Jelenleg számos szélturbina-rendszer létezik vízszintes és függőleges forgástengellyel is. Nemcsak megjelenésükben és kialakításukban különböznek egymástól, hanem műszaki képességeikben is, attól függően, hogy milyen célra használják őket. A szélenergia-vevő kialakítása és a légáramlásban való elhelyezkedése alapján több szélmotor-rendszert különböztetnek meg.
A körhinta és dob típusú szélturbinákról már volt szó. Ismeretes az úgynevezett rotációs szélmotor is (23. ábra). Lapátjai, mint egy körhinta szélturbina, vízszintes síkban forognak, és függőleges tengelyt hajtanak meg.
Rizs. 23. Rotációs szélturbina
Manapság elterjedtek a lapátos szélturbinák, amelyek legrégebbi típusa a közönséges szélmalmok. Minden lapátos szélturbina fő része a szélkerék. Több pengéből áll, és a szél hatására forog. A szélturbina fejére szerelt kúpkerékpár segítségével (24. ábra) a kerék forgása a függőleges tengely gyorsabb mozgásává, vagy a hajtórúd oda-vissza mozgásává alakul át.
Rizs. 24. Lapátos szélturbina vázlata
A fej és a szélkerék szélbe forgatásához a szélmalmoknak hordozója van, a modern kis szélturbináknak pedig függőleges farokkal a vége. A nagy lapátos szélturbinák más, bonyolultabb mechanizmusokkal is rendelkeznek, amelyek automatikusan hozzáigazítják a szélkereket a szélhez. Annak biztosítására, hogy a szélkerék forgási sebessége ne haladja meg a maximumot, van egy speciális eszköz a sebesség automatikus szabályozására.
Általában a föld felszínén a különböző akadályok miatti légáramlás egyenetlen, gyengül, ezért a szélkereket magas árbocra vagy toronyra, az akadályok fölé szerelik.
A szélkerekek kialakítása alapján a modern lapátos szélturbinákat nagy sebességűekre és alacsony sebességűekre osztják.
Alacsony fordulatszámú szélturbinában a szélkerék nagyszámú lapátból áll (25. ábra). Könnyen mozog. Ennek köszönhetően az alacsony sebességű szélturbina kényelmesen használható dugattyús szivattyúval és más olyan gépekkel, amelyek nagy kezdeti erőt igényelnek az indításkor.
Rizs. 25. Modern többlapátos szélturbina TB-5 2,5 lóerőig
A kis sebességű szélturbinákat főként olyan területeken használják, ahol az átlagos szélsebesség nem haladja meg a 4,5 métert másodpercenként. A többlemezes szélturbinák összes mechanizmusa általában valamivel egyszerűbb, mint a nagy sebességűek. A kis sebességű szélturbinák szélkerekei azonban meglehetősen terjedelmes szerkezetek. Az ilyen kerekek nagy mérete miatt nehéz megteremteni a szükséges stabilitást, különösen nagy szélsebesség esetén. Ezért jelenleg több lapátos szélturbinákat építenek, amelyek átmérője nem haladja meg a 8 métert. Egy ilyen szélturbina teljesítménye eléri a 6 lóerőt. Ez a teljesítmény elég ahhoz, hogy vizet szállítson a felszínre akár 200 méter mély kutakból is.
A nagysebességű szélturbináknak legfeljebb négy szárnya van, áramvonalas profillal a szélkerékben (lásd például a 27. ábrát).
Rizs. 27. 1-D-18 szélturbina, legfeljebb 30 kilowatt teljesítménnyel
Ez lehetővé teszi számukra, hogy jól ellenálljanak a nagyon erős szélnek. A jól megtervezett vezérlőmechanizmusok még erős és viharos szélben is egyenletes forgást biztosítanak a nagy sebességű szélturbinák szélkerekei között.
A nagy sebességű szélturbinák ezen pozitív tulajdonságai lehetővé teszik, hogy bármilyen erősségű változó szélben működjenek.
Ezért nagy sebességű szélturbinák építhetők nagyon nagy szélkerékátmérővel, elérik az ötven métert vagy még több métert, és több száz lóerős teljesítményt fejtenek ki.
A szélkerekek nagy és stabil egyenletessége miatt a nagy sebességű szélmotorokat sokféle gép és elektromos generátor meghajtására használják. A modern, nagy sebességű szélturbinák univerzális gépek.
Kényelmes összehasonlítani a különböző rendszerek szélmotorjait a normál sebesség fogalmának bevezetésével. Ezt a sebességet a forgó lapát külső végén 8 méter/s szélsebesség melletti kerületi sebesség és a légáramlási sebesség aránya határozza meg.
A körhinta-, forgó- és dobszélmotorok lapátjai működés közben a légáramlás mentén mozognak, és egyetlen pont sebessége sem lehet nagyobb, mint a szélsebesség. Ezért az ilyen típusú szélturbinák normál sebessége mindig kisebb lesz egynél (mivel a számláló kisebb lesz, mint a nevező).
A szárnyas szélturbinák szélkerekei a szél irányába keresztben forognak, ezért szárnyuk végrészeinek mozgási sebessége nagy értékeket ér el. Ez többszöröse lehet a légáramlás sebességének. Minél kevesebb a penge és minél jobb a profiljuk, annál kisebb ellenállást tapasztal a szélkerék. Ez azt jelenti, hogy minél gyorsabban forog. A modern lapátos szélturbinák legjobb példáinak normál sebessége akár kilenc egység is lehet. A legtöbb gyárilag gyártott szélturbina 5-7 darabos fordulatszámú. Összehasonlításképpen megjegyezzük, hogy a legjobb paraszti malmok is mindössze 2-3 egységnyi fordulatszámmal rendelkeztek (és ebben az értelemben fejlettebbek, mint a körhinta-, forgó- és dobszélmotorok).
Ahogy a szélkeréken lévő lapátok száma növekszik, úgy nő a képessége, hogy kis szélsebesség mellett elmozduljon. Ezért a többlapátos szárnyas szélmotorok, amelyekben a lapátok teljes területe a szélkerék söpört felületének 60-70 százaléka (lásd 20. ábra), 3-3,5 méteres szélsebességgel lépnek működésbe. másodpercenként.
Rizs. 20. Gantry malom
A kis lapátszámú, nagy sebességű szélturbinák 4,5-6 méter/s szélsebességgel indulnak. Ezért vagy terhelés nélkül, vagy speciális eszközök segítségével kell üzembe helyezni őket.
A körhinta, forgó és dobos szélturbinák jó indulása és tervezésének egyszerűsége sok feltalálót és tervezőt magával ragad, akik ideális szélturbinának tartják őket. A valóságban azonban ezeknek a gépeknek számos jelentős hátránya van. Ezek a hátrányok megnehezítik a használatukat még olyan általános és egyszerű gépeknél is, mint a dugattyús szivattyúk és sorjamarók.
A rotoros szélenergia vevővel felszerelt szélturbinák nagyon rosszul használják fel a légáramlási energiát, szélenergia-hasznosítási együtthatójuk 2-2,5-szer kisebb, mint a lapátos szélturbináké. Ezért a lapátos szélturbinák a lapátokkal egyenlő felületeken 2-2,5-szer nagyobb teljesítményt tudnak kifejleszteni, mint a körhinta-, forgó- és dobos szélerőművek.
A rotoros szélturbinákat jelenleg csak kis kézműves berendezések formájában használják, legfeljebb 0,5 lóerős teljesítménnyel. Például különféle szellőzőberendezések meghajtására használják állattartó épületekben, kohókban és más mezőgazdasági termelési területeken.
Mi határozza meg a szélturbina teljesítményét?
Tudjuk, hogy a légáramlás energiája nem állandó, így minden szélturbina változó teljesítményű. Bármely szélturbina teljesítménye a szél sebességétől függ. Megállapítást nyert, hogy a szélsebesség megduplázódása esetén a szélturbina szárnyainak teljesítménye 8-szorosára, a légáramlás sebességének háromszorosára nő a szélturbina teljesítménye 27-szeresére.
A szélturbina teljesítménye a szélenergia vevő méretétől is függ. Ebben az esetben arányos a szélkerék vagy a forgórész lapátjai által söpört területtel. Például a lapátos szélturbináknál a lapátok által söpört felület annak a körnek a területe lesz, amely egy teljes fordulattal leírja a lapát végét. Dob-, körhinta- és forgószélturbináknál a lapátok által söpört felület egy téglalap területét képviseli, amelynek magassága megegyezik a lapát hosszával, és szélessége megegyezik a szemközti lapátok külső élei közötti távolsággal.
Bármely szélkerék vagy forgórész azonban a lapátok által söpört felületen áthaladó légáram energiájának csak egy részét alakítja át hasznos mechanikai munkává. Az energia ezen részét a szélenergia hasznosítási tényező határozza meg. A szélenergia hasznosítási tényező értéke mindig kisebb egynél. A legjobb modern, nagy sebességű szélturbinák esetében ez az együttható eléri a 0,42-t. Soros gyári nagy- és kissebességű szélturbináknál a szélenergia hasznosítási tényező általában 0,30-0,35; ez azt jelenti, hogy a szélturbinák szélkerekein áthaladó légáram energiájának hozzávetőleg csak egyharmada válik hasznos munkává. Az energia fennmaradó kétharmada felhasználatlan marad.
G. X. Sabinin szovjet tudós számítások alapján megállapította, hogy még egy ideális szélturbina szélenergia-hasznosítási együtthatója is csak 0,687.
Miért nem lehet ez az együttható egyenlő vagy közel egyhez?
Ez azzal magyarázható, hogy a szélenergia egy részét a lapátoknál örvényképződésre fordítják, és a szélkerék mögött csökken a szélsebesség.
Így a szélturbina tényleges teljesítménye a szélenergia hasznosítási tényezőtől függ. A szélturbina teljesítménye arányos az értékével. Ez azt jelenti, hogy a szélenergia hasznosítási arányának növekedésével a szélturbina teljesítménye nő, és fordítva.
Az egyszerű lapátos dobos, forgó és forgó szélturbinák szélenergia-felhasználási aránya nagyon alacsony. Értékük 0,06 és 0,18 között változik. A lapátos motoroknál ez az együttható 0,30 és 0,42 között van.
Ezenkívül bármely szélturbina hasznos teljesítménye arányos az átviteli mechanizmus hatékonyságával, valamint a levegő sűrűségével. A modern szélturbina mechanizmusok hatékonysága jellemzően 0,8-0,9.
A szélturbina teljesítményéről elmondottakból az következik, hogy adott szél esetén az a szélturbina lesz nagyobb teljesítményű, amelyben a legnagyobb mennyiségű légáram a szárnyak és a lapátok által sodort felületen áramlik át. a szélkerék jól áramvonalas profillal rendelkezik.
Sokan érdeklődnek a szélenergia iránt. Ennek az érdeklődésnek az okai különbözőek: egyesek számára ez azon kevés lehetőség egyike, hogy otthonukat elektromos árammal látják el; valaki a szélmalmot tartalék áramforrásnak tekinti; mások teljes függetlenséget akarnak szerezni a központi elektromos hálózatoktól. Ma van egy ilyen lehetőség - szélgenerátort és nem túl bonyolult segédberendezéseket kell telepíteni a helyszínen. Azonban még mindig vannak olyan árnyalatok, amelyekről előre tudnia kell.
A szél kinetikus energiája elektromos, mechanikai vagy hőenergiává alakítható. Így a szél segítségével nemcsak egy házat lehet árammal ellátni, hanem például a kútból vizet emelni anélkül, hogy a széláramlás mozgási energiája közbenső módon elektromos energiává alakulna át.
Egy-egy esetben szükség lesz egy szélerőműre, amely energiaátalakítóval és akkumulátorral felszerelt szélturbinát tartalmaz. Az energiaátalakító lehet elektromos generátor, hidraulika szivattyú, kompresszor. Például, ha egy szélerőmű csak öntözésre szolgál, akkor nincs értelme először villamos energiát kapni, majd azt elektromos szivattyúk meghajtására használni. Egy extra láncszem az energiaátalakításban csökkenti a szélerőmű hatékonyságát. A gazdasági gyakorlatban csak kétféle átalakítót használnak - elektromos és mechanikus (vízszivattyúzáshoz). Az első esetben a fogyasztók által felhasznált elektromos energia felhalmozódásáról beszélünk; a másodikban a szélszivattyúkról, amelyek biztosítják a szükséges nyomást a csepegtető öntözőrendszerekben, az öntözőrendszerekben és a háztartási vízellátó rendszerekben.
A szélturbinák típusai
Bármely szélturbinának vannak lapátjai, amelyek széllel rendelkeznek, elnyelik a szél áramlásának kinetikus energiájának egy részét. Ezeknek a lapátoknak az alakja és a szélkerék kialakítása eltérő lehet. A szélturbináknak három fő típusa van: lapátos (hasonló a propellerhez), forgórész (körhinta) és dob. A legelterjedtebbek a szélkerék szárnyas munkarészei, amelyek forgástengelye vízszintesen helyezkedik el. Részesedésük a szélturbinák teljes számának legalább 90%-a.
Ezek a „szélmalmok” nagy számban találhatók Európában, és főleg Hollandiában. A múlt század közepén indult szélenergia-projektek ebben az országban már sokszorosan megtérültek. Ellentétben azzal a közhiedelemmel, hogy egy szélerőmű nem képes elegendő villamos energiát termelni ahhoz, hogy a telepítési és karbantartási költségeket fedezze, Hollandiában egész falvakat látnak el kizárólag szélturbinákkal. Egy nagy teljesítményű szélerőmű több száz(!) nyaraló teljes áramellátását képes biztosítani. Az ilyen telepítés szélturbinája egy nagyon erős és stabil szerkezetre van felszerelve, amely 15-20 méter mélyen betemetett masszív vasbeton födémre épül. Mint egy fagyökér, magas tornyot tart fel, melynek belsejében egy létra található, amely lehetővé teszi a szélturbina szervizelését. Nem használnak striákat.
Lapátos szélturbinák szélkerékből, fejből, orientációs mechanizmusból (farokból) és toronyból (vagy árbocból, mérettől függően) áll.
Egy szélkerék egy-nyolc vagy több lapáttal is felszerelhető. A szélturbinákat számuk szerint nagy sebességűre (4 lapátig), közepes sebességre (4...8 lapátos) és alacsony sebességre (8 lapátostól) osztják.
A fej úgy van kialakítva, hogy a torony függőleges tengelye körül tudjon forogni. Alakja a szélturbina teljesítményétől és céljától függ – viszont olyan tényezőktől, amelyek meghatározzák az átviteli mechanizmus rendszerét, kialakítását és a fokozatok számát.
A farok szélkakasként működik, és elfordítja a fejét a szélben. Felülete a szélkerék lapátjainak aerodinamikai paramétereitől függ.
A torony minden akadály fölé emeli a szélturbinát, amely csökkenti a szél nyomásáramát, és biztosítja a lapátok forgásának biztonságát is. Amikor a szél sebessége meghaladja a 35-45 m/s-ot, a fékrendszer működésbe lép, teljesen leállítva a szélturbinát.
A légcsavar szélkerék lapátjainak száma a szélerőmű telepítési helyének átlagos szélsebességétől függ. Nyílt területeken, tenger- és óceánparton kislapátú szélmotorokat használnak, amelyek beindításához minimum 5-8 m/s szélsebesség szükséges. Ezek a legegyszerűbb szélturbinák, amelyek nagy hatásfokkal rendelkeznek, de sok zajt keltenek.
Azokon a területeken, ahol a szélsebesség ritkán haladja meg az 5 m/s-t, általában több lapátos szélturbinák telepítése javasolt. Szinte hangtalanul működnek, de hatékonyságuk is kisebb, mint a kispengéjűeknek; Ráadásul a többlapátos szélturbinák gyártásához több anyagra van szükség, mert Az ilyen típusú szélturbinák működése során megnövekedett giroszkópos terhelést tapasztalnak.
Forgó szélturbinák(más néven körhinta) szintén egyszerű kialakításúak, de sokkal alacsonyabb hatásfokkal rendelkeznek - maximum 18%. A probléma a használatukkal az is, hogy meglehetősen ritka, többpólusú elektromos generátorokat használnak. A forgó szélturbináknak van egy függőleges forgástengelye és lapátjai, amelyek vitorlaként működnek. Az ilyen típusú szélturbinák egyik előnye az orientációs mechanizmus hiánya. A függőleges forgástengely lehetővé teszi a rotor szélkerék biztonságos használatát alacsony toronymagasságban. Az ilyen szélturbinák alacsony szélsebességgel indulnak, és nem adnak zajt. A forgó szélturbinák fő hátránya az alacsony szélhasznosítási tényező, mivel a lapátok csak egy része vesz részt folyamatosan a működésben; a többiek vagy legyőzik a szélellenállást, vagy esernyővel (burkolattal) elszigetelik tőle.
Az elmúlt évtizedben a szélerőművek (WPP) piaca jelentősen bővült, elsősorban a tanyákban és gazdaságokban használható kompakt modellekkel. Alacsony 2,5...3 m/s kezdeti szélsebességre és 6...17 m magasságban szélturbina beépítésére tervezték.A névleges villamos energia már 6...8 m magasságban keletkezik /s (szélturbina fordulatszáma 250...300 ford./perc).
Szélgenerátorok munka közben
A szélsebesség nem állandó, ezért az átalakítóból nem lehet „tiszta” áramot nyerni stabil paraméterekkel. A generátor általában 0...56 V feszültséget állít elő. A generált „piszkos” energiát a szélturbinával felszerelt akkumulátorok halmozzák fel, ami biztosítja a rendszer zavartalan működését. Erős szél esetén a berendezés maximális teljesítménnyel működik, és energiát tárol a későbbi felhasználásra, hogy szélcsendes vagy gyenge szél esetén felszabadítsa. A napelemeket gyakran szélturbinával együtt használják az akkumulátorok töltésére nyáron, amikor különösen gyenge a szél.
Az akkumulátorok egyenáramának 220V/50 Hz paraméterű váltakozó árammá alakításához a szélturbinákat inverterekkel szerelik fel.
A csúcsterhelések leküzdése érdekében a szélturbinákat kiegészítő villamosenergia-forrásokkal, például dízel- és benzingenerátorokkal, valamint (kiegészítőként) központi áramhálózattal kombinálják.
Az egyes kis teljesítményű szélerőművek fokozatosan olcsóbbá és hatékonyabbá válnak. Ugyanakkor nőnek a kilátások magánlakásokban és gazdaságokban történő felhasználásukra. Például a távoli területeken található nyaralóknál fontos, hogy legyen egy 20-50 kW teljesítményű autonóm szélerőmű, amely minden más forrás hiányában garantálja a fő elektromos berendezések működését.
Szélszivattyúk
Az emberek régen megtanulták a szél segítségével vizet emelni a mélyből, de ez a módszer ma sem merül feledésbe, különösen ott, ahol nem állnak rendelkezésre áramforrások. A találmány ötlete egyszerű - szélenergiával vízszivattyút hajtani.
A szélszivattyúk a legelterjedtebbek az Egyesült Államokban. Egykor ők döntötték el az ország gazdaságának sorsát, mára pedig egyfajta vallási épületté is váltak egy amerikai tanya hagyományos környezetében.
A posztszovjet térben a szélszivattyúk ritkaságnak számítanak, bár a 80-as évek közepén a kertészeti fellendülés idején népszerűségük nőtt. A körülmények kényszerítették. Napjainkban előfeltételek is kialakulnak a már elfeledett „Százszorszépek” és „Vízöntő” felé forduláshoz, hiszen évről évre nő a villamos energia részaránya a növényi termékek árában.
A „Romashka” szélmechanikus egységet az NPO Vetroen fejlesztette ki. Rajzai először a „Modelist-Konstruktor” folyóiratban jelentek meg 1988-ban, amely felvázolta a szélszivattyú saját készítésének irányelveit.
Mindkét egység a legegyszerűbb kialakítású. Úgy tervezték, hogy akár 8 m mélységből szívják fel a vizet, és 3 m/s szélsebesség mellett is működjenek. A „Romashka” szélkerék 12 lapáttal rendelkezik, és a szivattyú membránját egy bütyökkaros mechanizmuson keresztül hajtja meg, egy függőleges rúddal, amely a szélturbina tartójában halad át.
A Romashka szélszivattyú 5 m/s szélsebességgel 8 méter mélységben 300 liter vizet emel óránként, és akár 10 méteres magasságba is képes szállítani. A csepegtető öntözőrendszerrel párosítva ez az egység valódi lehetőséget nyújt a távoli területeken kerti növények termesztésére, ha van tározó vagy akár 8 méter mély kút.
olyan eszköz, amely a szélenergiát forgási energiává alakítja. A szélturbina fő munkarésze egy forgó egység - egy kerék, amelyet a szél hajt és mereven csatlakozik egy tengelyhez, amelynek forgása hasznos munkát végző berendezéseket hajt meg. A tengely vízszintesen vagy függőlegesen is felszerelhető. A szélturbinákat általában időszakosan fogyasztott energia előállítására használják: víz tartályba szivattyúzásakor, gabona őrlésekor, ideiglenes, vészhelyzeti és helyi áramellátó hálózatokban. Történelmi hivatkozás. Bár a felszíni szelek nem mindig fújnak, változtatják irányukat és erejük sem állandó, a szélturbina az egyik legrégebbi természetes forrásból származó energianyerési gép. A szélturbinákról szóló ősi írásos beszámolók megkérdőjelezhető megbízhatósága miatt nem teljesen világos, mikor és hol jelentek meg először az ilyen gépek. De egyes feljegyzésekből ítélve már a 7. század előtt is léteztek. HIRDETÉS Ismeretes, hogy Perzsiában a 10. században használták, Nyugat-Európában pedig a 12. század végén jelentek meg az első ilyen típusú készülékek. A 16. század folyamán. Végül kialakult a holland szélmalom sátoros típusa. Kialakításukban jelentős változás a 20. század elejéig nem volt megfigyelhető, amikor is a kutatások eredményeként a malomszárnyak formái és bevonatai jelentősen javultak. Mivel a kis sebességű gépek nehézkesek, a 20. század második felében. nagy sebességű szélturbinákat kezdett építeni, i.e. azok, akiknek szélkerekei percenként nagy fordulatszámot tudnak megtenni a szélenergia nagy hatásfokával. A szélturbinák modern típusai. Jelenleg a szélturbinák három fő típusát használják - dobos, szárnyas (csavaros) és rotoros (S-alakú repellerprofillal). Dob és lapát. Bár a dob típusú szélkerék rendelkezik a legalacsonyabb szélenergia-felhasználással a többi modern repellerhez képest, ez a legszélesebb körben alkalmazott. Sok gazdaság vízszivattyúzásra használja, ha valamilyen oknál fogva nincs hálózati áram. Az 1. ábrán egy ilyen lemezlapátos kerék tipikus formája látható. A dob és lapát típusú szélkerekek vízszintes tengelyen forognak, ezért a legjobb teljesítmény elérése érdekében szélbe kell fordítani őket. Ehhez kapnak egy kormányt - egy függőleges síkban elhelyezett pengét, amely biztosítja, hogy a szélkerék szélbe forduljon. A világ legnagyobb lapátos szélturbinája kerekének átmérője 53 m, lapátjának legnagyobb szélessége 4,9 m. A szélkerék közvetlenül kapcsolódik egy 1000 kW teljesítményű elektromos generátorhoz, amely legalább 48 km/h szélsebesség mellett fejlődik. Lapátjai úgy vannak beállítva, hogy a szélkerék forgási sebessége állandó és 30 ford./perc maradjon a 24 és 112 km/h közötti szélsebesség tartományban. Tekintettel arra, hogy azon a területen, ahol ilyen szélturbinák találhatók, meglehetősen gyakran fújnak a szelek, a szélturbina jellemzően maximális teljesítményének 50%-át állítja elő, és táplálja a nyilvános villamosenergia-hálózatot. A lapátos szélturbinákat széles körben használják távoli vidéki területeken a gazdaságok elektromos ellátására, beleértve a rádiókommunikációs rendszerek akkumulátorainak töltését is. Repülőgépek és irányított rakéták fedélzeti meghajtórendszereiben is használják őket. S alakú rotor. A függőleges tengelyre szerelt S-alakú rotor (2. ábra) azért jó, mert egy ilyen repellerrel ellátott szélturbinát nem kell szélbe vinni. Bár a tengelyén a nyomaték a minimumtól a maximum egyharmadáig változik félfordulatonként, ez nem függ a szél irányától. Amikor egy sima körhenger szél hatására forog, a szél irányára merőleges erő hat a henger testére. Ezt a jelenséget Magnus-effektusnak nevezik, az azt tanulmányozó német fizikus után (1852). A. Flettner 1920-1930-ban forgó hengereket (Flettner-rotorokat) és S-alakú rotorokat használt a lapátos szélkerekek helyett, valamint egy Európából Amerikába és vissza áttérő hajó hajtóműveként. A szélenergia felhasználási aránya. A szélből nyert teljesítmény általában kicsi - 4 kW-nál kevesebbet fejleszt egy elavult típusú holland szélmalom 32 km/h szélsebességgel. A széláramlás felhasználható ereje az egységnyi idő alatt egy adott méretű területre merőlegesen elsöprő légtömegek mozgási energiájából alakul ki. A szélturbinában ezt a területet a repeller szél felőli felülete határozza meg. Figyelembe véve a tengerszint feletti magasságot, a rá nehezedő légnyomást és hőmérsékletét, az egységnyi területre eső N (kW-ban) rendelkezésre álló teljesítményt az N = 0,0000446 V3 (m/s) egyenlet határozza meg. A szélenergia hasznosítási együtthatót általában a szélturbina tengelyén kialakult teljesítmény és a szélkerék szél felőli felületén ható széláramlás rendelkezésre álló teljesítményének arányaként határozzák meg. Ez az együttható a szélkerék lapátjának w külső élének sebessége és az u szélsebesség közötti bizonyos aránynál válik maximálissá; ennek a w/u aránynak az értéke a szélturbina típusától függ. A szélenergia hasznosítási együttható a szélkerék típusától függ, és 5-10% (holland malom lapos szárnyakkal, w/u = 2,5) és 35-40% (profilozott szárnyriasztó, 5 × w/u × 10) között mozog. .
Az energiatermelés nem megújuló természeti erőforrások felhasználásával történő növekedését korlátozza az a küszöb, amelyen túl a teljes nyersanyag-termelés megtörténik. Az alternatív energia, beleértve a szélenergia-termelést is, csökkenteni fogja a környezet terhelését.
Bármilyen tömeg mozgása, beleértve a levegőt is, energiát termel. A szélturbina a légáram mozgási energiáját mechanikai energiává alakítja. Ez az eszköz a szélenergia alapja, alternatív irány a természeti erőforrások felhasználásában.
Hatékonyság
Meglehetősen egyszerű egy bizonyos típusú és kialakítású egység energiahatékonyságát értékelni, és összehasonlítani a hasonló motorok teljesítményével. Meg kell határozni a szélenergia hasznosítási tényezőt (WEF). Kiszámítása a szélturbina tengelyén kapott teljesítmény és a szélkerék felületén ható széláram teljesítményének aránya.
A szélenergia hasznosítási aránya különböző létesítményeknél 5-40%. Az értékelés hiányos lesz, ha nem veszi figyelembe a létesítmény tervezési és kivitelezési költségeit, valamint a megtermelt villamos energia mennyiségét és költségét. Az alternatív energiákban fontos tényező a szélturbinák költségeinek megtérülési ideje, de figyelembe kell venni az ebből fakadó környezeti hatást is.
Osztályozás
A szélturbinákat a megtermelt energia felhasználásának elvei alapján két osztályba osztják:
lineáris;
ciklikus.
Lineáris típus
A lineáris vagy mobil szélturbina a légáramlás energiáját mechanikus mozgási energiává alakítja. Ez lehet vitorla vagy szárny. Mérnöki szempontból ez nem szélturbina, hanem meghajtó berendezés.
Ciklikus típus
Ciklikus motoroknál maga a ház álló helyzetben van. A légáram forog, ciklikus mozgásokat végez, munkarészei. A mechanikus forgási energia a legalkalmasabb villamos energia előállítására, amely egy univerzális energiaforma. A ciklikus szélmotorokhoz szélkerekek is tartoznak. A szélkerekek az ősi szélmalmoktól a modern szélerőművekig különböznek a tervezési megoldásokban és a légáramlási teljesítmény teljes kihasználásában. A készülékek nagy sebességűre és kis sebességre, valamint a rotor forgástengelyének vízszintes vagy függőleges iránya szerint vannak felosztva.
Vízszintes
A vízszintes forgástengelyű szélturbinákat lapátos motoroknak nevezzük. A forgórész tengelyéhez több penge (szárny) és egy lendkerék van rögzítve. Maga a tengely vízszintesen helyezkedik el. A készülék fő elemei: szélkerék, fej, farok és torony. A szélkerék egy függőleges tengely körül forgó fejbe van felszerelve, amelyben a motor tengelye és a sebességváltó mechanizmusok találhatók. A farok szélkakas szerepét tölti be, a fejet a szélkerékkel a szél áramlásának irányával ellentétes irányba fordítva.
Nagy légáramlási sebességeknél (15 m/s és nagyobb) a nagy sebességű vízszintes szélturbinák alkalmazása ésszerű. A vezető gyártók két- és háromlapátos egységei 30%-os KIEV-t biztosítanak. Egy saját készítésű szélturbina légáram kihasználtsága akár 20%. A készülék hatékonysága a gondos számítástól és a pengék gyártási minőségétől függ.
A lapátos szélturbinák és szélturbinák nagy tengelyforgási sebességet biztosítanak, ami lehetővé teszi a teljesítmény közvetlen átvitelét a generátor tengelyére. Jelentős hátránya, hogy gyenge szélben az ilyen szélturbinák egyáltalán nem működnek. Indítási problémák lépnek fel, amikor a szélcsendről a megnövekedett szél felé haladunk.
Az alacsony fordulatszámú vízszintes motorok nagyobb számú lapáttal rendelkeznek. A légáramlással való jelentős kölcsönhatási terület hatékonyabbá teszi őket gyenge szélben. A létesítmények azonban jelentős széllel rendelkeznek, ami megköveteli, hogy megvédjék őket a széllökésektől. A legjobb KIEV mutató 15%. Az ilyen berendezéseket ipari méretekben nem használják.
Függőleges körhinta típus
Az ilyen eszközökben a lapátokat a kerék (rotor) függőleges tengelyére szerelik fel, hogy fogadják a levegőáramlást. A ház és a lengéscsillapító rendszer biztosítja, hogy a szél áramlása a szélkerék egyik felét elérje, és az ebből eredő erőkifejtés nyomatéka biztosítja a forgórész forgását.
A lapátos egységekhez képest a forgó szélturbina nagyobb nyomatékot generál. A levegő áramlási sebességének növekedésével gyorsabban éri el az üzemmódot (vonóerő tekintetében), és stabilizálódik a forgási sebesség tekintetében. De az ilyen egységek lassan mozognak. A tengely forgásának elektromos energiává alakításához speciális generátorra (multipólusra) van szükség, amely alacsony fordulatszámon képes működni. Az ilyen típusú generátorok nem túl gyakoriak. A sebességváltó-rendszerek használatát korlátozza az alacsony hatásfok.
A körhinta szélturbinát könnyebben lehet üzemeltetni. Maga a kialakítás biztosítja a rotor sebességének automatikus szabályozását, és lehetővé teszi a szél irányának nyomon követését.
Függőleges: ortogonális
A nagyüzemi energiatermeléshez az ortogonális szélturbinák és a szélturbinák a legígéretesebbek. Az ilyen egységek használati tartománya a szélsebesség tekintetében 5-16 m/s. Az általuk termelt teljesítményt 50 ezer kW-ra növelték. Az ortogonális lapát profilja hasonló a repülőgép szárnyaihoz. Ahhoz, hogy a szárny működni tudjon, levegőt kell rá adni, mint egy repülőgép felszállása során. A szélturbinát is először fel kell pörgetni, energiát költeni. Ha ez a feltétel teljesül, a telepítés generátor üzemmódba kapcsol.
következtetéseket
A szélenergia az egyik legígéretesebb megújuló energiaforrás. A szélturbinák és szélturbinák ipari felhasználásának tapasztalatai azt mutatják, hogy a hatásfok a szélgenerátorok kedvező légáramlású helyeken való elhelyezésétől függ. A modern anyagok felhasználása a blokkok tervezésében, az új villamosenergia-termelési és -tárolási sémák alkalmazása tovább javítja a szélturbinák megbízhatóságát és energiahatékonyságát.
Az összes szélturbina működési elve ugyanaz: a szél nyomása alatt egy lapátokkal ellátott szélkerék forog, amely egy erőátviteli rendszeren keresztül továbbítja a nyomatékot az áramot termelő generátor tengelyéhez, a vízszivattyúhoz. Minél nagyobb a szélkerék átmérője, annál nagyobb légáramlást fog fel, és annál több energiát termel az egység.
A szélturbinák hagyományos elrendezése vízszintes forgástengelyes (3. ábra).) jó megoldás kis méretű és teljesítményű egységekhez. Amikor a pengefesztávok nőttek, ez az elrendezés hatástalannak bizonyult, mivel különböző magasságokban a szél különböző irányokból fúj. Ebben az esetben nemcsak hogy nem lehet optimálisan tájolni az egységet a szélben, hanem fennáll a lapátok megsemmisülésének veszélye is. Ezen túlmenően, egy nagy berendezés pengéinek végei, amelyek nagy sebességgel mozognak, zajt keltenek. A szélenergia felhasználásának fő akadálya azonban továbbra is gazdasági jellegű - az egység teljesítménye kicsi marad, és a működési költségek aránya jelentősnek bizonyul. Az alacsony teljesítményű egységek körülbelül háromszor drágább energiát tudnak előállítani.
3. ábra - Lapátos szélturbina
Meglévő szélturbina rendszerek a szélkerék kialakítása és a széláramlásban elfoglalt helyzete szerint meg vannak osztva három osztály számára.
Első osztályú magában foglalja azokat a szélturbinákat, amelyekben a szélkerék függőleges síkban van elhelyezve; ebben az esetben a forgási sík merőleges a szél irányára, és ezért a szélkerék tengelye párhuzamos az áramlással. Az ilyen szélturbinákat ún szárnyas.
A sebesség a lapát hegye kerületi sebességének (ωR) és a V szélsebesség aránya:
|
A lapátos szélturbinák a GOST 2656-44 szerint, a szélkerék típusától és sebességétől függően, három csoportra oszthatók (4. ábra):
Ø többlapátos szélturbinák, kis sebességgel, nagy sebességgel Zn 2 GBP;
Ø kis lapátos, alacsony fordulatszámú szélmotorok, beleértve a szélmalmokat is, nagy sebességgel Zn> 2;
Ø szélturbinák kis lapátúak, nagy sebességűek, Zn³3.
4. ábra - Lapátos szélmotorok szélkerekeinek vázlata: 1 – többlapátos; 2–4 – kispengéjű
Co. második osztályos szélturbinás rendszereket tartalmaznak a szélkerék függőleges forgástengelyével . A konstruktív séma szerint csoportokra oszthatók:
- körhinta, amelyben a nem működő pengék vagy árnyékolóval vannak lefedve, vagy széllel szemben helyezkednek el (5. ábra, 1. tétel);
- forgó a Savonius rendszer szélturbinái.
NAK NEK Harmadik osztályos vízimalom kerék elvén működő és ún dobok ( 5. ábra, 7. tétel ) . Ezeknek a szélturbináknak vízszintes forgástengelye van, és merőlegesek a szél irányára.
5. ábra - A szélturbinák típusai: 1 – forgó; 2-3 sokkaréjos; 4–5 – kiskaréjos; 6 – ortogonális; 7 - dob
A körhinta és dobos szélturbinák fő hátrányai a szélkerék munkafelületeinek a széláramlásban való elrendezésének elvéből következik:
1. Mivel a kerék munkalapátjai a légáramlás irányában mozognak, a szélterhelés nem egyszerre hat az összes lapátra, hanem egyenként. Ennek eredményeként minden lapát időszakos terhelést szenved, és a szélenergia felhasználása nagyon alacsony, és nem haladja meg a 10%-ot.
2. A szélkerék felületeinek szél irányú mozgása nem teszi lehetővé nagy sebességek kialakulását, mivel a felületek nem tudnak gyorsabban mozogni a szélnél.
3. A légáramlás felhasznált részének (a sepert felület) méretei kicsik magának a keréknek a méreteihez képest, ami jelentősen megnöveli a szélmotor egységnyi beépített teljesítményére vetített tömegét.
Körhinta szélturbinák megvan az az előnye, hogy bármilyen szélirányban dolgozhatnak anélkül, hogy helyzetük megváltozna.
A Savonius rendszer rotoros szélturbinái rendelkeznek a legmagasabb, 18%-os szélenergia-hasznosítási rátával.
A lapátos szélturbinák mentesek a forgó- és dobszélturbinák fenti hátrányaitól. Az ebbe az osztályba tartozó szélturbinák fő előnyei a lapátos szélturbinák jó aerodinamikai tulajdonságai, a nagy teljesítményre való tervezési képesség, az egységenkénti viszonylag kis tömeg.
A lapátos szélturbinák kereskedelmi alkalmazása 1980-ban kezdődött. Az elmúlt 14 év során a szélturbinák teljesítménye százszorosára nőtt: az 1980-as évek eleji 20...60 kW-ról kb. 20 m-es rotorátmérővel 2003-ra 5000 kW-ra 100 m feletti rotorátmérővel (ábra 7.6).
A lapátos szélturbinák típusai csak a lapátok számában térnek el egymástól.
Lapátos szélturbinákhoz, amelynek legnagyobb hatásfoka akkor érhető el, ha a légáramlás merőleges a szárnylapátok forgási síkjára, szükség van a forgástengely automatikus forgatására szolgáló eszközre. Erre a célra stabilizáló szárnyat használnak.
A lapátos szélturbinák szélenergia-hasznosítási együtthatója (4. ábra) sokkal magasabb, mint a forgószélturbináké. Ugyanakkor a körhinta sokkal nagyobb nyomatékkal rendelkezik. A maximális érték a forgólapátos egységeknél nulla relatív szélsebesség mellett.
A járókerekes szélturbinák elterjedését forgási sebességük nagysága magyarázza. Közvetlenül elektromos áramfejlesztőhöz csatlakoztathatók, szorzó nélkül. A lapátos szélturbinák forgási sebessége fordítottan arányos a szárnyak számával, így a háromnál több lapáttal rendelkező egységeket gyakorlatilag nem használják.
Az aerodinamika különbsége előnyt jelent a forgóberendezéseknek a hagyományos szélturbinákkal szemben (7. ábra). A szélsebesség növekedésével gyorsan növelik vonóerejüket, ami után a forgási sebesség stabilizálódik. A körhinta szélturbinák alacsony fordulatszámúak, és ez lehetővé teszi egyszerű elektromos áramkörök használatát, például aszinkron generátorral, anélkül, hogy a véletlen széllökés miatti baleset veszélye állna fenn. A lassúság egy korlátozó követelményt támaszt - egy többpólusú generátor használata alacsony sebességgel. Az ilyen generátorokat nem használják széles körben, és a szorzók (Multiplier [lat. szorzó] - növekvő sebességfokozat) alkalmazása ez utóbbiak alacsony hatásfoka miatt nem hatékony.
A körhinta kialakításának még fontosabb előnye, hogy további trükkök nélkül képes figyelni „merre fúj a szél”, ami nagyon fontos a felszíni lehajlási áramlásokhoz. Ilyen típusú szélturbinákat építenek az USA-ban, Japánban, Angliában, Németországban és Kanadában.
A forgólapátos szélturbina a legkönnyebben kezelhető. Kialakítása biztosítja a maximális nyomatékot a szélturbina indításakor és a maximális forgási sebesség automatikus önszabályozását működés közben. A terhelés növekedésével a forgási sebesség csökken, a nyomaték pedig addig növekszik, amíg teljesen meg nem áll.
Amikor az áramlás kölcsönhatásba lép a pengével, a következő történik:
1) a szembejövő áramlás relatív sebességvektorával párhuzamos ellenállási erő;
2) a húzóerőre merőleges emelőerő;
3) az áramlás örvénye a penge körül;
4) az áramlás turbulizálása, azaz sebességének kaotikus zavarai nagyságrendben és irányban;
5) a szembejövő áramlás akadálya.
A szembejövő áramlás akadályát egy geometriai kitöltésnek nevezett paraméter jellemzi, amely megegyezik a lapátok áramlásra merőleges síkra való vetületének területének arányával az általuk söpört területre.
A szélerőművek fő osztályozási jellemzői a következő kritériumok alapján határozhatók meg:
1. Ha a szélkerék forgástengelye párhuzamos a légáramlással, akkor a beépítés vízszintes-tengelyirányú, ha a szélkerék forgástengelye merőleges a légáramlásra - függőleges-axiális.
2. Az ellenállási erőt forgató erőként használó létesítmények (húzógépek) általában a szélsebességnél kisebb lineáris sebességgel forognak, az emelőerőt alkalmazó létesítmények (felvonógépek) pedig a szélsebességnél lineáris sebességgel rendelkeznek. lényegesen nagyobb szélsebességű lapátokat.
3. A legtöbb telepítésnél a szélkerék geometriai kitöltését a lapátok száma határozza meg. A szélkerék nagy geometriai kitöltésével rendelkező szélturbinák viszonylag gyenge szélben jelentős teljesítményt fejlesztenek ki, és a maximális teljesítményt alacsony keréksebesség mellett érik el. Az alacsony töltöttségű szélturbinák nagy sebességnél maximális teljesítményt érnek el, és hosszabb ideig tart, amíg elérik ezt az üzemmódot. Ezért az első berendezéseket például vízszivattyúként használják, és alacsony szél esetén is működőképesek maradnak, míg a másodikakat elektromos generátorként használják, ahol nagy fordulatszámra van szükség.
4. A mechanikai munka közvetlen végzésére szolgáló berendezéseket gyakran szélmalomnak vagy turbinának nevezik, a villamosenergia-termelésre szolgáló létesítményeket, azaz a turbina és a villamos generátor kombinációját szélenergia-generátornak, levegőgenerátornak és energiaátalakítónak is nevezik. installációk.
5. Az erős energiarendszerhez közvetlenül csatlakoztatott levegőgenerátorok forgási sebessége az aszinkronizációs hatás miatt állandó, de az ilyen létesítmények kevésbé hatékonyan használják fel a szélenergiát, mint a változó fordulatszámú berendezések.
6. A szélkerék közvetlenül csatlakoztatható az elektromos generátorhoz (kemény csatolás), vagy egy köztes energiaátalakítón keresztül, amely pufferként működik. A puffer jelenléte csökkenti a szélkerék forgási sebességének ingadozásának következményeit, lehetővé téve a szélenergia és az elektromos generátor teljesítményének hatékonyabb felhasználását. Ezenkívül vannak részben leválasztott sémák a keréknek a generátorhoz történő csatlakoztatására, úgynevezett lágy csatolású. Így a nem merev csatlakozás a szélkerék tehetetlenségével együtt csökkenti a szélsebesség-ingadozások hatását az elektromos generátor kimeneti paramétereire. Ez a hatás a lapátoknak a szélkerék tengelyéhez való rugalmas csatlakoztatásával is csökkenthető, például rugós csuklópántokkal.
Szélkerék vízszintes tengellyel. Tekintsük a vízszintes tengelyű propeller típusú szélkereket. Az ilyen típusú kerekek fő forgatóereje az emelés. A szélre vonatkoztatva a szélkerék munkahelyzetben a tartótorony előtt vagy mögötte is elhelyezhető.
A szélerőművek általában két- és háromlapátos szélkerekeket használnak, ez utóbbiakat nagyon sima futás jellemzi. Az elektromos generátor és az azt a szélkerékkel összekötő sebességváltó általában a tartótorony tetején, a forgófejben található.
A többlapátos kerekeket, amelyek kis szélben nagy nyomatékot fejlesztenek ki, vízszivattyúzásra és egyéb célokra használják, amelyek nem igénylik a szélkerék nagy sebességű forgását.
Függőleges tengelyű szélerőművek (7. ábra). A függőleges forgástengelyű szélerőművek geometriájukból adódóan bármely szélirányban üzemi helyzetben vannak. Ezenkívül ez a séma lehetővé teszi a tengely egyszerű meghosszabbításával egy generátorral ellátott sebességváltó felszerelését a torony alján.
Az ilyen berendezések alapvető hátrányai: sokkal nagyobb érzékenységük a fáradtság meghibásodására a bennük gyakrabban előforduló önoszcillációs folyamatok és a nyomaték pulzálása miatt, ami a generátor kimeneti paramétereinek nem kívánt pulzációjához vezet. Emiatt a szélerőművek túlnyomó többsége vízszintes tengelyes kialakítással készül, de a különböző típusú függőleges tengelyű berendezések kutatása folytatódik.
A függőleges tengelyű telepítések leggyakoribb típusai:
1. Csésze rotor (szélmérő). Az ilyen típusú szélkerék ellenállási erő hatására forog. A tál alakú penge formája biztosítja a kerék fordulatszámának szinte lineáris függését a szél sebességétől.
2.Savonius rotor. Ez a kerék is ellenállással forog. Pengéi téglalap alakú vékony ívelt lapokból készülnek, azaz egyszerűek és olcsók. A forgatónyomaték a homorú és ívelt rotorlapátok által a légáramlás számára biztosított eltérő ellenállás miatt jön létre. A nagy geometriai töltetnek köszönhetően ez a szélkerék nagy nyomatékkal rendelkezik, és víz szivattyúzására szolgál.
3. RotorDarye. A nyomatékot a két vagy három aerodinamikai profilú vékony íves csapágyfelületen fellépő emelőerő hozza létre. Az emelőerő abban a pillanatban a legnagyobb, amikor a lapát nagy sebességgel keresztezi a szembejövő légáramot. A Daria rotort szélerőművekben használják. A rotor általában nem tud magától pörögni, ezért az indításhoz általában motor üzemmódban működő generátort használnak.
4.Musgroove Rotor. Ennek a szélkeréknek az üzemi állapotban lévő lapátjai függőlegesen helyezkednek el, de kikapcsolt állapotban képesek elfordulni vagy összecsukódni egy vízszintes tengely körül. A Musgrove rotoroknak különböző változatai vannak, de mindegyik leáll erős szélben.
5.Evans rotor. Ennek a rotornak a lapátjai egy függőleges tengely körül forognak vészhelyzetben és vezérlés közben.
7. ábra - Függőleges tengelyű szélerőművek
Hubok. A szélturbina teljesítménye a légáram energiájának felhasználási hatékonyságától függ. Ennek növelésének egyik módja a speciális légáramlás-koncentrátorok (erősítők) alkalmazása. Az ilyen koncentrátorok különféle változatait fejlesztették ki vízszintes tengelyű szélerőművekhez. Ezek lehetnek diffúzorok vagy keverők (terelők), amelyek a levegő áramlását a szélkerékhez irányítják a forgórész söpört területénél nagyobb területről, és néhány egyéb eszköz. A koncentrátorokat még nem használják széles körben az ipari létesítményekben.
