорость на высоте 100-150 м, где ветры гораздо сильнее.

Так что наиболее оптимально такие гиганты подходят для установки в море, в нескольких километрах от побережья, на большой высоте. Например, если установить такие установки вдоль северного побережья России с шагом 200 метров, то максимальная мощность массива составит 690,3 ГВт (побережье Северного Ледовитого океана составляет 19724,1 км). Скорость ветра там должна быть приемлемая, только при заливке фундаментов придётся иметь дело с вечной мерзлотой.

Правда, по стабильности работы ВЭУ никогда не сравнятся с АЭС или ГЭС. Здесь энергетикам приходится постоянно следить за прогнозом погоды, потому что генерируемая мощность напрямую зависит от скорости ветра. Ветер должен быть не слишком сильным и не слишком слабым. Хорошо, если в среднем ВЭУ будут выдавать хотя бы треть от максимальной мощности.

Правильное расположение ветрогенератора

В регионах с высокой скоростью ветра, в прибрежных зонах и на объектах, где в зимний период солнечная электростанция «не справляется», для автономного энергоснабжения используют ветрогенераторные станции – «ветрогенераторы», (сокращённо ВГ). Но на большей территории нашей страны средняя скорость ветра составляет всего 4-5м/сек., тогда как ветрогенератору для выработки «номинальной мощности» требуется 10-12м/сек.. Именно поэтому нет никаких сомнений в важности правильной и продуманной установки устройства, достичения точки, где винт его окажется в зоне с максимальной скоростью ветра.

Мощность ветрогенератора и зависимость от скорости ветра и высоты мачты

Почему же так важно «не потерять» ни одного метра в секунду? Определим зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра. 

1. Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений)  W=1/2mV2, где m — масса воздуха, V – его скорость.

2. Массу воздуха, проходящего за время t и площадь S можно выразить следующим образом: m=VtSρ, где: S – площадь, описываемая винтом ВГ, ρ – плотность воздуха.

3. Чтобы определить мощность (P), делим энергию на время, подставляем выражение для массы, получаем: P=1/2V3Sρ.

4. Если теперь умножить выражение на КПД устройства в целом, включающее в себя коэффициент преобразования лопастей винта, коэффициент полезного действия редуктора и генератора (ƞ), получим реальную мощность «ветряка»: P=1/2V3Sρ ƞ. На практике обычно значение  ƞ лежит в пределах 0,4-0,5.

Как видно из расчета, мощность ВГ пропорциональна третей степени скорости ветра, то есть увеличение скорости в 2 раза даст увеличение мощности в 8 раз!

Таким образом, скорость ветра и отсутствие турбулентностей (завихрений) должны иметь решающее значение при выборе места установки ветрогенератора. Из этих соображений идеально подходят: 

• берег крупного водоема;
• вершина горы или возвышенности;
• центр протяженного поля. 

Увы, в реальной жизни мало кто имеет на своем участке моря, поля и горы.  Поэтому принцип только один – чем выше установка, тем лучше. В идеале, Ветрогенератор должен быть выше не менее, чем на 6 (шесть) метров окружающих его предметов (дома, деревьев, строений, возвышенностей), чтобы оказаться в зоне ламинарного движения воздуха.

Приведем простой пример, который можно легко проверить в on-line калькуляторе для расчета на нашем сайте. Рассмотрим модель пятилопастного ветрогенератора HY-1000, стоящий в «бесконечном» поле вблизи Санкт-Петербурга:

• При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки;
• Если увеличить высоту мачты до 10 метров, получим 2,43 кВтч/сутки;
• Увеличим высоту до 20 метров и получим уже – 3,12 кВтч/сутки. 

Вывод напрашивается сам собой —  часто вместо увеличения мощности ветрогенератора достаточно увеличить высоту мачты.

Решающая роль места установки «ветряка» в эффективности энергосистемы

Очень велик соблазн приделать мачту ветрогенератора к дому для увеличения высоты всей конструкции. Несмотря на очевидные плюсы, данный подход имеет ряд минусов:

Во-первых, установка издает звуки, и звуки эти отлично могут быть переданы по мачте на конструкцию дома, что со временем будет раздражать его жителей. Во-вторых, если здание находится в черте города, могут потребоваться дополнительные согласования в надзорных органах.

Стоит также обратить внимание на конструкцию самой мачты. Если горизонтальные линейные размеры мачты сравнимы или превышают размеры ВГ, то, собственно, сама мачта может являться источником турбулентности.

Очень показательный пример, когда мачта по сути мешает работать системе, плюс частично затеняет солнечные батареи, представлен на фотографии.

Особое внимание нужно уделить выбору сечения кабеля. Так как ВГ находится на мачте, а контроллер заряда где-то в доме, длина линии может быть значительной, равно как и падение напряжения. Это может привести к снижению эффективности заряда аккумуляторных батарей. Из этих соображений, площадь сечения кабеля должна быть достаточно большой, чтобы данный эффект был незначителен. Для расчёта площади сечения кабеля следует обратиться к правилам, описанным в статье Расчёт сечения провода.

В отличие от монтажа солнечных батарей, установка «ветряка» часто влечет за собой капитальные строительные работы, такие как бетонирование основания, монтаж свай для растяжек, сварочные работы. Тем не менее, правильно выполненный монтаж обеспечит надежную и эффективную работу системы, и максимальную выработку энергии на протяжении всего срока эксплуатации.

Читать другие статьи..

Ветроэнергетические установки: устройство и технические характеристики

Энергоснабжение регионов России распределено крайне неравномерно. Имеются энергоизбыточные регионы, обладающие большими возможностями в обеспечении регионов, есть и районы с нехваткой энергоресурсов, нуждающиеся в поставках извне. Примечателен факт, что местности без электроснабжения встречаются в обоих категориях регионов, независимо от общей обеспеченности. Поэтому населению таких пунктов приходится изыскивать способы решения вопроса своими средствами.

Наиболее частым методом решения вопроса являются дизельные электростанции, которые обходятся довольно дорого и нуждаются в постоянных поставках топлива. Расходы на обслуживание и заправку таких устройств вынуждают вести поиск альтернативных источников. В последнее время внимание потребителей все чаще бывает сосредоточено на ветрогенераторах, так как этот источник абсолютно бесплатный, присутствует повсеместно, обладает большими возможностями в сфере энергетики.

Что такое ветроэнергетические установки?

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Если сравнивать затраты на проведение линии электропередач или кабеля до отдаленных пунктов, то экономический эффект от использования ВЭУ в большинстве случаев оказывается довольно высоким. При этом, следует учитывать большую разницу в стоимости крупных ВЭУ и небольших установок, действующих в пределах одной усадьбы.

Частой ошибкой, допускаемой при расчетах экономической выгоды от использования ВЭУ, является рассматривание лишь одного варианта реализации методики — создания локальных энергетических комплексов (ЛЭК). Они рассматриваются только как энергоустановки местного значения, обеспечивающие энергией весь населенный пункт. Отсюда возникают высокие расходы на приобретение, потребность в дорогостоящем обслуживании и материалоемкость устройства.

Частные источники, способные обеспечить энергией отдельный дом, практически не рассматриваются, из виду упускается наиболее эффективный и необходимый сектор ветрогенераторов.

Достоинства и недостатки ВЭУ

Преимуществами ВЭУ являются:

• возможность обеспечения электроэнергией любые пункты, вне зависимости от степени удаления от магистральных линий;
• нет необходимости создавать большую энергетическую станцию, можно использовать отдельные компактные установки;
• готовая ВЭУ не нуждается в топливе или иных ресурсных поставках.

При этом, существуют некоторые недостатки:

• Выработка электроэнергии производится посредством ветровых потоков и полностью зависит от их силы и равномерности. В тихую безветренную погоду производство электротока невозможно.
• Полученный ток не годится для использования без подготовки, которая требует наличия определенных устройств.
• Ураганные ветра или шквалистые порывы могут разрушить или вывести установку из строя.

Важно! Как достоинства, так и недостатки ВЭУ являются их специфическими характерными качествами. При отсутствии других возможностей имеющиеся недостатки попросту устраняются принятием соответствующих мер.

Единственным действительно серьезным препятствием, ограничивающим использование ветрогенераторов, является высокая стоимость промышленных установок. Создание самодельных устройств требует определенных навыков и некоторой подготовки, что также замедляет распространение ветроэнергетических устройств среди населения.

Принцип работы ветроэнергетических установок

Ветроэнергетическая установка представляет собой комплекс оборудования, в состав которого входят:

• ветрогенератор,
• аккумулятор,
• инвертор,
• коммутационное оборудование, кабель, прочие устройства.

Внимание! Имеется много вариантов конструкции ветряков, но общий состав установки практически неизменен.

Принцип действия ветроустановок основан на использовании энергии ветра. Поток воздействует на лопасти рабочего колеса, приводя их во вращение. Оно передается на генератор, производящий электроток. Генератор заряжает аккумуляторы, напряжение с которых подается на инвертор, создающий переменный ток 220 В 50 Гц, необходимый для потребителей.

Существуют отдельные ветряки, питающие насосы или иные несложные устройства, которые подают напряжение напрямую на потребляющий прибор. Но, при возникновении нештатных ситуаций, например, внезапном усилении ветра, потребитель может выйти из строя вследствие резкого скачка напряжения.

В последнее время значительно увеличился интерес к ветроэнергетике со стороны изобретателей и конструкторов. Постоянно появляются новые конструкции, которые обладают все большими возможностями. В частности, ведутся активные поиски способов увеличения КПД ветряка, и некоторые варианты имеют весьма высокие показатели по сравнению с применяющимися в настоящее время промышленными образцами ВЭУ.

Учитывая, что максимальное использование энергии ветрового потока согласно расчетам не может превышать 59,3%, а реальное использование намного ниже и составляет от 10%, то возможности для увеличения эффективности установок весьма высоки.

Виды оборудования

Существует две группы ВЭУ, отличающиеся друг от друга положением оси вращения рабочего колеса:

• Горизонтальные. Внешне напоминают пропеллер.
• Вертикальные. Лопасти таких устройств вращаются вокруг вертикальной оси. Имеется большое число конструкций вертикальных ветряков.

Принципиальным отличием этих двух типов конструкции является необходимость ориентирования горизонтальных устройств по направлению ветра и нетребовательность к этому вертикальных ветряков. Кроме того, для горизонтальных устройств обязательно наличие высокой мачты, так как расположение на высоте обеспечивает более интенсивное воздействие потоков ветра на ротор. Вертикальные конструкции в подъеме над уровнем земли нуждаются в меньшей степени.

При этом, эффективность горизонтальных ветряков в целом выше, чем у вертикальных устройств. Это происходит потому, что лопасти вертикальных роторов испытывают как полезное воздействие на рабочие части, так и противодействующие нагрузки на обратные стороны. Снижение уравновешивающего воздействия потока на обратные стороны лопастей является основной задачей конструкторов, пытающихся разработать наиболее удачную форму рабочего колеса.

Существуют опытные образцы, обеспечивающие высокую эффективность использования потока, но широкого производства таких устройств пока не наблюдается.

Устройство

Общий состав комплекса практически одинаков и различается только типом конструкции ветряка.

Горизонтальные ветрогенераторы

Установки с горизонтальной осью вращения имеют практически одну конструкцию. Они представляют собой горизонтальную ось с хвостом и ротором на противоположных концах. Ось имеет возможность свободного вращения вокруг вертикальной оси, необходимое для установки ротора по направлению ветра. Это происходит автоматически, при помощи хвоста. Ротор представляет собой род пропеллера, вращающегося при воздействии ветрового потока на лопасти.

Принципиального различия между разными моделями горизонтальных ветряков нет. Они отличаются типом лопастей:

• жестколопастные,
• парусные.

Первые сделаны из прочного материала, вторые представляют собой жесткую рамку, обтянутую плотной тканью или подобным материалом. Кроме того, имеются образцы с различной формой лопасти:

• в виде прямой лопатки;
• в виде архимедова винта.

Имеются парусные модели, созданные для получения максимального эффекта от воздействия ветрового потока. Они не имеют вращающихся частей, поверхность паруса создает давление на поршневую систему, взаимодействующую с генератором.

Важно! Большая площадь лопастей позволяет получать больше энергии от взаимодействия с воздушным потоком, но создает значительное сопротивление ветру, опасное при возникновении шквальных порывов.

Ротор горизонтальной конструкции нуждается в установке на высокую мачту. Это увеличивает эффективность получения ветровой энергии, но осложняет процесс монтажа и обслуживания устройства. Мачта должна быть надежно закреплена и усилена растяжками, чтобы имелась возможность выдерживать ураганные порывы ветра. Высота мачты выбирается таким образом, чтобы ветряк возвышался над всеми ближайшими зданиями и сооружениями. При этом, место установки также выбирается на возвышении, что позволяет снизить высоту мачты и облегчает монтаж.

Вертикальные ветряки

Ветрогенераторы вертикальных конструкций имеют меньшую эффективность использования потока ветра, но с точки зрения эксплуатации они намного предпочтительнее. Их преимущества:

• нет нужды ориентировать ротор по направлению ветра;
• устанавливать устройство на высокую мачту необязательно, так как большой разницы в эффективности нет;
• устройства имеют более простую конструкцию, что удобнее при самостоятельном изготовлении.

Изначально вертикальные конструкции имели две лопасти, имеющие форму желоба, расположенные диаметрально вдоль оси вращения. Впоследствии появились другие варианты, имеющие большее количество лопастей или иную форму. На сегодня различных конструкций известно довольно много. Вот некоторые из них:

Работы по созданию новых типов конструкции ведутся непрерывно, поэтому привести полный перечень имеющихся конструкций невозможно.

Внимание! Вертикальные конструкции ветрогенераторов намного доступнее для самостоятельного изготовления, что явилось причиной появления большого количества вариантов конструкции.

Особенности конструкции

Основная особенность конструкции ВЭУ — наличие подвижного ротора, передающего вращающий момент на генератор. Этот узел является наиболее ответственным во всей конструкции, требующим качественного изготовления, прочности и устойчивости к нагрузкам.

Кроме того, помимо надежности, ротор должен достаточно чутко реагировать на контакт с ветровыми потоками и начинать вращение при относительно слабых значениях. Это особенно важно, если учитывать особенности климата России, где преобладают слабые и средние ветра. Способность стартовать при малых ветрах высоко ценится у ветрогенераторов, большинство разработок создано именно для увеличения чувствительности к малым потокам.

Нестабильность и слабые скорости ветра являются основными причинами недостаточного развития ветроэнергетики в России. Расходы на альтернативные источники электроснабжения чаще всего выше, чем на традиционные методы, что объясняет малое присутствие ВЭУ. При этом, решение вопроса с помощью дизельных электростанций способствует отрицательному воздействию на окружающую среду в виде выбросов продуктов горения топлива.

Использование дармовой энергии ветра при правильно распределенных вложениях и применении наиболее эффективных конструкций способно дать немалый экономический эффект и способно решить проблему для регионов с недостаточным энергоснабжением.

Технические характеристики

К основным техническим характеристиками ВЭУ относятся:

• номинальная мощность устройства,
• минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск ротора,
• максимальная скорость ветра, при которой требуется торможение вращающейся части.

Помимо этих параметров важно определить срок окупаемости устройства, его долговечность и расходы на содержание. Эти факторы являются определяющими при выборе источника электроснабжения между дизельными станциями и ВЭУ. Для регионов со слабыми ветрами такой выбор весьма актуален, поскольку вкладываться в заведомо неэффективный комплекс нерационально и не способствует решению проблемы.

Ветроэнергетические установки являются перспективным вариантом решения проблемы энергообеспечения для отсталых регионов. При грамотном подходе и использовании оптимального комплекта оборудования, можно создавать как мелкие станции, обеспечивающие отдельные жилые дома, так и более крупные установки, способные снабжать энергией населенные пункты.

Возможность производства энергии без нанесения ущерба экологии региона должна ставиться в первоочередные задачи, и ветроэнергетика в этом отношении является наиболее удачным вариантом решения проблем.

Рекомендуемые товары

Конструкция низкоскоростной ветряной турбины

1. Введение

Ветровые турбины используются для выработки электроэнергии уже более ста лет. Недавние опасения по поводу цены и воздействия ископаемого топлива на окружающую среду стимулировали распространение ветряных турбин в широком диапазоне мощностей. Сегодня в продаже имеется широкий спектр коммерческих ветроэнергетических систем. Однако даже турбины с более низкой номинальной мощностью обычно рассчитаны на относительно высокие скорости ветра, обычно около 10-15 м / с [4].При более низких скоростях ветра, типичных для многих внутренних территорий Юго-Восточной Азии, коммерчески доступные ветроэнергетические системы не производят значительного количества энергии. Это либо исключает их использование, либо приводит к очень неэффективному извлечению энергии в регионах с более низкой скоростью ветра. При тщательном проектировании турбины и генератора при более низких скоростях ветра возможно производство электроэнергии, значительно превышающей промышленные турбины. Это позволит использовать энергию ветра в отдаленных районах Юго-Восточной Азии и во всем мире, где преобладают низкие скорости ветра.Это будет включать питание для удаленных станций метеорологической телеметрии, ретрансляторов, сельских жителей и школ, а также приложений, требующих безискрового источника питания, например, вблизи мест добычи, переработки, заправки и транспортировки нефти и военных постов. Эта глава специально посвящена проектированию систем турбин с низкой скоростью ветра. Поскольку доступная мощность ветра значительно ниже при низких скоростях ветра, мы сосредоточимся на меньших турбинах в диапазоне менее 1 кВт.

2. Ветровая энергия

Ветровая энергия, улавливаемая турбиной, обычно выражается как функция от рабочей площади турбины и коэффициента производительности, плотности воздуха и скорости ветра [8]

Где:

P _turb — механическая мощность турбины в ваттах

C _p — безразмерный коэффициент полезного действия

ρ — плотность воздуха в кг / м ³

A — рабочая площадь турбины в м ²

V — скорость ветра в м / с

Для ветровых площадок вблизи уровня моря атмосферное давление составляет примерно 1.18 кг / м ³ и уменьшается с высотой. Коэффициент полезного действия зависит от конструкции турбины и имеет теоретический верхний предел 0,593, называемый пределом Беца [5]. Большинство ветряных турбин мощностью менее 10 кВт рассчитаны на скорость от 8 до 12 м / с. Коэффициент полезного действия коммерческих малых турбин обычно находится в диапазоне от 0,25 до 0,45 в зависимости от номинальной мощности, частоты вращения и диаметра изготовителя. Мощность турбины прямо пропорциональна рабочей площади, поэтому она пропорциональна квадрату длины лопатки.Однако фактор, оказывающий наибольшее влияние на мощность турбины, — это скорость ветра. От скорости включения турбины до номинальной скорости мощность турбины пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что скорость ветра 10 м / с будет в восемь раз сильнее ветра 5 м / с. Вот почему большинство турбин имеют довольно высокую скорость ветра: это самый простой способ добиться высокой выходной мощности.

3. Малые турбины

Малые турбины имеют ограниченное разнообразие конструкций из-за ограничений по стоимости и производительности.Наиболее распространенная конструкция — это регулируемая, регулируемая скорость, горизонтальная ось, 3-лопастная машина с фиксированным шагом и постоянным магнитом с прямым приводом [3]. Регулирование шага лопастей было бы трудно оправдать с экономической точки зрения, поэтому лопасти имеют фиксированный шаг и оптимизированы для выработки энергии при номинальной скорости. Это приводит к худшим характеристикам на более низких скоростях, чем может быть достигнута турбиной с активным регулированием шага. Максимальная скорость турбины определяется скоростью ветра и приложенной нагрузкой.Обычно контроллер мощности все еще требуется для предотвращения превышения скорости турбины и чрезмерной зарядки батарей. Этот контроллер мощности может также включать схему согласования мощности, позволяющую оптимизировать отбор мощности от ветряной турбины при различных скоростях ветра [6]. Превышения частоты вращения турбины можно избежать за счет приложения к генератору разгрузочной нагрузки с низким сопротивлением, увеличения крутящего момента нагрузки на турбину, замедления лопастей и, в результате, аэродинамического срыва.

Рис. 1.

Схема типичной малой ветроэнергетической системы, включая ветряную турбину, систему хранения и нагрузки

3.1. Коммерческие малые турбины

Существуют значительные различия между тем, как разные производители заявляют спецификации турбин, однако обычно понимается, что турбина будет вырабатывать номинальную мощность при номинальной скорости ветра. На основе обзора данных, опубликованных для малых ветряных турбин, мы выбрали следующие типовые технические характеристики коммерческих турбин:

Таблица 1.

Типичные технические характеристики промышленных турбин

Когда эти турбины устанавливаются в районе с более низким ветром, фактическая производимая мощность будет значительно меньше номинальной. Например, на большей части территории Юго-Восточной Азии средняя скорость ветра составляет всего 3 м / с. Хотя это может быть ниже скорости отключения турбин (самой низкой скорости, на которой они могут производить мощность), если предположить, что мощность пропорциональна кубу скорости ветра, мы можем рассчитать теоретическую выработку энергии при 3 м / с, как указано в таблице.Видно, что выработка электроэнергии этими машинами намного ниже номинальной, что подчеркивает необходимость оптимизации турбины для регионов с низкой скоростью ветра.

3.2. Анализ скорости, мощности и Cp

Одним из важнейших факторов, влияющих на производительность турбины, является угол наклона лопаток. Угол наклона — это угол между лопастью и плоскостью вращения. Угол атаки — это угол между хордой профиля и относительным ветром, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Вектор ветра, движение лопасти, угол тангажа и угол атаки.

Для большинства аэродинамических поверхностей подъемная сила максимальна при угле атаки от 10 до 15 градусов. Очевидно, что угол атаки будет зависеть от скорости ветра и скорости турбины. Удобным параметром при анализе характеристик турбины является коэффициент скорости наконечника (TSR), который определяется как линейная скорость наконечника лопатки турбины, деленная на преобладающую скорость ветра. Для данной скорости ветра меньший угол тангажа приведет к более высокому TSR при максимальной подъемной силе.Больший угол наклона будет иметь тенденцию давать максимальный подъем и, следовательно, больший крутящий момент при более низком TRS [11]. В конечном итоге более высокие коэффициенты производительности достигаются за счет лопастей с меньшими углами наклона и более высоким TRS, однако за счет низкого крутящего момента, что приводит к более высокому снижению скорости.

При очень низких скоростях ветра турбина производит слишком маленький крутящий момент для преодоления трения. Как только скорость ветра становится достаточной для вращения турбины, выходная мощность приблизительно пропорциональна кубу скорости ветра.Это остается верным до номинальной скорости. Выше этой скорости выработка энергии стабилизируется, а с турбинами с регулируемым срывом фактически падает по мере увеличения скорости ветра. Наконец, при еще более высокой скорости ветра, скорости закрутки, турбина выключается, чтобы избежать повреждения машины. Типичная кривая мощности турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 3.

Изменение коэффициента мощности в зависимости от угла атаки в зависимости от TSR.

Рисунок 4.

Мощность турбины в зависимости от скорости ветра.

Напряжения в турбине связаны с ветровой нагрузкой, вызывающей изгиб лопасти в направлении ветра, центробежные силы, радиальное вытягивание лопастей наружу и различные динамические напряжения. Центробежные силы пропорциональны весу лопасти, длине лопасти и квадрату скорости турбины и ограничивают максимальную скорость турбины. Если исходить из аналогичных материалов и конструкции лезвия, для достижения того же уровня нагрузки более крупное и тяжелое лезвие должно будет вращаться с меньшей скоростью, чем меньшее лезвие.Эта максимальная скорость работы турбины становится одним из ограничивающих факторов в ветряной турбине, требуя либо чрезвычайно прочной конструкции, либо активной системы управления скоростью. Системы управления срывом механически просты в реализации и поэтому распространены в небольших турбинных системах. Когда скорость ветра превышает номинальную, на выход генератора прикладывается большая электрическая нагрузка, как правило, батарея резисторов большой мощности. Это увеличивает крутящую нагрузку на турбину, замедляя ее. По мере уменьшения TSR угол атаки увеличивается выше оптимального, и подъем падает, когда лопасть начинает глохнуть.Это впоследствии снижает крутящий момент турбины, еще больше замедляя ее. Этот метод доказал свою эффективность в предотвращении превышения скорости в небольших турбинах.

4. Конструкция ветряных турбин с малой скоростью ветра

Как указывалось ранее, проблема заключается в том, что существующие коммерческие турбины обычно рассчитаны на скорость ветра, значительно превышающую типичную скорость ветра для большей части планеты. Вместо того, чтобы просто исключать энергию ветра из сценария потенциальной энергии для этих регионов, мы хотели бы разработать небольшую ветряную турбину специально для регионов с низкой скоростью ветра [9].Большая часть Юго-Восточной Азии (ЮВА) находится в регионе с относительно низкой скоростью ветра. Данные о скорости ветра с испытательного полигона в Малайзии показаны на рисунке 5. Вероятность ветровой энергии получается путем умножения вероятности скорости ветра на куб скорости ветра. Наибольшая вероятность энергии ветра составляет примерно 3 м / с. При такой скорости ветра коммерческие турбины будут вырабатывать очень мало энергии.

Рис. 5.

Ветер и нормализованная вероятность ветровой энергии на испытательном полигоне с низкой скоростью ветра

Для улучшения отбора энергии ветряная турбина требует фундаментальной модернизации.Уравнение 1 дает нам первое указание, как действовать дальше. Для заданной скорости ветра нам остается изменить площадь турбины и оптимизировать коэффициент полезного действия. Контроль за плотностью окружающего воздуха выходит за рамки этого текста. Удлинение лопаток увеличит площадь поперечного сечения турбины, увеличивая мощность турбины. Однако это также приведет к увеличению нагрузки на турбину и, как правило, к снижению скорости вращения. Производство электроэнергии от генератора пропорционально квадрату скорости вращения, поэтому может быть выгодно регулировать угол наклона, чтобы максимизировать TRS и, таким образом, увеличить скорость генератора.При низких скоростях ветра и ступица турбины, и генератор потребуют повторной оптимизации для более крупных лопастей, необходимых для достижения разумного уровня выработки энергии.

4.1. Общая конструкция турбины

В качестве отправной точки для проектирования мы выберем систему, способную обеспечивать электроэнергией типовое сельское жилище, типичное для отдаленных регионов ЮВА. В таких домах обычно используются перезаряжаемые автомобильные свинцово-кислотные батареи для питания электрического освещения, радио и телевидения. Эти батареи еженедельно доставляются на дизель-генераторную станцию ​​для подзарядки.Еженедельная транспортировка аккумуляторов — значительная нагрузка для сельских жителей, которую можно облегчить с помощью ветроэнергетической установки. С улучшением доступа к электроэнергии потребление электроэнергии, вероятно, значительно увеличится. Дополнительная мощность, вероятно, будет направлена ​​на улучшенное освещение и дополнительные приборы, такие как вентиляторы и даже холодильники. Фактическая требуемая мощность будет варьироваться в широких пределах, но мы предполагаем, что типичный дом будет потреблять примерно 1 кВтч в день.

Ветровая энергетическая система должна иметь достаточную емкость для хранения, по крайней мере, на одну неделю без выработки электроэнергии, поэтому нам требуется не менее 7 кВт-ч аккумуляторов. Как и в большинстве небольших приложений для электроснабжения вне сети, энергия будет храниться в автомобильных батареях на 12 В. Чтобы минимизировать потери при передаче электроэнергии, мы выберем самое высокое напряжение в системе, которое считается безопасным для таких приложений. Рабочее напряжение 48 В может быть достигнуто с 4 батареями, подключенными последовательно, а ограничение накопителя энергии в 7 кВт · ч превращается в емкость аккумулятора около 150 А · ч, как у обычных аккумуляторов для грузовиков.

При хорошей видимости турбины на вершине холма в некоторых прибрежных районах Юго-Восточной Азии возможна пиковая мощность около 5 м / с. По долгосрочным измерениям мы можем определить, что ветер может достигать этой целевой скорости около 20% времени, или 4,8 часа в день. Предполагая, что турбина должна вырабатывать примерно на 1/3 больше мощности, чем требуется в день, чтобы компенсировать потери в системе, нам потребуется около 1,3 кВт · ч в день производства электроэнергии. При выработке электроэнергии 4,8 часа в сутки система должна будет вырабатывать примерно 270 Вт при скорости ветра 5 м / с.Предполагая КПД генератора 80% и Cp 0,29, из уравнения 1 мы можем определить площадь турбины 15,9 м ² , что дает длину лопатки примерно 2,25 м. Если принять условное TSR около 8, турбина будет вращаться со скоростью 170 об / мин. На основании некоторых первоначальных измерений было определено, что для обычной конструкции генератора потребуется гораздо более высокая частота вращения для достижения желаемой выходной мощности, поэтому мы будем стремиться к удвоенной этой скорости, или 340 об / мин. Эксплуатационный TSR будет оптимизирован посредством регулировки шага лопаток турбины во время полевых испытаний системы, но мы будем стремиться к TSR равному 16, что вдвое превышает обычное соотношение.Рабочий ток генератора в этот момент составит примерно 5,8 А.

Используя существующие конструкции малых турбин [1], генератор должен быть трехфазным, синхронным с осевым потоком, генератором с постоянными магнитами. Мы выбрали 12-полюсную конструкцию с никелированными магнитами NdFeB толщиной 25 x 50 мм и толщиной 11 мм. Генератор основан на подшипнике автомобильного колеса и дисковом тормозе, что определяет диаметр ротора. Исходные характеристики турбины приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Начальные спецификации ветряной турбины и генератора

5. Экспериментальные результаты

Взяв за отправную точку хорошо разрекламированную конструкцию небольшой турбины Хью Пиггота, мы изучили несколько параметров генератора и турбины, чтобы оптимизировать конструкцию для более низкой скорости ветра [ 10]. Генераторные измерения проводились на динамометре с приводом от электродвигателя, позволяющем одновременно измерять как механическую, так и электрическую мощность. Последний генератор затем был введен в эксплуатацию на турбине с регулируемым шагом лопаток.Выходная мощность турбины измерялась вместе со скоростью ветра для оптимизации турбины.

5.1. Оптимизация генератора

Первоначально было выполнено базовое исследование напряжения холостого хода. Несколько катушек с различным числом витков были изготовлены из покрытой эмалью магнитной проволоки диаметром 1 мм. В каждом случае катушки были намотаны на сердечник овальной формы размером 20 x 40 мм, немного меньший, чем магниты ротора. Толщина катушки в осевом направлении, определяющая толщину статора, поддерживалась постоянной и составляла 10 мм.По мере увеличения размеров катушек расстояние между соседними катушками уменьшается, в результате чего максимальный размер катушки составляет примерно 150 x 100 мм. Как видно на рисунке 6, напряжение холостого хода линейно увеличивается с количеством витков.

Рис. 6.

Зависимость напряжения холостого хода отдельной катушки от числа витков при 50 об / мин

Если бы катушкам было позволено увеличиваться в размерах, в конечном итоге противоречивый поток от соседних пар магнитов мог бы проникнуть в большие катушки, уменьшив общий поток и, следовательно, напряжение ,При нынешней конструкции катушки с максимально большими катушками для данной толщины статора будут обеспечивать максимальную мощность.

Для максимальной передачи магнитного потока через катушки двигателей и генераторов катушки имеют сердечники из ламинированного мягкого железа или других магнитопроводящих материалов в электроизоляционной конструкции (для уменьшения вихревых токов). Эти сердечники из мягкого железа обеспечивают путь с низким сопротивлением для магнитного потока, проходящего через катушки. Однако это также вызовет значительный «зубчатый» крутящий момент, поскольку магниты имеют тенденцию застревать в положениях над сердечниками [10].Высокий крутящий момент увеличивает скорость вращения турбины, поэтому большинство низкоскоростных турбин производятся без магнитных материалов в сердечниках, что приводит к катушкам с «сердечником» или «воздушным сердечником». Хотя полезность этого оценивается, мы решили протестировать как катушку с воздушным сердечником, так и идентичную катушку с сердечником из стальной эпоксидной смолы. Было обнаружено, что эта эпоксидная смола имеет очень высокое электрическое сопротивление и значительную магнитную восприимчивость. Сердечники были испытаны на динамометрическом стенде генератора, вращающемся со скоростью 125 об / мин, результаты представлены в таблице 3.Поскольку была установлена ​​только одна катушка, в результате мощность и КПД были очень низкими. Как электрическая, так и механическая мощность увеличиваются при использовании эпоксидной смолы в сердечнике катушки, как и ожидалось из-за большей передачи магнитного потока. Эффективность катушки с эпоксидным сердечником также немного выше, чем у катушки с воздушным сердечником. Крутящий момент от зубчатого зацепления был значительно меньше трения подшипника ротора, поэтому катушки с эпоксидным сердечником были выбраны для окончательной конфигурации генератора.

Другой важной оптимизацией была осевая толщина статора. Более толстый статор допускает большее количество витков провода, увеличивая выходное напряжение, однако для этого также потребуется большее расстояние между роторами.Поскольку роторы разнесены дальше друг от друга, больший поток от магнитов будет иметь тенденцию к «короткому замыканию» на соседние магниты, а не через статор к магниту на противоположном статоре [3]. Эта ситуация показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Боковое короткое замыкание магнитного потока на соседние магниты увеличивается (справа) с увеличением расстояния между роторами.

Индуцированное напряжение на оборот можно увидеть, как быстро падает, когда роторы разнесены дальше друг от друга на рисунке 8.

Рисунок 8.

Напряжение на оборот в зависимости от расстояния между роторами при 125 об / мин

Для данного расстояния между роторами существует максимальное количество витков катушки, которое может поместиться между роторами. Между поверхностями магнита и статором предусмотрен запас в 2,5 мм, чтобы избежать физического контакта и позволить потоку воздуха охладить катушки статора. Таким образом, для 10-миллиметрового расстояния между роторами толщина статора ограничена 5 миллиметрами, что дает около 50 витков на катушку.

Катушки толщиной 5, 10 и 15 мм были подготовлены для разделения ротора 10, 15 и 20 мм соответственно.Эти катушки затем были испытаны на динамометре генератора при 125 об / мин, что дало данные таблицы 4.

Таблица 4.

Напряжение холостого хода и параметры катушки для различных расстояний между роторами.

По мере того, как роторы перемещаются ближе друг к другу, магнитный поток, проходящий через катушку, увеличивается, создавая более высокое напряжение холостого хода на оборот катушки. Однако меньшее разделительное расстояние приводит к меньшему количеству витков на катушку. Для достижения максимального напряжения холостого хода необходимо найти компромисс между числом витков и расстоянием между роторами. Как показано в таблице 4, расстояние между роторами 15 мм дает максимальное напряжение холостого хода.

Генератор был изготовлен с катушками максимального размера в 10-миллиметровом статоре, а сердечники были заполнены эпоксидной смолой на металлических подшипниках. Затем генератор был испытан на динамометре с различными нагрузками. На рисунке 9 показаны результаты измерений электрической мощности при подключении генератора к нагрузкам различного сопротивления.

Рис. 9.

Зависимость мощности от скорости вращения для различных нагрузок

Максимальная мощность системы была получена при нагрузке 6 Ом, что приблизительно равно внутреннему сопротивлению статора, поскольку сопротивление на катушку равно 0.67 Ом и 9 катушек последовательно. Наш первоначальный дизайн требовал примерно 270 Вт мощности при 340 об / мин. Эта мощность была выше возможностей динамометра с относительно малой мощностью, но попадает в диапазон выработки мощности, прогнозируемый на основе квадрата скорости (черная линия тренда) для нагрузки 6 Ом.

5.1. Оптимизация турбины

Затем генератор был введен в эксплуатацию на крыше машиностроительного здания, как показано на рисунке 10. Деревянные лопасти длиной 2,25 метра были изготовлены с профилем NACA 4412, обычно используемым для низкооборотных турбин.Во время испытаний лопатки турбины были установлены на заданный угол наклона, а генератор был подключен к нагрузке с фиксированным сопротивлением. Затем данные о скорости ветра и выработке электроэнергии постоянно регистрировались. После нескольких недель испытаний турбину можно будет отрегулировать на новый угол атаки и / или изменить сопротивление нагрузки.

Из-за непостоянства ветра не все конфигурации были испытаны на одинаковых скоростях в течение одинаковых периодов времени. Однако общие тенденции были очевидны.Во время полевых испытаний максимальная зафиксированная мгновенная скорость ветра составляла 8 м / с, а максимальная постоянная скорость ветра составляла от 4 до 5 м / с.

Рис. 10.

Ветряная турбина с оптимизированным генератором во время оценки турбины. Обратите внимание на анемометр на заднем плане слева.

Данные, полученные во время тестирования при угле атаки 9 градусов, показанные на рисунке 11, были типичными для тестирования. Скорость вращения турбины составляет около 2 м / с, а выходная мощность быстро увеличивается с увеличением скорости ветра для всех сопротивлений нагрузки.Данные для нагрузок 3 и 6 Ом показывают, что нагрузка 3 Ом имеет немного более высокую выходную мощность ниже 3 м / с, а нагрузка 6 Ом дает большую мощность выше 3 м / с. Теоретически нагрузка 6 Ом должна обеспечивать максимальное извлечение мощности, поскольку нагрузка хорошо согласована с генератором. В целом, нагрузка 6 Ом давала наилучшее извлечение мощности и была выбрана для дальнейшего анализа.

Рисунок 11.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при различных нагрузках для угла атаки 9 градусов

Рисунок 12.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при различных углах атаки для нагрузки 6 Ом

Производство энергии не было сильной функцией угла атаки в диапазоне от 7 до 11 градусов, но значительно снизилось при 14 градусах. Основываясь на экстраполяции данных на более высокие скорости, ожидается, что угол атаки 9 градусов даст наибольшую выработку энергии в диапазоне скоростей ветра от 3,5 до 5 м / с.

Взяв кривую наилучшего соответствия для угла атаки лопастей 9 градусов при нагрузке 6 Ом (рис. 13), мы можем рассчитать, что турбина должна выдавать около 200 Вт при 4.Скорость ветра 2 м / с. Принимая это с известной длиной лопаток турбины 2,25 метра и предполагаемым КПД генератора 80% [7], мы можем использовать уравнение 1 для расчета коэффициента производительности, равного 0,36, что несколько лучше, чем предполагаемое значение 0,29.

Дополнительные измерения, проведенные на подшипниках турбины, показали, что потери на трение составляют 23 Вт при 300 об / мин. Это примерно 10% производимой электроэнергии. Использование автомобильных подшипников, возможно, не оптимально с точки зрения трения, поэтому с улучшением подшипников можно будет улучшить мощность турбины примерно на 5% или около того.

Рисунок 13.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при угле атаки 9 градусов и нагрузке 6 Ом

Оглядываясь назад на рисунок 9, мы видим, что выходная мощность 200 Вт должна происходить примерно при 300 об / мин при нагрузке 6 Ом. Используя это для расчета TSR при скорости ветра 4,2 м / с, мы получаем TRS 17, что близко к нашему предполагаемому значению 16 и значительно выше, чем обычное значение 8.

6. Сравнение характеристик

Принимая во внимание Измеряя производительность турбины, мы можем предсказать зависимость выработки электроэнергии от скорости ветра.Основываясь на заявленных производителями характеристиках изогнутой формы, нашу турбину можно сравнить с существующими коммерческими турбинами. Данные о ветре были записаны на предлагаемой испытательной площадке турбины на прибрежном гребне на высоте 400 м в Банджаран-Релау в Кедахе, Малайзия. Это дало немного более высокую скорость ветра, чем на испытательном полигоне турбины на крыше здания машиностроения. Пример данных о ветре показан на рисунке 14.

Данные о скорости ветра демонстрируют суточный график с некоторым накачиванием морского слоя, связанным с близостью к побережью с самыми высокими скоростями ветра во второй половине дня.Кроме того, видно, что может быть несколько дней, например. дни с 13 по 18 на рис. 14, при очень слабом ветре, что подчеркивает необходимость значительной емкости для хранения.

Рис. 14.

Скорость ветра на испытательном полигоне турбины Banjaran Relau в Кедахе, Малайзия

Рис. 15.

Вероятность ветра и прогнозируемое производство электроэнергии в зависимости от скорости ветра для нескольких промышленных турбин и турбины, разработанной в этом исследовании.

На рис. 15 показана зависимость мощности, вырабатываемой тремя небольшими коммерческими турбинами и турбиной, разработанной в этом исследовании, от скорости ветра, а также вероятность ветра на испытательном полигоне турбины.Поскольку оптимизированная турбина будет вращаться с более высокой скоростью вращения, чем другие турбины, контроллер начнет электрическое прерывание при скорости ветра выше 7 м / с, эффективно снижая выходную мощность турбины выше этой скорости. Это не является чрезмерным ограничением, поскольку ветер редко дует со скоростью выше 7 м / с дольше нескольких минут в месяц.

Можно видеть, что оптимизированная турбина вырабатывает значительно большую мощность, чем промышленные турбины при более низких скоростях ветра, и, конечно, значительно меньшую мощность при более высоких скоростях, на которые рассчитаны другие турбины.Это ожидается, поскольку оптимизированная турбина имеет большую площадь охвата и была настроена для работы с низкой скоростью ветра.

Умножая мощность генератора на вероятность скорости ветра при каждой скорости ветра, мы можем получить нормированные кривые выработки электроэнергии, показанные на рисунке 16. Вероятность пиковой мощности для этого набора данных составляет 3 м / с, с более низким пиком на кривой вероятности мощности. при 4,5 м / с. Поскольку скорость ветра на испытательном полигоне никогда не превышала 7 м / с в течение значительного периода времени, оптимизированная турбина показала, что она вырабатывает в 3-4 раза больше энергии, чем коммерческие турбины во всем доступном диапазоне скоростей ветра.Наблюдается провал в данных о вероятности ветра на уровне около 4 м / с в данных за период выборки из-за ограниченного количества данных. В целом можно ожидать довольно гладкого профиля вероятности ветра с пиком между 3,5 и 4,5 м / с на этом участке ветра.

Рис. 16.

Сравнение нормализованной ветровой энергии для различных ветряных турбин

Ожидается, что выработка энергии при ветре 5 м / с составит около 350 Вт, а в регионе, производящем этот ветер, будет производиться 4,8 часа в день. результат 1.68 кВтч выработки энергии в сутки. Если предположить, что потери при хранении в размере 30%, связанные с зарядкой / разрядкой аккумуляторов и передачей электроэнергии, приведут к получению около 1,2 кВтч полезной энергии в день, что близко к нашей первоначальной оценке 1,3 кВтч в день, необходимой для сельского жилища. Таким образом, ожидается, что специально разработанная ветряная турбина радиусом 2,25 м относительно простой конструкции будет достаточной для питания одного сельского дома в более ветреных частях ЮВА.

7. Заключение

Большинство коммерческих турбин спроектированы для относительно высоких скоростей ветра, около 10 м / с, вырабатывают незначительное количество энергии ниже 5 м / с.Взяв за отправную точку обычную 3-лопастную ветряную турбину с осевым потоком и горизонтальной осью прямого привода, мы смогли оптимизировать турбину и генератор для работы с более низкой скоростью ветра и добиться значительно более высокой выходной мощности, чем существующие коммерческие турбины при более низких скоростях ветра. Возможна дальнейшая оптимизация турбины, которая должна быть сосредоточена на форме аэродинамического профиля, весе и конструкции лопастей, а также на трении подшипников. Хотя использование лопастей большего размера увеличит стоимость и вес турбины и башни, все еще считается, что энергия ветра может быть жизнеспособной альтернативой даже в регионах с относительно слабым ветром.

Начальная скорость ветра 2,5 м / с 1,7 м Диаметр колеса Трехфазный генератор переменного тока 600 Вт 24 В или 48 В для гибридной ветро-солнечной системы | генератор ветровой турбины | турбогенератор Ветряная турбина 48 В

FAQ

1. В каком регионе можно установить ветряк?

Небольшие ветряные турбины следует применять в регионах с достаточными ветровыми ресурсами. Среднегодовая скорость ветра должна быть более 3 м / с, эффективная скорость ветра 3-20 м / с должна быть более 3000 ч в год.Плотность 3-20 м / с, эффективная средняя ветровая мощность должна быть более 100 Вт / м ² .

Следует отметить, что выбор номинальной проектной скорости ВЭУ соответствует местной проектной скорости. Это существенно в использовании ветровых ресурсов и в экономическом аспекте. Испытания в аэродинамической трубе доказывают, что преобразование мощности крыльчатки вентилятора прямо пропорционально скорости ветра, то есть скорость ветра определяет выходную электрическую мощность.

2. Как рассчитать фактическую потребность в мощности в моем доме, чтобы настроить соответствующую мощность ветряных турбин?

В настоящее время аккумулятор накапливает энергию от ветряной турбины, а затем разряжается в бытовой технике. Таким образом, мощность, которая разряжается в нагрузку и своевременно заряжается ветряной турбиной, равна фактической потребности в мощности.

Рассмотрим пример: номинальная выходная мощность ветрогенератора составляет 100 Вт в час, время непрерывной работы на ветру — 4 часа.Аккумулятор можно заряжать общей емкостью 400 Втч. Только около 70% энергии батареи может быть разряжено на нагрузку, поэтому фактическая мощность, которая может быть использована от батареи, составляет 280 Втч.

Если есть:

1) Лампочка 15 Вт x 2 штуки, работа 4 часа в день, потребление 120 Втч

2) ТВ 35Вт x 1 комплект, работает 3 часа в день, потребление 105Втч

3) Радио 15 Вт x 1 шт., Работает 4 часа в день, потребление 60 Вт / ч

Выше общее потребление составляет 285 Втч в день.Если вы проектируете только установку ветряного генератора мощностью 100 Вт, общая потребляемая мощность будет больше, чем мощность ветряного генератора. При длительном использовании энергии от ветряного генератора мощностью 100 Вт это приведет к серьезным потерям электричества и повреждению аккумулятора, а также сократит срок службы аккумулятора.

Предполагается, что ветряная турбина при номинальной выработке энергии ветра и потреблении энергии, но на самом деле, из-за изменчивости ветра, прерывистого, бывают разные сильные и слабые ветра (скорость ветра), и ветер дует в течение длительного и короткого времени по-разному. (частота).Таким образом, вы должны сократить даже некоторое время работы электрических приложений, когда условия ветра плохие, чтобы защитить вашу батарею. Если вашего бюджета достаточно, то лучше будет установить дизель-генераторную установку или одновременно установить солнечные батареи.

3. Как выбрать правильную емкость аккумулятора для получения энергии от ветряного генератора?

Как правило, емкость аккумулятора должна быть равна или меньше мощности ветряного генератора.

1) Генератор ветряной турбины мощностью 100 Вт соответствует батарее 120 Ач (60 Ач x 2 шт.)

2) Ветрогенератор мощностью 200 Вт соответствует батарее 120-180 Ач (60 или 90 Ач x 2 шт.)

3) ветряной генератор мощностью 300 Вт соответствует батарее 240 Ач (120 Ач x 2 шт.)

4) ветряной генератор мощностью 750 Вт соответствует батарее 240 Ач (120 Ач x 2 шт.)

5) Генератор ветровой турбины мощностью 1000 Вт соответствует батарее 360 Ач (60 Ач x 3 шт.)

Наша служба

1.После того, как клиенты разместят заказ в нашем магазине и завершат оплату, мы подготовим посылку примерно за 7 дней до отправки.

2. Мы дадим положительные отзывы нашим клиентам, когда получим платеж, выпущенный системой Aliexpress. Так что надеемся, что вы также сможете оставить положительные отзывы о нашем сервисе. Если вы не удовлетворены нашими продуктами или услугами, вы также можете связаться с нами напрямую. Мы приглашаем вас поделиться своими ценными предложениями.

3. На все сообщения и электронные письма будет дан ответ в течение 1 рабочего дня. Если вы не получили наш ответ, пожалуйста, повторно отправьте свое сообщение или электронные письма, и мы ответим вам как можно скорее.

4. Перед размещением заказа, пожалуйста, оставьте нам ключевые параметры, чтобы мы могли подготовить продукты для вас как можно скорее, чтобы сократить время доставки.

400 Вт, 12 В / 24 В, ветряная турбина, с контроллером ветра 600 Вт, низкая скорость ветра, трехфазные, 3/5 лопасти для домашнего использования | ветряная турбина | ветряная турбина, ветряная турбина, ветряная турбина

Трехфазные 3/5 лопасти с низкой пусковой скоростью для домашнего использования

1. Низкая скорость ветра 2 м / с запускает ветрогенератор.

Это наиболее очевидное преимущество данного ветрогенератора среди продуктов такого же уровня на рынке, которые обеспечивают высокий уровень использования энергии ветра.

2. Выход постоянного тока, встроенный контроллер

Конструкция контроллера обеспечивает стабильную выработку электроэнергии. Выходное напряжение 12 В или 24 В постоянного тока может автоматически распознаваться.

3. Низкая неисправность и высокая способность противостоять тайфуну

имеет уникальную конструкцию, обеспечивающую плавность хода фюзеляжа, отсутствие шума, лопасти из нейлоновых композитных материалов и, благодаря оптимизации аэродинамического дизайна и конструкции конструкции, начальная скорость ветра низкая, высокий коэффициент использования энергии ветра, увеличение генерирующие мощности.Кормовой руль имеет конструкцию автоматического рыскания, более сильную способность противостоять тайфуну, безопасную и надежную работу.

4. Функция горизонтального вала.

Генератор ветряной турбины может автоматически регулировать угол в соответствии с направлением ветра за счет конструкции с горизонтальным валом.

5. Срок службы 15 лет.

Благодаря внутренней лабиринтной конструкции двигателя, все внешние крепежи изготовлены из высокопрочной нержавеющей стали, поэтому он имеет лучший защитный эффект, водонепроницаем (IP65) и более эффективно предотвращает попадание песка.

6. Структура проста и надежна, красивый внешний вид, сильная мобильность.

1. Ветряная турбина

2. 3/5 шт. Лезвий

3. Узел ветряных турбин

4. Винтовые болты и конус.

5. Регулятор ветра

Ветряная турбина | технология | Британника

Ветряная турбина , устройство, используемое для преобразования кинетической энергии ветра в электричество.

Ветряные турбины бывают нескольких размеров, с небольшими моделями, используемыми для обеспечения электроэнергией сельских домов или коттеджей, и моделями в масштабе сообщества, используемыми для обеспечения электричеством небольшого количества домов в сообществе. В промышленных масштабах многие большие турбины собираются в ветряные электростанции, расположенные в сельской местности или на море.Термин ветряная мельница , который обычно относится к преобразованию энергии ветра в энергию для измельчения или перекачивания, иногда используется для описания ветряной турбины. Однако термин ветряная турбина широко используется в основных ссылках на возобновляемые источники энергии ( см. Также ветровая энергия).

Типы

Существует два основных типа ветряных турбин, используемых при реализации ветроэнергетических систем: ветровые турбины с горизонтальной осью (HAWT) и ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT).HAWT являются наиболее часто используемым типом, и каждая турбина имеет две или три лопатки или диск, содержащий множество лопаток (многолопастный тип), прикрепленных к каждой турбине. VAWT способны справляться с ветром, дующим с любого направления, и обычно сделаны с лезвиями, которые вращаются вокруг вертикального столба.

HAWT характеризуются как устройства с высокой или низкой прочностью, в которых под прочностью понимается процентная доля рабочей площади, содержащей твердый материал. Высокопрочные HAWT включают многолопастные типы, которые покрывают всю площадь, охватываемую лопастями, твердым материалом, чтобы максимально увеличить общее количество ветра, соприкасающегося с лопастями.Примером высокопрочного HAWT является турбина с несколькими лопастями, используемая для перекачивания воды на фермах, часто встречающаяся в ландшафтах американского Запада. В низкопрочных HAWT чаще всего используются две или три длинные лопасти и они напоминают по внешнему виду воздушные винты. HAWT с низкой прочностью имеют низкую долю материала в рабочей области, что компенсируется более высокой скоростью вращения, используемой для заполнения рабочей области. HAWT с низкой прочностью — это наиболее часто используемые коммерческие ветряные турбины, а также тип, который чаще всего представлен в СМИ.Эти HAWT обеспечивают максимальную эффективность при производстве электроэнергии и, следовательно, являются одними из самых экономичных используемых конструкций.

Менее используемые, в основном экспериментальные VAWT включают конструкции, которые различаются по форме и способу использования энергии ветра. VAWT Дарье, в котором используются изогнутые лезвия с изогнутой аркой, стал наиболее распространенным VAWT в начале 21 века. VAWT H-типа используют два прямых лезвия, прикрепленных к каждой стороне башни в H-образной форме, а VAWT V-типа используют прямые лезвия, прикрепленные под углом к ​​валу, образуя V-образную форму.Большинство VAWT экономически неконкурентоспособны с HAWT, но сохраняется интерес к исследованиям и разработкам VAWT, особенно для построения интегрированных систем ветроэнергетики.

Оценка выработки электроэнергии

Согласно закону Беца, максимальное количество энергии, которое может генерировать ветровая турбина, не может превышать 59 процентов кинетической энергии ветра. Учитывая это ограничение, ожидаемая мощность, генерируемая конкретной ветряной турбиной, оценивается по кривой мощности скорости ветра, полученной для каждой турбины, обычно представленной в виде графика, показывающего соотношение между генерируемой мощностью (киловатты) и скоростью ветра (метры в секунду).Кривая мощности скорости ветра меняется в зависимости от переменных, уникальных для каждой турбины, таких как количество лопастей, форма лопастей, рабочая площадь ротора и скорость вращения. Чтобы определить, сколько энергии ветра будет генерироваться конкретной турбиной в конкретном месте расположения, кривую мощности ветра турбины необходимо связать с частотным распределением скорости ветра для этого места. Распределение частоты скорости ветра представляет собой гистограмму, представляющую классы скорости ветра и ожидаемую периодичность часов в году для каждого класса скорости ветра.Данные для этих гистограмм обычно предоставляются измерениями скорости ветра, собранными на месте и используемыми для расчета количества часов, наблюдаемых для каждого класса скорости ветра.

Приблизительную оценку годового производства электроэнергии в киловатт-часах в год на объекте можно рассчитать по формуле, умножающей среднегодовую скорость ветра, площадь охвата турбины, количество турбин и коэффициент, оценивающий производительность турбины на объекте. Однако дополнительные факторы могут снизить годовые оценки производства энергии в разной степени, включая потери энергии из-за расстояния передачи, а также доступность (то есть, насколько надежно турбина будет вырабатывать энергию при дующем ветре).К началу 21 века большинство коммерческих ветряных турбин работали с готовностью более 90 процентов, а некоторые даже работали с уровнем готовности 98 процентов.