Назад в библиотеку

Виды ветровых турбин с вертикальной осью

Автор: Terrence C. Sankar
Источник: http://www.ftcenergy.com

Аннотация

Рассмотрены виды ветровых турбин с вертикальной осью вращения



Мы знаем, что ветра достаточно для удовлетворения потребности в энергии полностью или значительной части всего человечества - если бы он мог быть собран эффективно и в достаточно большом масштабе. Ветровые турбины с вертикальной осью вращения (VAWT), которые могут быть эффективнее нынешних ветровых турбин с горизонтальной осью, практичнее, проще и существенно дешевле в постройке и эксплуатации чем ветровые турбины с горизонтальной осью (HAWT). У них также такие неотъемлемые преимущества как, постоянная ориентация на ветер, который может сделать установки значимым игроком в нашем поиске дешёвых возобновляемых источников электричества. VAWT могут даже иметь решающее значение в стабильности соединений сети и надёжности производителей и поставщиков в настоящее время. Вдобавок низкая стоимость VAWT может создать альтернативу вырубке тропических лисов для выращивания культур биотоплива. Данная статья описывает некоторые результаты исследований в дизайне VAWT и призывает к расширению исследований и разработок данной технологии.

Ключевые слова: энергия ветра, ветровая турбина с вертикальной осью вращения, ветровая турбина с горизонтальной осью вращения, возобновляемая энергия, чистое электричество.

Электричество, создаваемое при помощи ветра, в настоящий момент обеспечивает менее 0,8% потребляемого электричества в Штатах и приблизительно 0,9% в мире. Хотя это и является самым быстрорастущим источником энергии, в год примерно на 25%, к 2030 году он всё ещё будет по-прежнему обеспечивать незначительную часть потребностей Штатов и мира (менее 3% и 4% соответственно). Если ветер станет существенным большим вкладом в производство мировой электроэнергии, то понадобится что-то другое. Конечно это что-то ветровая турбина с вертикальной осью вращения. Совмещение быстро растущей стоимости, угрозы сокращения снабжения, взрыв спроса и растущее беспокойство об изменении глобального климата является благоприятной средой для поиска всхожей альтернативной энергии. Некоторые из предложенных альтернатив, такие как широкомасштабное применение биотоплива, не могут быть достижимыми или устойчивыми, или, в конечном счёте, практичными. Другие экзотические возможности, такие как геотермальная энергия, могут быть жизнеспособными, но местными и ограниченными. Солнечные технологии по-прежнему незначительны, дороги и неэффективны. Поэтому, кажется, что мы остановились на нефти, угле, природном газе (пока они есть), и ветре.

Ветер как топливо для производства электроэнергии неисчерпаем, свободен и всегда в наличии и его достаточно везде. Исследования показывают, что общее количество электричества, которое потенциально возможно выработать с помощью ветра в Штатах составит 10,777 миллиардов кВт*часов ежегодно - третья часть электроэнергии, генерируемой сегодня в Штатах. Почему же мы тогда не можем воспользоваться этим богатством? Дело частично в том, что современные ветровые турбины производятся высокотехнологичными компаниями ведущих стран, использующих передовые технологии и как результат дорогие и недоступные среди бедного населения, которое располагает большим ветровым потенциалом и ограничено в деньгах. Ветровые турбины необходимо рассматривать как локально производимые устройства, создаваемые из местных материалов и квалификации. Это может привести к новым уровням местной энергетической независимости и самодостаточности для большинства людей в высокоразвитых и менее развитых странах мира.

Пока обычные ветровые турбины с горизонтальной осью также могут быть построены на месте, с необходимыми передовыми и сложными навыками и материалами. Очевидно, что такими ветряками невозможно покрыть весь мир сегодня. Тем не менее, миллионы маленьких ветряков в сёлах, деревнях и городах по всей планете могут дать то, что нам нужно. Ветровые турбины с вертикальной осью могут быть средством для достижения этого. Ветровые турбины с вертикальной осью существенно просты. Простейшая реализация может быть выполнена разделением пополам барабана оснащённого малым дешёвым генератором. Это называемый ротор Савониуса очень хорош для перекачивания воды и перемола зерна - две вещи, которые большинство стран мира до сих пор делают вручную и они могут быть использованы для эффективного производства электроэнергии.

Ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT)в дополнение к простоте и дешевизне строительства имеют следующие преимущества:
• Они всегда ориентированы на ветер - нет необходимости в ориентировании на ветер.
• Имеют большую площадь поверхности для захвата энергии - могут быть во много раз больше.
• Более эффективны при порывистом ветре - всегда ориентированы на порыв.
• Могут быть установлены во многих местах - на крышах, вдоль автомагистралей, парковках.
• Не убивают птиц и диких животных - медленное перемещение и высокая видимость.
• Могут быть легко масштабируемыми - от киловатт до мегаватта.
• Могут быть значительно дешевле в строительстве - проще по своей сути.
• Могут иметь низкий простой при обслуживании - механизмы находятся на уровне или вблизи уровня земли.
• Производят меньше шума - низкая скорость - меньше шум. Более эстетически приятны для некоторых.

Эти врожденные преимущества делают VAWT растущей областью для исследования и развития. Есть новые и инновационные проекты ветряного двигателя с вертикальной осью, исследуемые с пролонгированным интересом и финансированием. Это всё шаги в правильном направлении, но их всё еще не достаточно. Есть явная потребность в новом мышлении и новых идеях в области. Мощность, содержащаяся в потоке ветра, находится как:

P=1/2 DA S3

где Р - энергия, D - воздушная плотность, А - область ротора, S - скорость ветра.

Это приводит к двум основным законам энергетического преобразования ветра: 1) энергия, которую можно получить из ветра, изменяется как куб скорости ветра; 2) мощность турбины увеличивается с квадратом площади поверхности (охваченная область) турбины.

Эти законы принудили нас думать, что единственный способ достичь преобразования энергии ветра в электричество состоит в том, чтобы построить самые большие турбины из возможных и разместить их в местоположения самой большой скорости ветра. Но это не вся правда.

Уравнение может быть прочитано, как энергия пропорциональна объему воздуха, умноженному на его плотность, умноженному на площадь поверхности ротора, деленной на единицу времени:

P=(V*A*D)/T

где: P - энергия, D - плотность, V - объем, А - площадь поверхности, T - время

Это подразумевает, что оптимизация достигнута обработкой наибольшего объема воздуха за единицу времени наибольшей площадью поверхности ротора. И именно здесь появляются ветровые турбины с вертикальной осью.

Для стандартного HAWT объем воздуха, взаимодействующего с турбиной за единицу времени, является тонким диском. Каждый 'слой' воздуха в этом диске контактирует с лезвием турбины на мгновение и только один раз. В случае VAWT с той же самой охваченной областью тот диск становится высоким цилиндром, высота которого - высота ротора. Это означает, что в область охвата для данного ротора, объем воздушного контакта с поверхностью ротора может быть значительно больше. В цилиндре вращения VAWT, однако, время взаимодействия между воздухом и отрезками ротора через длину его диаметра, и угол взаимодействия изменяется непрерывно через цикл, то есть больший и более длительный контакт, больше возможности для получения энергии.

Даже если бы VAWT не были в конечном счете более эффективными, чем HAWT (горизонтальные турбины) -- ветер, в конце концов, бесплатный - они все еще представляли бы для нас интерес. Важно то, что сейчас нет достаточно доступных ветряных мельниц всех типов и размеров, чтобы пожинать энергетический урожай ветра. Аргумент, приведенный здесь, значит, что эффективные, полезные VAWT могут быть построены большим количеством людей в большем количестве мест, используя более удобные материалы, чем многообразие обычных горизонтальных осей. Давайте построим их. Как мог бы сказать Карл Сеген: "миллионы и миллионы" их. Удобный момент, чтобы защититься от глобального изменения климата (нежелательного вида), которое мировые ученые предположительно ожидают в следующие 10 лет. Это очень небольшой промежуток и необходимо, чтобы мы сейчас предприняли максимальные меры. Сегодня 49 % мощности производства электричества в Соединенных Штатах питается углем. Даже если бы глобальное изменение климата не было фактом и угрозой, то повсеместные ветряные мельницы все еще были бы насущной необходимостью. Горение ископаемого топлива загрязняет воздух, которым мы дышим, и продукты, которые мы употребляем. Сокращения производства окисей серы, окисей азота, и естественных радиоактивных материалов, таких как уран и торий будут дополнительными выгодами для преобразования большего количества энергии ветра.

В национальном масштабе целых 30 000 смертельных случаев в году связаны с эмиссией электростанции согласно исследованию Ассоциации ABT, частной исследовательской организации, которая работает на EPA. (Washington Post 3/6/02)

В итоге, Ветряные Двигатели с Вертикальной Осью могут быть очень выгодными в поисках чистого возобновляемого источника энергии из-за:

Стоимость: Большие множества VAWT могут быть построены на значительно меньших участках земли, со значительно меньшей стоимостью, зачастую используя местные доступные материалы и навыки. Важность этого все больше возрастает, как альтернатива вырубке драгоценных и незаменимых тропических лесов, чтобы вырастить зерновые культуры для производства этанола.

Надежность: существует возможность установить двигатели с вертикальной осью в существующие обычные ветровые электростанции, где пропускная способность взаимодействия недостаточно использована. Так можно захватить больше ветров более низкого уровня, чего не происходит в более крупных двигателях, и улучшить производительность ветровой электростанции в целом.

Полномочия: системы вертикальной оси могут быть легче построены или дешевле куплены, устанавливая частную собственность или маленькую практичную общественную собственность.

Независимость: даже у очень бедных ресурсами мест могут быть хорошие ветры для энергетического преобразования. Группы небольших двигателей, собирающих эти ветры, могут обеспечить местную энергетическую независимость и, возможно, выход из бедности для многих.

Доступность: В настоящее время ветряные мельницы работают только приблизительно 25 % времени. 75 % времени они ничего не делают. Это означает, что обычное производство должно остаться он-лайн, чтобы составить разницу - тепличные газы и другие загрязнители не значительно уменьшены на этих производственных уровнях.

Появление сильного программного обеспечения для дизайна, анализа и моделирования позволяет виртуально проверить много типов новых идей. Есть надежда, что эта статья поможет мотивировать определенное новое мышление и исследование новых идей. Ученики высших школ так же как и старшекурсники и дипломированные инженеры должны знать о проблемах и возможностях, открытых для них. Давайте представим мир, обеспечиваемый энергией миллионами больших и маленьких ветряных мельниц - многие вертикально ориентированные, дизайн многих еще не придуман - тысячи чистых, зеленых электростанций во всем мире.

Наша собственная работа состояла в создании трехмерных CAD моделей различных конфигураций ветряного двигателя с вертикальной осью. Потом эти модели были импортированы в вычислительный динамический пакет программ. В пакете CFD аэродинамическая труба моделировалась с использованием вычислительной петли, которая перемещалась с движением турбины, управляемым потоком. Результатом этих запусков были таблицы произведенных вращающих моментов и вращательной скорости за промежутки времени на нескольких моделируемых скоростях ветра. Полученные кривые вращающих моментов, вращательной скорости и выходной мощности, полученные из данных скорости ветра в 25 миль в час, показаны ниже.

Кривая вращающего момента модели вертикальной оси на ветру на 25 миль в час. На устойчивом ветру вращающий момент, вызванный потоком ветра, спадает так гладко, чтобы системы достигли устойчивого состояния.

Как следствие этой 'гладкости' генерируемого вращающего момента кривые скорости вращения также достигают устойчивого состояния как показано ниже.

Кривая вращательной скорости турбины при потоке ветра 25 миль в час.

Вышеупомянутые поведения объединяются, чтобы произвести гладкий образец выходной мощности, который мог бы помочь облегчить проблемы стабильности соединительного провода сетки.

Из сотен таких моделирований появилась геометрия, у которого, казалось, есть желаемые свойства, и это стало основанием для строительства физических моделей. Эти физические модели были проверены, используя домашних вентиляторов как источника ветра. Они вели себя в точности, как было предсказано симулированием программного обеспечения и это привело к строительству больших моделей так же как фактических маленьких систем производства электричества. Мобильный испытательный стенд был также построен, что позволяет тестирование большей системы, когда он запускается на устойчивых скоростях до 45 миль в час. Следующим шагом в текущем исследовании будет строительством системы 50 kВт, полностью интегрированной в электрическую сетку для дальнейшего анализа результатов и стабильности.

Заключение

Наша работа и результаты, получаемые до сих пор, очень воодушевляют, и укрепляет убеждение, что энергетические конверсионные системы ветра с вертикальной осью практичны и потенциально очень полезные в производстве чистого возобновляемого электричества от ветра даже при не идеальных условиях расположения. Есть надежда, что их можно будет строить используя высокопрочные, легкие материалы в более развитых нациях и параметрах установки или с очень низко технологичными местными материалами и навыками в менее развитых странах.

Список использованной литературы

[1] ....US DOE Annual Report on U.S. Wind Power Installation,Cost, and Performance Trends: 2006 ( May 2007 )

[2] .... Ibid

[3].....Ibid

[4] .... US Energy Information Administration / AnnualEnergy Outlook 2007

[5] .... Ibid

[6] .... Ibid

[7] .... WEA Wind Facts -

http://www.awea.org/pubs/factsheets/Wind_Energy_An_Untapped_Resource.pdf

[8] ...."Climate Change: Countdown to Global Catastrophe", January 24, 2005 Independent UK.

[9] .... DOE EIA Electricity net generation ( All Sectors )1949-2006.

[10] .."Air Pollution from Coal Combustion" .http://www.gasp-pgh.org/action/coalcombustion.html

[11] ." Coal: Nuclear resource or Danger" ,http://www.ornl.gov/info/ornlreview/rev26-34/text/colmain.html