Ветряк горизонтальный: Горизонтальный ветрогенератор

Вертикальные ветряки достоинства и недостатки

Е-ветерок.ру
Энергия ветра и солнца

>Разделы сайта
  • Мой небольшой опыт
  • Разные мои самоделки
  • Расчёт и изготовление лопастей
  • Изготовление генераторов
  • Готовые расчёты ветряков
  • Дисковые аксиальные ветряки
  • Из асинхронных двигателей
  • Ветряки из авто-генераторов
  • Вертикальные ветряки
  • Парусные ветрогенераторы
  • Самодельные солнечные панели
  • Аккумуляторы
  • Контроллеры инверторы
  • Альтернативное эл. статьи
  • Личный опыт людей
  • Ветрогенераторы Ян Корепанов
  • Ответы на вопросы
  • >Последние записи

    > Тест lifepo4, зависимость напряжения и ёмкости

    > Активный балансир для литиевых АКБ

    > Дешёвый электро-велосипед

    > Контроллер ФОТОН 150/50 MPPT WI-FI

    > Отчёт о состоянии электростанции весна 2019

    > Инвертор SILA +MPPT

    > Гибридные инверторы SILA

    > Реле напряжения XH-M609

    > DC 300V 100A ваттметр

    > ZT-X RM409B True-RMS цифровой мультиметр

    > Электровелосипед, передний привод на my1016

  • org/Breadcrumb»> Главная
  • >Расчеты ветряков
  • >

    Блуждая по просторам интернета в поисках информации по самодельным вертикальным ветрогенераторам упорно натыкаюсь на статьи о том какие хорошие вертикалки и нехорошие горизонталки. В пользу вертикалок многие приводят порой абстрактные не на чем не основанные доводы. Давайте попробуем трезво оценить достоинства и недостатки вертикалок и горизонталок.

    >

    Миф N1. Вертикальный ветрогенератор лучше работает на слабом ветру
    Да почему лучше!, потому что крутится на ветре 1-2м/с, в то время как пропеллеры стоят. Ну крутится, а сколько энергии дает никто не задовался вопросом?, или уже один факт вращения ротора говорит о том что ветрогенератор дает электроэнергию. Все это обман, если посчитать мощность вертикального ветряка с площадью ротора скажем 3кв.м на ветру 2м/с, то этой мощности всего 2.
    88ватта, которой как-раз и хватает на неспешное вращение ротора, и то при условии если редуктор и генератор не перегружают ротор. Кстати говоря некоторые горизонтальные винты тоже страгиваются при 2м/с, но специально так никто не делает так как в таком слабом ветре просто нет энергии. Если вы думаете что можно получать энергию с ветра 1-2-3м/с, то вы очень наивный и доверчивый человек, и вас ввели в заблуждения неграмотные люди.

    Реальный диапазон начала выработки электроэнергии 3-4м/с, при этом ветре уже вращаются все горизонтальные винты и тут можно сравнить что лучше на таком слабом ветру 3-4м/с. Вертикальный ветряк с ротором размером 1.5*1.5м и ометаемой площадью ротора 3кв.м на ветру 3,5м/с даст энергии (0.6*3*3,5*3,5*3,5*0,2=15,485) 15 ватт энергии, из этой энергии надо еще вычесть КПД редуктора и генератора, и того можно рассчитывать на 6-10ватт, это ток зарядки 12-ти вольтового аккумулятора всего 0,3-0,7 Ампер.

    Для вертикального ветряка типа «бочка» я беру КИЭВ 0,2, подробнее о принципах выработки энергии горизонтальных вертикальных ветрогенераторов здесь Принципы работы вертикальных и горизонтальных ветрогенераторов

    Так-же о методах расчетов ветроколес здесь Расчет мощности ветроколеса

    Теперь сравним горизонтальный ветряк с ометаемой площадью винта 3кв. м. Вы сразу скажете что сравнение не корректно так как площадь ротора вертикального ветряка и площадь лопастей горизонтального существенно различаются и площадь лопастей значительно меньше, а значит и мощность, но вы заблуждаетесь. КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра ) зависит не от площади лопастей, а от аэродинамических характеристик.

    Пока ротор вертикального ветряка будет делать один оборот вокруг своей оси под давлением ветра, пропеллер сделает за это время 5-10 оборотов в зависимости от быстроходности. Тем самым лопасти отработают с большим количеством ветра и возьмут больше энергии. Вертикальный типа бочка не может иметь скорость вращения больше скорости ветра, а пропеллер может, причем если быстроходность Z5, то он под нагрузкой вращается со скоростью в 5 раз больше скорости ветра за счет подъемной силы, без нагрузки быстроходность может доходить до Z10 и более. А у вертикалки максимальная скорость вращения относительно скорости ветра Z1, а под нагрузкой обычно Z0.

    5.

    Горизонтальный пропеллер за счет использования подъемной силы имеет больший КПД, правильные лопасти имеют КИЭВ до 0.47, но мы будем брать средний КИЭВ 0.3. Тогда с 3кв.м площади на ветру 3,5м/с энергии будет (0,6*3*3,5*3,5*3,5*0,3=23.1525) 23 ватта. И так-как нет редуктора то учтем только КПД генератора около 0.8 и получим 18ватт, то-есть в два раза больше чем с вертикального ветряка той-же площади. Но если еще учесть что вертикалки ставят внизу или на небольшой высоте, а горизонтальные как можно выше над землей, то разница будет еще больше так-как внизу ветер слабее и с завихрениями, а на верху более стабильный.

    >

    То-есть получается что людей просто обманывают говоря что вертикальные ветрогенераторы более эффективны на малом ветру. А оказывается они не только не лучше, но еще и хуже. Есть еще роторы

    Дарье, они более скоростные и больше КИЭВ, но у них проблемы со стартом на слабом ветру и не равномерная тяга, и их расчет очень сложен. Дарье еще может сравняться по КПД с пропеллером, но там другие «болячки».

    Миф N2. Многие упорно утверждают что шума от вертикалок нет, а пропеллеры очень шумные
    Если ветрогенераторы нормально сделаны то на слабом ветру они не шумят и шум можно услышать разве что от редуктора вертикалки, горизонтальный вообще не шумит. А вот когда ветер 8-12м/с, то тут чем скоростней пропеллер, и чем хуже аэродинамические качества лопасти, тем больше шума, но как правило этот шум не критичен. Шумит не громче чем сам ветер и деревья вокруг. Вертикальный ветряк так-же шумит из-за поворота ротора и перехода лопастей из под ветра на ветер. Эти переходы передаются ударными нагрузками на ротор и ротор начинает вибрировать, тяга становится неравномерной, а от этого может трещать и звенеть и обшивка лопастей, и другие элементы. Так-же очень шумным может быть редуктор. У горизонтального шум может издавать только пропеллер, и то производители эту проблему давно решили путем правильной аэродинамической формы лопасти.
    Самодельшики делают гадкими и закругленными кромки лопасти и фронтальную часть. То-есть шумность тоже обман чистой воды, чтобы натянуть на вертикальные ветряки еще один плюсик к их красоте.
    Миф N3. Говорят что вертикальный ветряк проще и дешевле
    Ну чтож давайте сравним что проще и дешевле, три лопасти из ПВХ или дюралюминиевой трубы сделанные за пару часов, или ротор вертикального ветряка. Уже понятно что на ротор потребуется намного больше времени, больше материала обшивки (оцинковка, алюминий, поликарбонат и пр.). Так-же нужен мощный каркас держатель ротора на подшипниках и каркас самого ротора. Все это трудоемкие сварочные работы с резкой металла и сборкой целой конструкции. Так что проще? и дешевле, сделать три лопасти весом 1,5-3кг+хвост или ротор весом 40-120кг.

    Вы скажете что три лопасти сложнее так-как надо знать как их делать. Да, чтобы КИЭВ был высоким лопасти надо рассчитывать, благо для этого все есть, даже готовые программы, остается только нанести размеры на трубу, вырезать и обработать кромки лопасти.

    Но и ротор вертикального ветряка тоже надо рассчитывать по мощности и оборотам к генератору, иначе результат будет совсем плачевный.

    Вы скажете что для горизонтального ветряка нужна мачта, а вертикалки обычно внизу ставят и не надо ни каких растяжек. Ну так ставьте пропеллер внизу на коротеньком каркасе, и будет такая-же слабая выработка пропеллера как и вертикалки. Любой ветряк надо поднимать на высоту или мирится со слабым ветром у земли и делать с запасом мощности.

    Если же брать примерно одинаковые условия, скажем ветряк поднимается на Высоту 10 метров. То горизонтальному не нужна мощная мачта так-как при сильном ветре ветряк обычно тормозится контроллером чтобы не пошел «в разнос» от перебора мощности, или он просто останавливается методом КЗ обмоток генератора, а остановленный винт имеет небольшую парусность и переживет любой ураган. А вот вертикалку поднятую на ветер, от ветра не спрячешь, ударные нагрузки из-за перехода лопастей из под ветра на ветер начнут раскачивать мачту, и тут нужно все делать с большим запасом прочности, иначе ротор такой парусности на урагане просто сдует, так как ветер валит даже рекламные щиты и срывает крышы.

    Еще не забываем про редуктор, который как правило неотъемлемая часть вертикального ротора, это тоже затратная часть, которая еще и КПД отнимает. Можно и без редуктора, тогда придется делать низко-оборотный генератор, который по размерам и цене будет раз в пять больше. Если посчитать, то вертиклка будет в пять раз дороже по цене и труднее в изготовлении. Так почему говорят что вертикальный ветрогенератор сделать проще и дешевле? Может они себе представляют вертикальный ветряк как простую бочку на шпильке, а трехлопастной ветрогенератор такой сложной конструкцией на мачте с растяжками, контроллером и пр. Так и для вертикалки по нормальному нужна мачта, контроллер, + редуктор на генераторе, сварка пространственной рамы, подшипники на валу и почее.

    Миф N4. Говорят что вертикалки не дают низкочастотных вибраций, от которых убегают все крысы и мыши и пр. а горизонтальные вредят окружающей среде своими вибрациями
    Если посмотреть в суть, то низкочастотные вибрации возникают от работы много-полюсных генераторов, где во время вращения магниты преодолевают магнитные поля катушек и от этого во время вращения ротора нагрузка на него неравномерная, а со скачками нагрузки, во время преодоления пиков нагрузки. От генератора вибрации передаются по мечте в землю и дальше низкочастотные вибрации расходятся по земле. Но каких размеров должен быть генератор чтобы от него вибрировала земля, правильно, в сотни киловатт. Эффект негативного влияния на животных есть только у промышленных ветряков мощностью в Мегаватты. К слову сказать что на вертикалки ставят такие-же генераторы и эти генераторы так-же вращаясь дают низкочастотные вибрации. То-есть и здесь людей обманывают говоря о том что только горизонталки не издают низкочастотные вибрации. Вертикалки дают точно такие же вибрации, и могут даже больше так как в вертикалках применят гораздо большие по размерам генераторы.
    Вывод:
    Как говорится если вам нравятся вертикальные ветряки то тут нет ничего не обычного, вращающиеся трубы выглядят красиво, вот только не надо вводить людей в заблуждение, о их эффективности, стоимости, простоте и прочими «достоинствами» Даже производители не могут сделать дешевые вертикальные установки и они как правило в 4-7раз дороже получаются при той-же мощности что и горизонтальные ветряки. Если бы было по другому, то везде бы стояли вертикальные трубы, а не пропеллеры. Сама по себе вертикальная конструкция интересна, если ее рассчитать и вложится, то отдача с нее будет. Но я бы не рискнул так-как простейшие расчеты показывают что горизонтальный ветряк в пять раз дешевле будет, или за эти-же деньго-трудо-затраты можно сделать ветряк в пять раз мощнее.

    Сравнение вертикального и горизонтального ветрогенератора

    Е-ветерок.ру
    Энергия ветра и солнца

    >Разделы сайта
  • Мой небольшой опыт
  • Разные мои самоделки
  • Расчёт и изготовление лопастей
  • Изготовление генераторов
  • Готовые расчёты ветряков
  • Дисковые аксиальные ветряки
  • Из асинхронных двигателей
  • Ветряки из авто-генераторов
  • Вертикальные ветряки
  • Парусные ветрогенераторы
  • Самодельные солнечные панели
  • Аккумуляторы
  • Контроллеры инверторы
  • Альтернативное эл. статьи
  • Личный опыт людей
  • Ветрогенераторы Ян Корепанов
  • Ответы на вопросы
  • >Последние записи

    > Тест lifepo4, зависимость напряжения и ёмкости

    > Активный балансир для литиевых АКБ

    > Дешёвый электро-велосипед

    > Контроллер ФОТОН 150/50 MPPT WI-FI

    > Отчёт о состоянии электростанции весна 2019

    > Инвертор SILA +MPPT

    > Гибридные инверторы SILA

    > Реле напряжения XH-M609

    > DC 300V 100A ваттметр

    > ZT-X RM409B True-RMS цифровой мультиметр

    > Электровелосипед, передний привод на my1016

  • org/Breadcrumb»> Главная
  • >Расчеты ветряков
  • Для примера я хочу сравнить два вида самых простых и распространенных видов ветрогенераторов. Первый вертикальный типа Савониус, и обыкновенный пропеллерный. Почему-же мощность этих типов и их обороты существенно отличаются. А дело в том что вертикальный ветрогенератор использует силу напора ветра, а пропеллер так называемую подъемную силу, которая возникает в силу возрастания давления в точке где проходит прямой поток воздуха сквозь лопасти, и тот, что отражается от лопасти.

    Принцип работы вертикального ветрогенератора типа Савониус

    Но обо всем по порядку, и так как-же работает вертикальный ветрогенератор самого простого типа. Его можно назвать по разному, но это по сути будет Савониус. Вращение ротора основано на разности давлений ветра на лопасти. Можно себе представить ротор подобного ветрогенератора. Ветер налегает на лопасти и давит, вогнутая лопасть задерживает поток воздуха и его кинетическая энергия давит на эту лопасть, а та лопасть что возвращается имеет выпуклую форму по отношению к ветру и поток ветра просто с нее сваливается. Поэтому возникает разность давления.

    Чем сильнее ветер тем больше разность давления и следовательно мощность ротора растет и обороты тоже. Но обороты не могут превысить скорость ветра, так-как толкать тогда ветер не сможет лопасть. Самые большие обороты могут только приблизится к скорости ветра, но не могут достигнуть ее так-как возвращающиеся лопасти тоже испытывают давление. И при максимальных оборотах ротор имеет КПД 0% , так-как вся энергия уходит на раскрутку ротора. Но при нагрузке обороты ротора падают и пропорционально падению оборотов растет и мощность на валу. Максимальная мощность достигается при скорости вращения в два раза меньшей скорости ветра. Например если скорость ветра 10м/с то максимальная мощность будет на валу при скорости движения конца лопасти 5м/с. Если-же обороты увеличиваются, то мощность падает, а если обороты под нагрузкой падают, то ветер просто не успевает проваливаться и набегает как ком на лопасть, этот ком ветра быстро увеличивается, и новые порции ветра натыкаясь на ком расходятся в стороны, так отражается большая часть энергии ветра и в итоге на роторе существенно падает крутящий момент.

    Ветер действующий на ротор ветрогенератора

    Линиями показано направление ветра действующее на лопасти

    Принцип работы горизонтального ветряка («пропеллера»)

    Принцип работы классического винта в корне отличается от работы вертикального ротора. Можно так-же представить себе вращающийся винт и набегающий поток ветра на лопасти. Когда ветер набегает на лопасть, то этот ветер отражается от нее и под углом выбрасывается в сторону позади лопасти. Но в это -же время сквозь лопасти так-же идет и прямой поток воздуха. При столкновении двух потоков образуется давление, которое и выталкивает лопасть. Чем больше образуется давление тем сильнее оно выталкивает лопасть. Таким образом обороты лопасти не привязаны к силе ветра, а зависят от давления созданного на стыке двух потоков ветра.

    Таким образом скорость вращения кончика лопасти может превышать в разы скорость ветра. И так-же здесь кроется ответ «Почему маленькие лопасти работают лучше чем огромные». А все потому что в создании давления участвует весь поток ветра попадающий в плоскость вращения винта. И через узкие лопасти может проваливаться больше воздуха не задерживаясь а лишь отработав доли секунды. Так-же аэродинамически тонкие лопасти дают меньшее лобовое сопротивление потоку в плоскости вращения.

    Здесь получается наоборот, мощность винта растет с ростом оборотов, чем быстрее лопасть вращается тем больше ветра она отражает за единицу времени. Давление растет еще больше и сильнее выталкивает лопасть. Теоретически этот рост оборотов давления и мощности бесконечен если бы не другие факторы, которые все ограничивают. Так например когда ветровой поток не успевает проваливаться то спереди винта нарастает воздушная подушка, с которой сваливается основной поток ветра в стороны, следовательно мощность ветра просто сваливается с подушки в стороны и винту перепадает очень мало энергии.

    Например у много-лопастных винтов предел давления наступает очень быстро, поэтому они менее оборотистые. Так-же кроме превышения давления лопасть вращаясь попадает в зону повышенного давления созданного впереди идущей лопастью и это давление тормозит лопасть, поэтому чем больше лопастей тем сильнее происходит торможение.

    Самые эффективные одно-лопастные винты, так-как лопасти при вращении не мешает повышенное давление от впереди идущих лопастей, а только сопротивление потока, но конечно до того момента пока лопасть не упирается в давление созданное ей самой. Поэтому обороты у этих винтов самые большие, но тоже имеют свой придел. Так-же этот придел наступает когда давление достигает большой величины и поток воздуха не успевает проваливаться через винт и нарастает воздушной шапкой на винте, в следствие чего новые порции воздуха натыкаясь на эту подушку расходятся в стороны.

    Ветер действующий лопасть

    На рисунке показано как дует ветер и где образовывается зона давления на лопасть

    Подгонка ветроколеса к генератору

    По вышеописанным принципам и причинам вертикальный и горизонтальный винты работают по совершенно разным принципам. Но самое главное это когда винт хорошо подогнан к генератору. Например если в случае вертикального ветрогенератора поставить слишком мощный генератор, то ротор не выйдет на обороты с максимальным КПД и будет большой недобор мощности из-за того что сильно заторможенный ротор не будет успевать переваривать поток ветра и спереди винта образуется ветровая шапка, которая будет отражать основной поток ветра.

    Если-же поставить слабый генератор, то ротор будет набирать большие обороты и в следствии чего мощность будет падать, так-как чем быстрее лопасть вращается тем меньше на нее давит напор ветра, она же уходит от него. В итоге небольшой прирост оборотов, но дальше мощность падает и даже под небольшой нагрузкой обороты все равно не растут.

    Так-же, но наоборот с горизонтальным винтом. Если генератор слишком мощный, то винт не сможет выйти на максимальные обороты и следовательно не сможет от ветра получить всю возможную мощность. Обороты даже при усилении ветра не будут дальше расти, а набегающий поток будет просто срываться с медленно вращающейся лопасти. А если генератор слабый, то обороты винта будут всегда на пределе, а значит точка максимального давления будет превышена и лобовое сопротивление вращающихся лопастей не позволят оборотам расти и мощность винта упадет, в итоге из-за предела по оборотам мощности не будет расти.

    Поэтому в обоих случаях нужно чтобы мощность генератора четко соответствовала мощности и о оборотам винта при разной скорости ветра. Например если пропеллер диаметром 1,2м при 5м/с имеет 500 об/м, и мощность на валу около 40 ватт, то генератор нужен чтобы на 500 об/м нагружал винт не более 35ватт, и не менее 30 чтобы впустую не тратить энергию винта. Так-же при больших оборотах, к примеру тот-же винт при 10м/с выдаст около 400 ватт энергии на валу при оборотах где-то 1200об/м, значит и генератор должен на этих оборотах нагружать не более 350 ватт. Если учесть что КПД генератора где-то 0,8 то реально электрическую мощность можно ожидать около 300 ватт на 10 м/с.

    Горизонтальный или вертикальный вариант более эффективен?

    Одним из вариантов зеленой энергии является энергия ветра, а вертикальные и горизонтальные небольшие ветряные турбины являются двумя наиболее распространенными типами оборудования.

    Хотя горизонтальные ветряные турбины известны многим, вертикальные ветряные турбины появились в отрасли совсем недавно. Однако между ними есть некоторые ключевые различия в производительности.

    Домовладельцев часто больше всего интересует, какой стиль более энергоэффективен.

    В этой статье мы разграничим горизонтальные и вертикальные малые ветряные турбины с точки зрения эффективности, сравним их преимущества и недостатки и порекомендуем некоторые малые турбины для вашего дома.

    Но сначала быстрый ответ на вопрос, который у всех на уме.

    Содержание

    • Малые ветряные турбины с горизонтальной или вертикальной осью более эффективны?
    • Сравнение горизонтальных и вертикальных ветряных турбин
    • Горизонтальная ветряная турбина (HAWT)
    • Vertical Wind Turbine (VAWT)
    • Popular Wind Turbines for Your Home
      • NINILADY Vertical Wind Turbine Generator
      • Vertical Wind Turbine Generator 12V 
      • Pikasola Wind Turbine Generator 12V
      • Dyna-Living Wind Turbine Generator Kit
      • Primus Wind Турбинный генератор
    • Заключительные мысли
    • Источники

    Малые ветряные турбины с горизонтальной или вертикальной осью более эффективны?

    Небольшие ветряные турбины с вертикальной осью являются более эффективным выбором, чем горизонтальные ветряные турбины, особенно когда речь идет о жилых помещениях. Вертикальные ветряные турбины часто дешевле, проще в обслуживании и требуют меньше места. Они также лучше справляются с турбулентным ветром, чем горизонтальные турбины.

    Сравнение горизонтальных и вертикальных ветряных турбин

    Когда дело доходит до жилых помещений, малые ветряные турбины с вертикальной осью (ВАВТ) более эффективны. В то время как горизонтальные ветряные турбины производят гораздо больше энергии, чем вертикальные турбины, VAWT имеют много особенностей, которые делают их более подходящими.

    Горизонтальная ветряная турбина (HAWT)

    Горизонтальные турбины имеют лопасти, вращающиеся вокруг оси, горизонтальной или параллельной земле. Это наиболее известные из двух типов небольших ветряных турбин, которые обычно можно найти в крупных ветряных электростанциях.

    Наиболее значительным преимуществом HAWT перед VAWT является то, что он производит гораздо больше энергии, поскольку использует энергию ветра на более высоких скоростях. Тем не менее, есть некоторые недостатки, которые необходимо учитывать, если вы хотите такой же для своего дома:

    Для HAWT требуется больше места

    Для HAWT требуется гораздо больше места, чем для VAWT, поскольку они должны быть намного больше и выше, чтобы должным образом собирать энергию ветра.

    Исследователи предложили расстояние не менее 150 метров (492 фута) от любых препятствий для жилых помещений.

    Energy.gov заявляет, что небольшие ветряные турбины должны быть на 30 футов (девять метров) выше всего в радиусе 500 футов (152 метра). Вам также необходимо выделить достаточно свободного пространства вокруг башни вашей турбины для обслуживания и если вы добавите растяжки к своей башне.

    Основная цель этого — избежать турбулентных ветров. К сожалению, горизонтальные турбины плохо работают при сильном ветре, который очень распространен в жилых домах.

    Таким образом, хотя эти турбины могут производить больше энергии в идеальных условиях, условия часто не идеальны.

    Горизонтальные турбины имеют более высокую начальную стоимость

    HAWT намного дороже, чем VAWT, как по первоначальным затратам, так и по затратам на техническое обслуживание.

    Для производства HAWT требуется больше материалов из-за их размера. Кроме того, они более сложны и имеют больше движущихся частей, что повышает вероятность неисправностей и увеличивает затраты на техническое обслуживание или ремонт.

    Если вы тратите больше на создание и обслуживание своего оборудования, вы в конечном итоге снижаете эффективность.

    HAWT менее гибкие 

    HAWT должны быть достаточно высокими, чтобы использовать преимущества как более устойчивого, так и сильного ветра. Кроме того, их лезвия должны быть обращены в правильном направлении и под правильным углом для работы.

    HAWT имеют более высокую номинальную скорость ветра, чем VAWT, что означает, что им требуется более сильный ветер.

    Однако, если скорость ветра также становится слишком высокой, необходимы тормоза, чтобы замедлить вращение турбины. В противном случае его можно повредить. Поэтому HAWT плохо работают при турбулентном ветре.

    Вертикальная ветряная турбина (VAWT)

    Вертикальные малые ветряные турбины имеют лопасти, вращающиеся вокруг оси вертикально или перпендикулярно земле. Они чаще используются в небольших проектах и ​​жилых помещениях.

    Хотя HAWT производят гораздо больше энергии, чем VAWT, вертикальные малые ветряные турбины обладают следующими преимуществами, которые делают их более эффективными для домашних условий:

    • Меньше требуемого места — VAWT физически требуют меньше места, поскольку они меньше. Их лезвия сконструированы и расположены таким образом, что требуется меньший зазор. Кроме того, их башни короче, потому что VAWT могут работать на более низких высотах, чем HAWT.
    • Более низкая стоимость — VAWT имеют меньшую начальную стоимость и менее сложные системы, чем HAWT, что снижает вероятность неисправности и стоимость любого технического обслуживания.
    • Простота обслуживания Вертикальные ветряные турбины меньшей высоты и меньшего размера лопастей облегчают доступ к ним и их демонтаж в случае необходимости ремонта.
    • Всенаправленный Одним из наиболее существенных преимуществ VAWT перед HAWT является то, что они могут работать и производить энергию при ветре, дующем со стороны 360°.
    • Низкая номинальная скорость ветра – Еще одним значительным преимуществом VAWT является то, что для производства энергии им требуется гораздо более низкая номинальная скорость ветра.

    Популярные ветряные турбины для вашего дома

    В следующем списке представлены некоторые небольшие ветряные турбины с вертикальной и горизонтальной осью, проверенные для использования в домашних условиях.

    Каждый продукт будет включать некоторые функции и общую информацию, например:

    • Начальная скорость ветра
    • Номинальная скорость ветра: Минимальная скорость ветра, чтобы быть эффективным
    • Максимальная безопасная скорость ветра
    • Размер лезвия
    • . из стекловолокна. Форма и конструкция лопастей создают небольшой радиус вращения, что требует меньше места, чем турбины других конструкций.

      Предоставлено Amazon

      Конструкция лопастей в виде крыла самолета также позволяет этой небольшой ветряной турбине работать тише. Кроме того, это устройство поставляется с собственным контроллером MPPT.

      • Начальная скорость ветра: 1,3 м/с (4,27 фут/с)  
      • Номинальная скорость ветра: 12 м/с (39,37 фут/с)
      • Максимальная безопасная скорость ветра: 40 м/с (131,23 фут/с)
      • Размер лопастей: 1,05 м (3,44 фута).
      • Номинальная мощность: 600 Вт. Он рассчитан на срок службы около 10-15 лет и отличается простотой установки, даже с использованием дополнительных монтажных инструментов.

        Этот небольшой ветряк имеет максимальную защиту от оборотов, чтобы работать не быстрее 300 об/мин, несмотря на очень высокие скорости ветра.

        • Начальная скорость ветра: 1,3 м/с (4,27 фут/с)  
        • Номинальная скорость ветра: 11 м/с (36 фут/с)
        • Максимальная безопасная скорость ветра: 40 м/с (131,23 фут/с)
        • Размер лопастей: 1,05 м (3,44 фута).
        • Номинальная мощность: 400 Вт. Эта небольшая ветряная турбина также оснащена системой регулировки рыскания, поэтому мачта может вращаться в соответствии с направлением ветра.

          Предоставлено Amazon

          Гибридный контроллер заряда также позволяет использовать дополнительный источник энергии на солнечной панели.

          • Начальная скорость ветра: 2,5 м/с (8,20 фут/с)  
          • Номинальная скорость ветра: 13 м/с (42,65 фут/с)
          • Максимальная безопасная скорость ветра: 40 м/с (131,23 фут/с)
          • Размер лопастей (диаметр ветроколеса): 1,3 м (51,19 дюйма)
          • Номинальная мощность: 400 Вт

          Комплект генератора ветряной турбины Dyna-Living

          Комплект генератора ветряной турбины Dyna-Living состоит из трех синих лопастей из нейлона. волокно, армированное стекловолокном, которое нелегко сломать или деформировать. Лезвия также устойчивы к высоким и низким температурам -40°C~ 80°C (-40°F ~ 176°F).

          Предоставлено Amazon

          Катушка HAWT изготовлена ​​из тефлоновой проволоки, что делает ее очень термостойкой.

          • Начальная скорость ветра: 2 м/с (6,56 фут/с)  
          • Номинальная скорость ветра: 13 м/с (42,65 фут/с)
          • Максимальная безопасная скорость ветра: 50 м/с (164 фут/с)
          • Размер лопастей (диаметр ветроколеса): 1,3 м (51,19 дюйма)
          • Номинальная мощность: 800 Вт

          Ветряной турбинный генератор Primus

          Этот HAWT от Primus — отличный выбор для тех, кто планирует работать автономно с их силой. Его можно использовать в сочетании с источниками солнечной энергии, чтобы обеспечить постоянный источник энергии в межсезонье.

          Кроме того, небольшая ветряная турбина имеет малый вес и проста в установке, а ее конструкция позволяет использовать ее по принципу «подключи и работай».

          • Начальная скорость ветра: 3,1 м/с (10,27 фут/с)  
          • Номинальная скорость ветра: 4,5 м/с – 22 м/с (14,76 фут/с – 72,17 фут/с)
          • Максимальная безопасная скорость ветра: 40,2 м/с (132 фута/с)
          • Размер лопастей (диаметр крыльчатки): 1,17 м (46 дюймов)
          • Номинальная мощность: 800 Вт

          ссылки, если вы решите их использовать. Это помогает поддерживать блог, чтобы мы могли писать больше контента!):

          5050550

          Product Name Start Wind Speed ​​ Rated Wind Speed ​​ Max Safe Wind Speed ​​ Size of Blades/ Wind Wheel Diameter Rated Power
          VAWT NINILADY Free Energy 600 Вт Вертикальный ветряной генератор-генератор 1,3 м/с (4,27 фут/с) 9,7 м/с (3)0253 40 м/с (131,23 фута/с) 1,05 м (3,44 фута) 600W
          Генератор ветровой турбины. /s (36 футов/с) 40 м/с (131,23 фута/с) 1,05 м (3,44 фута) 400 Вт
          HAWTS
          . /с (8,20 фут/с) 13 м/с (42,65 фут/с) 40 м/с (131,23 фут/с) 1,3 м (51,19 дюймов) 400W
          Набор ветряной турбины, жилой, 2 м/с (6,56 фт/с) 13 М/с (4,56 фт/с) 13 М/с. м/с (164 фута/с) 1,3 м (51,19 дюйма) 800 Вт
          Primus Wind Power Air 40 Ветряной турбинный генератор 3,1 м/с (10,29 фута/с) 2/с с – 22 м/с (14,76 фут/с – 72,17 фут/с) 40,2 м/с (132 фут/с) 1,17 м (46 дюймов) 800 Вт

          Заключительные мысли

          В идеальных условиях горизонтальный ветряк может производить больше энергии, чем вертикальный. Однако ветровые условия в жилых районах часто не идеальны.

          Небольшие вертикальные ветряные турбины, как правило, лучше работают при турбулентном ветре, а благодаря более низким затратам на запуск, меньшим затратам на техническое обслуживание и всенаправленной функциональности они в целом более эффективны.

          Источники

          • Проектирование и разработка ветроэнергетики: ветряные турбины с вертикальной осью и ветряные турбины с горизонтальной осью
          • Энергетические технологии: вертикальные турбины для повышения эффективности ветряных электростанций
          • Университет Кларка Clark Digital Commons: городское ветрогенерирование: сравнение ветряных турбин с горизонтальной и вертикальной осью в Университете Кларка в Вустере, штат Массачусетс
          • Composites World: HAWTs vs. VAWTs
          • Управление по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии: Руководство по малому ветру
          • Наука: сколько земли нужно для ветряных турбин?
          • Mindset Co: 7 лучших домашних ветряных турбин для домовладельцев с экологическим мышлением (2022 г. )
          • Amazon.com- Боб Вила: лучшие домашние ветряные турбины
          • Semprius.com: лучшие вертикальные ветряные турбины

          Вам помогла данная статья? Поделитесь им со своей сетью здесь:

          Ветровая турбина с горизонтальной осью (HAWT) Принцип работы | Однолопастная, двухлопастная, трехлопастная ветряная турбина

          Хотите создать сайт? Найдите бесплатные темы и плагины WordPress.

          В этом разделе представлена ​​ветряная турбина с горизонтальной осью (HAWT), которая на сегодняшний день является наиболее распространенным типом ветряной турбины. Ветряные турбины с горизонтальной осью могут производить менее 100 кВт для основных применений и бытового использования или до 6 МВт для оффшорной энергетики. Еще более крупные турбины находятся на чертежной доске.

          Ветряная турбина с горизонтальной осью Принцип работы

          Ветряная турбина с горизонтальной осью (HAWT) представляет собой ветряную турбину, в которой вал главного ротора направлен в направлении ветра для извлечения энергии. Основные компоненты базовой ГОВТ показаны на рис. 1.

          Ротор получает энергию от ветра и создает крутящий момент на низкоскоростном валу. Тихоходный вал передает энергию на коробку передач, высокоскоростной вал и генератор, которые для защиты заключены в гондоле.

          Обратите внимание, как лопасти соединены с ротором и валом. Этот вал называется низкоскоростным валом, потому что ветер обычно медленно вращает вращающийся узел со скоростью от 10 до 20 оборотов в минуту (об / мин).

          Рисунок 1 Основные части ветряной турбины с горизонтальной осью

          Низкоскоростной вал соединяется с коробкой передач, которая имеет набор шестерен, увеличивающих выходную скорость вала примерно до 1800 об/мин для выходной мощности частота 60 Гц (или скорость 1500 об/мин, если частота 50 Гц). По этой причине вал от коробки передач называют быстроходным валом.

          Высокоскоростной вал затем подключается к генератору, который преобразует вращательное движение в переменное напряжение. Эта скорость имеет решающее значение, если она используется для непосредственного включения генератора, потому что частота переменного тока от генератора напрямую связана со скоростью, с которой он вращается.

          Почти все ветряные турбины с горизонтальной осью имеют компоненты, аналогичные рассмотренным в этой статье, но есть некоторые исключения . Например , ветряные турбины с прямым приводом не имеют коробки передач и обычно имеют генератор постоянного тока, а не генератор переменного тока. Они могут включать или не включать преобразователь в переменный ток (который может быть расположен в основании башни).

          В коммерческих турбинах контроллером является компьютер или программируемый логический контроллер (ПЛК). Контроллер получает данные от анемометра, чтобы определить направление, в котором должна быть направлена ​​ветряная турбина, как оптимизировать сбор энергии или как предотвратить превышение скорости в случае сильного ветра.

          Управление выходной частотой ветряной турбины

          Управление выходной частотой и поддержание ее постоянной, несмотря на переменный ветер, можно выполнить одним из трех способов .

          Одним из способов является управление скоростью вращения вала генератора, что может быть достигнуто путем регулировки угла наклона и рыскания.

          Шаг — угол поворота лопастей ветряной турбины; yaw — это направление, в котором обращены лопасти и гондола ветряной турбины.

          • Шаг и рыскание можно отрегулировать таким образом, чтобы высокоскоростной вал вращался с постоянной скоростью для получения требуемой выходной частоты (обычно 50 Гц или 60 Гц) от генератора.
          • HAWT также может использовать редуктор или набор шестерен, который изменяет медленное вращение лопастей на более быстрое вращение генератора.
          • Оптимальное вращение лопасти обычно составляет от 10 до 20 об/мин, а передаточное число можно использовать для обеспечения вращения высокоскоростного вала со скоростью, необходимой генератору.

          Второй метод для управления частотой заключается в том, чтобы позволить турбине свободно работать на любой скорости, которая находится в пределах ее номинальных значений, и подавать напряжение на силовой электронный преобразователь частоты. Этот метод также используется с ветряными турбинами с вертикальной осью (VAWT).

          • При использовании преобразователя частоты скорость вращения турбины не регулируется до тех пор, пока не будет достигнута максимальная скорость, после чего вступает в действие управление скоростью.
          • Преобразователь частоты состоит из компонентов, показанных на рис. 2. Преобразователь принимает однофазный или трехфазный переменный ток в свои входные цепи в пределах заданного диапазона частоты и уровня напряжения.
          • Переменный ток фильтруется и преобразуется в постоянный с помощью выпрямителя и сглаживается пассивными фильтрами для удаления любых следов входной частоты.
          • В следующей секции находится инвертор, который преобразует постоянное напряжение обратно в однофазное или трехфазное переменное напряжение с точной частотой и фазой, требуемыми сетью.

          Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет использовать более широкий диапазон рабочих условий, не требуя более сложной передачи.

          Рисунок 2 Блок-схема силового электронного преобразователя частоты

          В некоторых приложениях можно использовать чистый постоянный ток, который можно получить из точки перед инвертором.

          Рис. 3: Самая большая в мире ветряная турбина с горизонтальной осью

          У «Вестас» есть планы по созданию самой большой в мире ветряной турбины. Лопасти этой ветряной турбины будут иметь диаметр 164 метра (538 футов) и номинальную мощность 8 мегаватт. Новая ветряная турбина будет морской ветряной турбиной, расположенной недалеко от Абердинского залива в Шотландии.

          Внутренние части промышленного силового электронного преобразователя частоты показаны на рис. 4.

          генератор индуктивного типа с двойным питанием, в котором переменный ток возбуждения жестко регулируется до требуемой выходной частоты путем подачи тока через электронную схему, которая создает точную частоту.

          Башни HAWT

          Башня для ветряной турбины с горизонтальной осью может иметь высоту от 40 до 100 м (приблизительно от 130 до 328 футов), чтобы лопасть турбины могла попасть в самый сильный поток ветра. На большинстве участков самые сильные ветры дуют значительно выше уровня земли.

          Сегодня высота большинства башен для крупных ветряных турбин, используемых для производства электроэнергии для коммунальных служб, составляет от 65 до 100 м.

          Encore E126, недавно установленный в Германии, имеет башню высотой 138 м (453 фута). Лопасти расположены на главном валу, на несущем винте, на значительном расстоянии перед башней, поэтому они вынесены достаточно далеко, чтобы очистить башню при вращении лопастей.

          Контроллер

          Шаг лопастей и направление вращения турбины уже были описаны как функции, контролируемые контроллером.

          Контроллер также использует датчики для измерения выходной мощности генератора (напряжение и частота), частоты вращения лопаток турбины, вибрации, параметров турбины и трансмиссии и других параметров, таких как количество полных оборотов вертикальной оси (контроль рыскания) .

          Некоторые системы ограничивают количество полных оборотов, совершаемых турбиной по рысканью в одном направлении перед изменением направления. Данные с этих датчиков обычно сохраняются для просмотра операторами по мере необходимости.

           На рисунке 5 показаны все детали ветряной турбины с горизонтальной осью (HAWT).

          Рисунок 5 Типовая ветровая турбина с горизонтальной осью (HAWT)

          Количество лопастей

          Ветряные турбины с горизонтальной осью могут быть спроектированы с одной, двумя, тремя или более лопастями 9. Чем меньше лопастей у ветряной турбины, тем быстрее они должны вращаться, чтобы получить такое же количество энергии, как ветряная турбина с большим количеством лопастей.

          Например , трехлопастная ветряная турбина не должна вращаться так же быстро, как двухлопастная ветряная турбина, чтобы собирать такое же количество энергии. Следовательно, передаточное число скоростей двухлопастного и трехлопастного ветродвигателя различно.

          Небольшие блоки для жилых помещений разработаны с учетом экономической эффективности и размера электрической нагрузки дома.

          Турбины, используемые для коммерческого производства электроэнергии, могут быть двухлопастными, трехлопастными или пятилопастными, и все они рассчитаны на гораздо большие энергетические нагрузки.

          Подавляющее большинство ветряных турбин с горизонтальной осью, используемых в коммерческом производстве электроэнергии для коммунальных предприятий, представляют собой трехлопастные турбины.

          Однолопастные ветряные турбины используются в нескольких ограниченных областях, но они используются реже всех ветряных турбин с горизонтальной осью.

          Для плавного вращения однолопастные турбины должны иметь один или два противовеса. На рис. 6 показана однолопастная ветряная турбина с двумя противовесами.

          Преимущество этого типа ветряной турбины заключается в более низкой стоимости из-за использования только одной лопасти турбины (и небольшой экономии веса), но однолопастные турбины должны работать на гораздо более высоких скоростях, чтобы преобразовать такое же количество энергии. энергии ветра в виде двухлопастных или трехлопастных турбин с лопастями одинакового размера.

          Поскольку однолопастная турбина должна работать на более высоких скоростях, лопасти и подшипники в монтажном механизме подвергаются большему износу и усталости, что, в свою очередь, означает более высокие затраты на техническое обслуживание в течение срока службы турбины.

          Однолопастные турбины также требуют обширных процедур настройки, чтобы гарантировать, что лопасть установлена ​​идеально и сбалансирована для ограничения колебаний и вибрации. Из-за этих проблем сегодня используется очень мало однолопастных турбин.

          Рисунок 6 Однолопастная ветряная турбина с горизонтальной осью и двумя противовесами.

          По сравнению с трехлопастными турбинами двухлопастные ветряные турбины имеют преимущество экономии на стоимости и весе третьей лопасти ротора, но они имеют недостаток , заключающийся в том, что для получения той же выходной энергии требуется более высокая скорость вращения. Это является недостатком как с точки зрения шума, так и с точки зрения износа ответственных подшипников, валов и редукторов.

           У двухлопастных турбин возникают отказы лопаток и других механических частей из-за высокой усталости, поэтому они имеют ограниченное применение. На рис. 7 показан двухлопастный ветряк.

          Рисунок 7 Типовая двухлопастная ветряная турбина

          Еще один способ повышения эффективности двухлопастной турбины состоит в том, чтобы сделать две лопасти толще и шире, чем традиционные лопасти турбины, чтобы две лопасти могли преобразовывать больше энергии ветра.

          Более толстые лезвия также означают, что лезвия прочнее и лучше сопротивляются усталостным нагрузкам. Новые композитные материалы позволяют увеличить размер без существенного увеличения веса каждой лопасти.

          Эти материалы также позволяют производить лезвие с меньшими затратами. Однако даже с этими более эффективными лопастями двухлопастная турбина все еще немного менее эффективна, чем трехлопастная.

          Одним из преимуществ двухлопастной турбины является то, что ее установка выполняется быстрее и безопаснее, чем трехлопастная версия.

          Двухлопастная турбина может быть поднята на место после установки лопастей турбины, пока она еще находится на земле, поскольку лопасти можно установить в горизонтальном положении и легко поднять как единое целое.

          У трехлопастной турбины одна лопасть всегда направлена ​​вниз, если она поднята как единое целое, поэтому более крупные ветряные турбины труднее поднять с земли как единое целое для монтажа.

          В большинстве крупных ветряных турбин с горизонтальной осью используются три лопасти, при этом положение ротора поддерживается против ветра за счет контроля рыскания. На рис. 8 показан трехлопастный ветряк.

          Три лопасти обеспечивают максимальное преобразование энергии при ограничении шума и вибрации. Три лопасти обеспечивают большую поверхность лопастей для преобразования энергии ветра в электрическую энергию, чем двухлопастная или однолопастная ветряная турбина.

          Лопасти больших ветряных турбин с горизонтальной осью настолько велики, что их необходимо перевозить по отдельности на грузовике и прицепе. Это также означает, что для установки башни и турбины необходим один или несколько очень больших кранов.

          Башня, на которой будет стоять большая трехлопастная турбина, также должна быть больше и усилена, чтобы выдерживать вес и выдерживать повышенную энергию ветра, которая используется для получения максимальной мощности.

          Лопасти на более крупных трехлопастных ветряных турбинах обычно устанавливаются по одной после того, как гондола установлена ​​на башне.

           На небольших трехлопастных турбинах лопасти могут быть установлены на ротор, когда ротор находится на земле. Затем вся сборка ротора поднимается краном и крепится к валу после установки гондолы на башню.

          Рисунок 8 Ветряная турбина с тремя лопастями

          Некоторые ветряные турбины имеют пять лопастей для эффективного производства электроэнергии из низкоскоростного ветра. На рис. 9 показан пятилопастный ветряк.

          Ветрогенератор с пятью лопастями обычно имеет более узкие и тонкие лопасти, что создает проблемы с прочностью. Хотя они превосходны при слабом ветре, они становятся неэффективными при сильном ветре и более шумны.

          Башня и основание вмонтированы в крышу здания, являющегося железобетонным. Этот тип ветряной турбины с пятью лопастями нуждается в очень прочном основании и башне, чтобы удерживать ветряную турбину на ветру.

          Обратите внимание на толщину башни и кожух вокруг лопастей, который помогает направлять поток воздуха прямо на лопасти.

          Рисунок 9 Ветряная турбина с пятью лопастями

          Сравнение типов лопастей ветряных турбин

          Лопасти ветряных турбин можно сравнивать различными способами, например, по размеру, весу, материалу и тому, как они производятся.

          Лопасти ветряных турбин могут быть изготовлены из различных материалов: от дерева для небольших лопастей до алюминия и других металлов для малых и средних лопастей.

          Лопасти турбины должны быть достаточно жесткими, чтобы их концы не вдавливались в башню сильным ветром, и в то же время достаточно маневренными, чтобы эффективно преобразовывать энергию ветра в электричество.

          Самые большие лопасти коммерческих ветряных турбин изготовлены из композитных материалов (углеродный состав, пластик и стекловолокно), что делает их легче по весу, но при этом достаточно прочными, чтобы выдерживать сильный ветер. Сердцевина может быть заполнена пенопластом или другим легким материалом для придания жесткости.

          Типичная лопасть из стекловолокна для ветряной турбины мощностью 100 кВт имеет длину 9 м (30 футов); типичная лопасть для ветряной турбины мощностью 2 мегаватта имеет длину 45 м.

           Blade Dynamics — британский разработчик ветряных турбин, разрабатывающий лопасти длиной от 80 до 100 м! Лопасть будет изготовлена ​​из углеродного волокна и собрана из более мелких частей. Он будет использоваться для будущих турбин мощностью 8-10 МВт.

          В таблице 1 приведены преимущества и недостатки одно-, двух- и трехлопастных ветряных турбин.

          Type of Wind Turbine Advantages Disadvantages
          Three-Blade Turbine 1. Quietest of the three types of turbines

          2. Least amount of вибрация

          3. Доступный регулятор шага лопасти позволяет лопасти улавливать максимальное количество ветра

          4. Самые низкие энергозатраты по сравнению с другими турбинами с лопастями аналогичного размера

          1. Тяжелее однолопастных и двухлопастных турбин

          2. Самый капиталоемкий из трех типов

          3. Требуется активный контроль рыскания, чтобы лопасти смотрели против ветра

          4. Требуются самые большие краны для строительства

          5. Требуется самая большая и тяжелая башня

          6. Большие лопасти труднее транспортировать на площадку башни

          Двухлопастная турбина 1. Начальная стоимость и вес ниже, они проще монтировать

          2. Вырабатывает больше энергии, чем однолопастная турбина

          1. Шумнее трехлопастной турбины

          2. Вырабатывает меньше энергии, чем трехлопастная турбина (при одинаковых размере и скорости вращения лопастей)

          Однолопастная турбина 1. Наименее дорогая

          2. Проще всего установить из-за малого веса и возможности установки лопасти, когда она находится на земле

          3. Требуется самая маленькая и легкая башня

          1. Шумнее трехлопастной турбины

          2. Должна работать с максимальной скоростью для производства такого же количества электроэнергии

          3. Наиболее подвержена вибрации на лопасти

          и недостатки ветряных турбин с одной, двумя и тремя лопастями

          Вопросы для повторения

          1. Каковы основные части ветряной турбины с горизонтальной осью?
          2. Если однолопастный и двухлопастный роторы одинакового диаметра производят одинаковую мощность при определенной скорости ветра, будет ли разница в уровне шума? Объяснять.
          3. Как вы думаете, что является основной причиной того, что трехлопастные роторы используются более широко, чем другие типы?
          4. Зачем однолопастному ветряку нужен один или несколько противовесов?
          5. Укажите три способа, с помощью которых ветряная турбина может обеспечить напряжение с нужной частотой для сети.

          Ответы

          1. Башня, несущий винт и лопасти несущего винта, тихоходный вал, редуктор, высокоскоростной вал, генератор и контроллер; также могут быть электронные преобразователи частоты
          2. Да. Поскольку они оба производят одинаковую мощность, ротор с одной лопастью вращается в два раза быстрее, чем ротор с двумя лопастями, и поэтому он более шумный.
          3. Трехлопастные турбины производят больше энергии, чем турбины других типов.
          4. Чтобы предотвратить вибрацию
          5. Три способа: (1) контролировать скорость турбины с помощью управления тангажем и рысканием, (2) обеспечивать свободный ход турбины и управлять выходной частотой с помощью системы электронного преобразователя и (3) использовать генератор индукционного типа с двойным питанием, в котором переменный ток возбуждения строго контролируется.