… народные ветряки! Rotating Header Image

ветроустановки

1182

Аэродинамика парусного ветроколеса

В отечественной аэродинамике рассматривающих (иногда) вопросы утилизации энергии ветровых потоков, абсолютно необоснованно введено ушлыми (именно так) предпринимателями определение “КИЭВ” – коэффициент использования энергии ветра.

Эта условная единица (для модели плоских ветров) призвана заменить обычный КПД. Данный “показатель”притянут в теорию слабых потоков за уши (по аналогии и методе цикла Карно) – простой подменой температурных величин – скоростями обтекания. Но 1 градус (по любой шкале), и в Африке равен все тому же 1 градусу. А вот скорости обтекания разных объектов (крыло и кирпич) – отличаются.

Математически верная логика термодинамических процессов призвана описывать циклы имеющие конечный (базовый) потенциал располагаемой энергии и позволяет определить следующее: если Вы имеете тепловую машину мощностью 100 л.с. (при КПД 30%), то реально на полезную работу приходится всего – 30 л.с. Иначе: эти 30% и являются полной (100%) – располагаемой (реально имеющейся в наличии) мощности для данной конструкции. Для тепловых машин – лучшего инструментария пока нет.

Иначе все в практической аэродинамике. Для определения разности давлений (над крылом и под крылом) используется количество движения которое определяется как скорость объекта при движении в воздухе, или движение воздуха в котором находится объект. Следовательно, давно постулированное г.Бернулли утверждение о зависимости давления от скорости здесь уместно, а это значит, что в конечном счете аэродинамический К зависит от разности давлений, – именно поэтому объект перемещается из области повышенного давления в область пониженного давления.Заглянем в атлас (любой) авиационных профилей, и обратим внимание на скорость потоков обтекания профиля при которых перепад давлений максимальный. Они (скорости) все без исключения лежат в области расположенной гораздо ВЫШЕ чем скорость имеющегося в наличии повседневного ветра (3м/сек).

Можно ли в здравом уме применять в малом диапазоне ветров (скоростей обтекания) данную методу, не имея результатов реальной продувки? Оказывается “можно” – имея на вооружении модель плоского ветра, “теоретики”разных рангов доказывают, что лопастные ветроколеса более полно утилизируют энергию малых ветров. А будет ли вообще вращаться “лопастник” на слабых ветрах? Разумеется нет, как нет и повода даже думать о применении лопастников на территории СНГ в качестве альтернативных источников энергии утилизирующих слабые потоки, – из практики известно что на повседневных ветрах СНГ лопастники не работают, никогда не работали и работать не будут. Для этого надо принудительно вращать лопастное ветроколесо, или… ждать когда Всевышний ниспошлет сильный ветер.

Парусники работают – во всем диапазоне ветров

Проектировщики (мощных) лопастных быстроходных ветроколес довольно грамотно используют ветра. Начиная со скорости 10м/сек. – комлевая (широкая) часть лопасти движет лопасть (как парус), а при наличии сильного ветра концевые профили (достигая больших скоростей) используют уже появившиеся высокие скорости потоков обтекания. Вполне разумно. Достаточно практично. Именно на больших скоростях обтекания и необходимо профилировать и “закручивать” (по размаху) лопасть. Вот только располагаемая мощность – (энергия воздушного потока) приходящая на ВСЮ ометаемую площадь распределяется так: центральная часть лопастного колеса – двигатель, а периферийная часть – преобразователь энергии (уже высоких) скоростей ветра в крутящий момент на валу генератора.

Двойное преобразование располагаемой энергии позволяет превосходно использовать энергию ветра от 10-12 метров в секунду, решая заодно проблему быстроходности генераторов. Задача парусного ветроколеса, – использовать всю располагаемую мощность приходящую на ометаемую площадь. Поскольку полезную работу могут произвести только реальные силы, рождающиеся при срабатывании ПЕРЕПАДА давлений, то «разбор полетов» необходимо производить инструментами привычными скорее для аэростатики, а не для аэродинамики.  (далее…)

Сухопутная парусная флотилия

Без энергии невозможна никакая деятельность каждого человека в отдельности и человечества в целом. По сути дела, любая деятельность человека является деятельностью экономической, так как экономика – это процесс обмена между людьми порциями энергии или их информационными отражениями в виде так называемой стоимости, ибо стоимость – это информация о затраченной на производство товара или услуги энергии. За последние 30-35 лет потребление энергии в мире удваивается каждые 10 лет, этим подтверждается, что научно-техническое и экономическое развитие – это, прежде всего, развитие энергетическое.

Будет прирост энергии – будет и прирост ВВП, нехватка энергии находит своё отражение в так называемых финансовых и экономических кризисах. Люди пытаются найти причину таких кризисов в чем угодно, но только малое число экономистов и политических деятелей понимают роль энергии в экономических и финансовых катаклизмах последних 20 лет. Те, кто не понимает роль энергии, решает экономические проблемы уничтожением «лишнего» населения в военных конфликтах. Тот же, кто понимает толк в энергетике, решает экономические проблемы через научно-техническое развитие, важной составной частью которого является развитие энергетического комплекса.

Увеличивающееся энергопотребление в течение последних десятилетий удовлетворяется в основном за счет использования традиционных энергоносителей – угля, нефти, газа, торфа, воды (гидроэнергетика) и атомной энергии. Быстрый рост энергопотребления, паника на рынках энергоносителей в виде резкого удорожания топлива и энергии, обострение геополитических, экономических и экологических проблем топливно-энергетического комплекса (ТЭК) требуют более обоснованной и тщательной проработки принципов использования природных ресурсов и стратегии развития энергетики. Поэтому с каждым годом все более актуален поиск и освоение альтернативных нетрадиционных источников энергии, к которым, в частности, относится ветроэнергетика.

Доля нетрадиционных возобновляемых безтопливных источников энергии (солнечной, ветровой, геотермальной, малых водных потоков и др.) в общем объеме мирового производства электроэнергии составляла в 2006 году около 2%. При этом, просто смешно, в Российской Федерации эта доля составляла доли процента. Одновременно Россия может гордиться своей отсталостью хотя бы в том, что более семидесяти процентов электроэнергии вырабатывается на тепловых станциях, работающих на мазуте или угле. И это тогда, когда запасы углеводородов (угля, нефти и газа) таят буквально на глазах, а половина добытой нефти и газа прямиком идет за рубеж нашим историческим конкурентам, с которыми у России может в будущем возникнуть военных конфликт. По оценкам специалистов российские запасы нефти иссякнут приблизительно через тринадцать лет, а запасы газа – через шестьдесят лет.

Все установки, перерабатывающие кинетическую энергию прямолинейного движения массы ветрового потока в энергию вращения ротора генератора с последующим превращением ее в электрическое напряжение на выходных клеммах электронного инвертора, делятся на несколько типов. Основными из них являются ВЭУ с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Согласно международным стандартам (IEC 61400, Требования по Ллойду) мощность ВЭУ принимается за номинал на скорости ветра 11.4 м/сек. КПД ветроэнергетической установки (эффективность использования энергии ветра) – величина, показывающая, сколько процентов энергии ветра ветро-ротор отбирает и передает на генератор. Эту величину принято считать КПД ВЭУ (КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра), хотя на самом деле это КПД ветро-ротора (ветроколеса). Реальный КПД всей ветроустановки установки можно подсчитать, приняв во внимание КПД генератора (70-90%), КПД инвертора (если таковой имеется, 80-90%) и КПД передачи энергии на расстояние.

vetr1Лопастные ВЭУ с горизонтальной осью вращения легко сделать, если мощность ВЭС не превышает 10 кватт, но при увеличении мощности ВЭУ возникают большие технические сложности. Этот тип установок получил наибольшее (традиционное) распространение в связи с рядом причин: наибольшая эффективность (КПД) использования ветра (до 42% на практике, но только при наличии должного направления ветра) по сравнению с другими конструкциями, благодаря «подъемной силе» крыла; традиционность мышления людей, принимающих решения. Среди ВЭУ с горизонтальной осью вращения существуют несколько подтипов – крыльчатые (лопастные) различных конструкций, с эффектом Магнуса, и другие. Самые известные своей эффективностью являются крыльчатые лопастные ВЭУ.

Однако у лопастных ВЭУ с горизонтальной осью вращения имеются один, но очень существенный недостаток – заметная инерционность при ориентировке на ветер. Изобретатели, разработчики и фирмы-производители сознательно замалчивают этот факт от потребителя, информируя его только о достоинствах установки, которые проявляются только в аэродинамической трубе, т.е. в специально созданных условиях. Но на деле же получается следующее. Мощность ВЭУ рассчитывается, исходя из того, что направление ветра всегда совпадает с осью вращения ветро-ротора, т.е. ветер дует непосредственно на расчетную поверхность лопастей. В результате получается расчетная мощность ВЭУ. Однако из жизни известно, что направление ветра не является константой, ветер постоянно меняет свое направление. Скорость изменения направления ветра во много раз превышает реакцию лопастных ветроустановок в ответ на изменение направления ветра. В итоге создается ситуация, когда лопасти вращаются просто по инерции в то время, когда ветер дует перпендикулярно оси вращения лопастей.

У мощных лопастных ветряков система управления изменяет направление флюгера, если ветер в новом направлении дует более 15 сек. Если поток воздуха будет менять свое направление с интервалом менее 15 сек, то ветряк просто не меняет своего направления. Следовательно, лопасти могут перестать вращаться. Да и в том случае, если направление ветра меняется с интервалом более 15 секунд, нет никакой гарантии, что после поворота ветряка ветер к этому моменту будет дуть во вновь выбранном направлении. При повороте лопастей начинают проявляться силы Кориолиса, будет сказываться инерция всей гондолы с генератором, редуктором и т.д. При высокой частоте вращения лопастей выявляются малейшие неточности в центровке лопастей, неравномерность мощности ветра по высоте, что ведет к поломке лопастей или разрушению всей ветроэнергоустановки.

Существенным недостатком является сложность технологического процесса производства лопастей, т.к. профиль лопасти (винта) не является одинаковым по сечению вдоль ее длины. Начиная с 3 кВт, такие ВЭУ требуют специальное раскручивающее устройство, т.е. стартовать сами такие установки не могут. Это приводит к усложнению системы старта и управления, а значит, к удорожанию ВЭУ. На Западе много влияния уделяется тому факту, что ВЭУ с горизонтальной осью вращения являются опасными для птиц. Это происходит в связи с тем, что внешняя часть лопасти движется быстрее, чем внутренняя и птицы не могут своевременно «рассчитать» ее скорость, чтобы увернуться. ВЭУ большой мощности становятся источниками инфразвука, который оказывает негативное воздействие на людей и животных, может вызывать появление нежелательных колебаний в близко расположенных зданиях, вплоть до их разрушения.  (далее…)

Критерии идеального ветрогенератора

<< Начало

Таким образом, задача «построить хороший ветряк» трансформируется в задачу «построить «правильный» ветряк для конкретного места и конкретного потребителя». Здесь уместно посмотреть на существующий рынок и прояснить для себя плюсы и минусы существующих конструкций.

Для того чтобы сравнивать, нужно остановиться на каких-то параметрах (желательно цифровых) и приложить эти параметры к районам эксплуатации. Важнейшей характеристикой места эксплуатации является его «производительность», т.е. количество энергии, которое потенциально имеет ветер. Достаточно определенно эту «производительность» характеризует скорость ветра, например за год. Районы СНГ можно условно разбить на три, по среднегодовой скорости ветра:
– менее 3 м/с;
– от 3 до 5 м/с;
– более 5 м/с.

При этом нужно помнить, что скорость ветра распределена неравномерно по времени. Для просторов СНГ чаще всего общей является зависимость – слабые ветра 70-80% времени, средние ветра – 15-20% времени, сильные ветра – 5-7%, очень сильные ветра – 2-3%, штормы – 1%. Таким образом, чаще всего дует ветер 1-3 м/с. Штормы встречаются очень редко. Отсюда следует, что разумно ориентироваться на слабые ветра, даже если при сильных и штормовых ветрах придется ветряк остановить или сложить. Система увода ветряка из-под сильного ветра, конечно усложняет его конструкцию, но это уже следующий вопрос.

Теперь само время посмотреть на предложение. Большинство предлагаемых моделей – лопастные ветряки с горизонтальной осью разных размеров и соответственно мощности с двумя, тремя и четырьмя лопастями. Реже встречаются ветряки с большим количеством лопастей. Фирмы предлагают разнообразную комплектацию: от отдельных узлов до полного комплекта с монтажом и наладкой у заказчика. Некоторые модели собственного производства, много предложений импортных агрегатов – от китайских до уважаемых европейских производителей.

Если обратиться к цифровым показателям – видно, что заявленные мощности ветрогенераторы «выдают» при скоростях ветра 8-15 м/с; при этом минимальная скорость ветра (так называемая скорость страгивания) 2,5-4 м/с., максимальная эксплуатационная – 25-45 м/с. Несколько другие показатели имеют многолопастные и стаксельные ветряки. Минимальная скорость ветра 0,5-1,5 м/с. Максимальная мощность при скоростях ветра 6-20 м/с. максимальная эксплуатационная скорость ветра – 15-30 м/с.
Разница характеристик определяется в основном «заполненностью» окружности, которую описывают лопасти. Когда лопасти вращаются достаточно быстро, вся окружность используется достаточно эффективно и мало зависит от количества и площади лопастей. А вот на слабых ветрах многолопастные и стаксельные ветряки явно выигрывают. Им есть чем «ловить» ветер, они способны преобразовать в полезную работу очень слабые потоки воздуха. При усилении ветра они теряют преимущество, а на сильных ветрах проигрывают «лопастникам». Потери на трение растут вместе со скоростью.

Теперь попытаемся характеристики ветряков «привязать к местности». Становится понятно что в большинстве районов СНГ «лопастники» как правило стоят или работают в пол-силы. Исключение составлять будут прибрежные районы. Об этом же говорят и отзывы потребителей – часто ветроагрегаты не оправдывают ожидания потребителей. Мощность оказывается недостаточной на больших промежутках времени.
По многолопастным и стаксельным ветрякам опыта эксплуатации меньше, но расчетные показатели и тот опыт что есть говорят о более высокой эффективности на большей территории СНГ.

Проблемы эксплуатации и их решения

Если обобщить проблемы эксплуатации ветряков то их две: слабый ветер и сильный ветер. Потребителя раздражает, когда дорогостоящее устройство простаивает из-за слабого ветра или после поломки от сильного ветра. Причем тут важно правильно оценивать последствия. Разработчики умаляют последствия простоя от безветрия и сильно преувеличивают последствия от сильного ветра. В реальности простой – это прямые потери. И несколько недель безветрия могут принести больше потерь чем замена детали в течении пары дней после поломки от шторма.

Увеличивать запас по мощности тоже не выход. Если покупать ветрогенератор максимальной мощностью в 10 кВт для того, чтобы он вырабатывал 2 кВт, как минимум дороговато. А в конечном итоге лишние затраты ложатся на стоимость энергии.
С другой стороны, способность противостоять штормовым ветрам тоже ложится бременем на цену из-за утяжеления конструкции. А может быть не нужно противостоять шторму? Трава ведь не борется с ветром! Она ложится на землю, а потом поднимается, как ветер стихнет. А пальма «отдает» все листья, но спасает ствол. Листья быстро отрастают заново.

Можно попытаться описать «идеальный» ветряк:
– простая генераторная головка заданной мощности, способная работать на малых скоростях;
– легкие лопасти большой площади, чтобы «снять» энергию с минимального ветра;
– система складывания лопастей при усилении ветра;
– опора, опускающая генератор с лопастями при усилении ветра;
– нужно иметь возможность увеличивать/уменьшать мощность ветроагрегата в некоторых пределах, не перестраивая всю конструкцию.

Конструкция генератора для ветряка должна удовлетворять одновременно нескольким основным требованиям:
– генератор должен быть тихоходным;
– никаких щеток и скользящих контактов;
– возможность коммутирования обмоток с целью удержания напряжения в определенных пределах;
– простота;
– технологичность;
– ремонтопригодность.

Сайт постоянно обновляется! См. также рубрики:

Вадим Беляев,
главный конструктор компании “Ветронет”