Все о лопастях ветряных турбин — 10 самых популярных вопросов по ветроэнергетике
Ветряная турбина (ветроэлектрическая установка), также известная как ветрогенератор, представляет собой механическое устройство, которое преобразует кинетическую энергию, создаваемую ветром, в электрическую энергию.
Долгий опыт эксплуатации и испытаний ветроэлектрических установок позволил создать конструкцию с аэродинамическим дизайном, которая позволяет сочетать производительность, экономичность и масштабируемость.
Лопасти ветряной турбины играют важную роль, и их форма, угол наклона, вес и используемые материалы могут иметь большое влияние на эффективность турбины для производства электроэнергии.
Лопасти ветряных турбин должны иметь аэродинамический профиль, чтобы создавать подъемную силу и генерировать максимальный крутящий момент для вращения турбины и привода генераторов. Таким образом, форма лопасти ветряной турбины имеет жизненно важное значение для основного функционирования машины.
1. Как длина лопастей влияет на ветроэлектрическую установку?
Ветроэлектрическая установка с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для использования энергии ветра.
2. Какая длина у лопастей ветряной турбины?
На сегодняшний день наиболее распространенные промышленные ветряные турбины имеют высоту около 70 метров. Их выходная мощность зависит от размера и высоты, но обычно она колеблется от одного до пяти мегаватт
Лопасти таких ветряных турбин в среднем имеют длину около 50 метров, что позволяет им охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии.
До этого года самые длинные в мире лопасти имела ветряная турбина, произведенная компанией LM Wind Power — 107 метров. На данный момент, рекордсменом по этому параметру считаются ветряные турбины Siemens Gamesa Renewable Energy мощностью 14 МВт, в которых используются 108-метровые лопасти.
В настоящее время разрабатываются и более длинные лопасти. Так датский производитель ветряных турбин Vestas в этом году планирует провести испытания лопасти ротора длиной длиной 115,5 метров для нового прототипа ветряной турбины V236-15,0 МВт в Фраунгоферовском институте ветроэнергетических систем IWES в Бремерхафене в Германии. Ожидается, что эти ветряные турбины будут построены и введены в коммерческую эксплуатацию в 2024 году.
3. Какой формы лопасти ветряка лучше всего?
Чем быстрее дует ветер, тем больше подъемная сила создается на лопасти, следовательно, тем быстрее вращение. Преимущества изогнутой лопасти ротора по сравнению с плоской лопастью заключаются в том, что подъемная сила позволяет концам лопастей ветряной турбины двигаться быстрее, чем движется ветер, создавая большую мощность и более высокую эффективность.
Слегка изогнутые лопасти турбины могут улавливать на 5–10 % больше энергии ветра. Изогнутые лопасти также более эффективно работают в районах с более низкой скоростью ветра.
Оптимальной формой лопасти ветряной турбины является изогнутая лопасть с аэродинамическим профилем, поскольку эта форма обеспечивает более высокие скорости вращения, что идеально подходит для выработки электроэнергии.
Изогнутая форма лопасти создает подъемную силу за счет низкого давления воздуха, создаваемого на стороне с наибольшей кривизной, и сил воздуха высокого давления на другой стороне аэродинамического профиля в форме лопасти. Эти две силы создают подъемную силу, перпендикулярную потоку воздуха над лопастями турбины.
Хорошо спроектированная лопасть ротора турбины создаст точное количество подъемной силы и тяги, обеспечивающее оптимальное воздушное замедление для повышения эффективности лопасти.
4. Должны ли лопасти ветроенераторов быть тяжелыми или легкими?
Лопасти ветрогенераторов должны быть легкими, так как они более эффективны, когда они легче. Это облегчает сборку и разборку ветряных турбин, а также облегчает их вращение, повышая их производительность. Хотя легкие системы с высокой прочностью материала идеальны, уменьшение массы может привести к повышенному риску разрушения конструкции.
Большие ветрогенераторы с тяжелыми лопастями также могут негативно повлиять на местную дикую природу, особенно на стаи перелетных птиц, которые попадают под лопасти и погибают.
Как и в случае с большинством механических систем, баланс параметров прочности и веса для общей производительности является обычным явлением.
5. Какой лучший угол для лопастей ветрогенератора?
Для каждой скорости ветра существует оптимальный угол наклона лопастей, при котором мощность, вырабатываемая ветрогенератором, максимальна. Этот оптимальный угол зависит от скорости ветра. Так, например, угол наклона 5° является оптимальным для ветрогенератора при рабочей скорости 7 м/с для оптимальной выработки электроэнергии, 20° при 15,1 м/с и 30° при 25,1 м/с. Работа ветрогенератора под другими углами приводит к снижению мощности.
Тяга увеличивается с увеличением скорости набегающего потока воздуха из-за большей передачи импульса. Тяга уменьшается с увеличением угла наклона лопасти из-за уменьшения лобовой площади и, следовательно, уменьшения сопротивления лопасти.
6. Почему у ветрогенераторов только три лопасти?
Лопатки ветрогенератора соединены с центральной ступицей. Эта сборка лопастей и ступицы называется ротором турбины, который генерирует аэродинамический крутящий момент от ветра.
Резонный вопрос, почему ветряка всего три лопасти? Чтобы ответить на этот вопрос нужно учитывать ряд соображений.
Во-первых использование более трех лопастей мало влияет на КПД ветрогенератора, который увеличивается очень незначительно, если используются четыре лопасти, а не три, но вес ротора при этом увеличивается, а скорость вращения, при которой достигается пиковая мощность, снижается.
Во-вторых, больше лопастей означает более высокие материальные и производственные затраты. Больше лопастей требуют более трудоемкого обслуживания.
При увеличении количества лопастей они должны быть тоньше, что приводит к потере жесткости и аэродинамической эффективности. Большое количество лопастей могут увеличить давление и привести к опрокидыванию всей конструкции турбины.
Наконец, три лопасти позволяют хорошо сбалансировать динамическую ветровую нагрузку на вращающийся ротор. С тремя лопастями угловой момент остается постоянным, потому что, когда одна лопасть поднята, две другие направлены под углом. Таким образом, ветряная турбина может плавно вращаться против ветра.
По всем этим причинам три лопасти стали стандартом в ветроэнергетике.
7. Какова оптимальная скорость вращения лопастей ветряной турбины?
Скорость ветряной турбины определяет количество электроэнергии, которую она может произвести.
Если лопасти вращаются слишком медленно, большое количество ветра будет проходить беспрепятственно, ограничивая количество энергии, которое потенциально может быть произведено. С другой стороны, если лопасти вращаются слишком быстро, они действуют как большой плоский вращающийся диск на ветру, что создает огромное сопротивление и ограничивает количество энергии, которое может быть произведено.
Оптимальное отношение скорости кончиков лопастей определяется как отношение скорости кончиков лопастей к скорости ветра. Этот показатель зависит от нескольких факторов, включая формы, количества и конструкции лопастей турбины.
Стандартные скорости вращения ветряных турбин варьируются от 5 — 25 оборотов в минуту.
Современные ветряные турбины, проектируют так, чтобы они могли вращаться с различной скоростью, а высокоэффективные трехлопастные турбины имеют оптимальное соотношение скоростей лопастей от шести до семи.
Ветряные турбины, которые работают с постоянным передаточным числом или близким к их оптимальному передаточному отношению во время сильных порывов ветра улучшают эффективное улавливание и преобразование энергии.
8. Из каких материалов сделаны лопасти современных ветроэлектрических установок?
Материал лопастей турбины играет решающую роль в эффективности машины для выработки электроэнергии.
Лопасти ветрогенератора должны иметь малый вес, высокую прочность, высокую жесткость, высокую усталостную прочность и высокое сопротивление к разрушениям, позволяющие выдерживать удары молнии, град, влажность и большие перепады температур.
Для изготовления лопастей ветряных турбин используется несколько типов материалов, что позволяет лопастям работать с максимальной эффективностью.
Наиболее подходящим материалом для изготовления лопастей ветроустановки являются армированные волокнами композиты, обладающие высокой прочностью и жесткостью, а также низкой плотностью. Лезвия меньшего размера могут быть изготовлены из легких металлов, таких как алюминий, однако они потребуют частого обслуживания.
В настоящее время коммерческие лопасти ветряных турбин изготавливаются из армированных волокном полимеров, которые представляют собой композиты, состоящие из полимерной матрицы и волокон.
Длинные волокна в этих материалах обеспечивают прочность и продольную жесткость, в то время как матрица обеспечивает прочность вне плоскости, прочность на расслоение, вязкость разрушения и жесткость.
Армированные стекловолокном и углеродным волокном пластмассы — стеклопластики и углепластики — также являются хорошими материалами для изготовления лопастей, поскольку они обладают высокой вязкостью разрушения, сопротивлением усталости и термической стабильностью.
9. Могут ли лопасти ветряной турбины вращаться в обе стороны?
Точно так же, как крыло самолета создает подъемную силу за счет воздуха, протекающего под ним, так и лопасти ротора ветряной турбины вращаются, приводимые в движение потоком ветра над его поверхностью. Имеет значение, в каком направлении вращаются эти огромные лопасти ротора?
Лопасти ротора ветряной турбины могут быть спроектированы так, чтобы они вращались в обоих направлениях для производства электроэнергии — по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Большинство турбин вращаются по часовой стрелке по причинам, связанным с удобством и единым мировым стандартом. Однако направление вращения ротора может иметь значение, когда две или более ветряных турбин размещаются одна за другой.
10. Как обслуживаются и ремонтируются лопасти?
Существует два вида технического обслуживания: профилактическое и корректирующее. Первое заключается в проведении периодических осмотров для определения состояния лопастей и поиска возможных повреждений.
Эти проверки осуществляются разными способами: с земли, путем залезания на лопасти с помощью канатов, кранов или подъемных платформ.
Со своей стороны, корректирующее обслуживание состоит из ремонта или реконструкции лопастей для устранения повреждений, которые появляются как на поверхности, так и в ее конструкции.
Лопасти ветряных турбин могут иметь трещины, повреждения, вызванные ударами молнии и птиц, или отверстия в передней или задней кромке, а также другие повреждения.
В настоящее время изучаются альтернативные системы ремонта и очистки, такие как дистанционно управляемые дроны, чтобы операторам не приходилось взбираться на ветроэлектрические установки.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
В чем отличия многолопастных винтов и малолопастных
Очень часто люди заблуждаются в том что многолопастные винты для слабого ветра, а трех-двух лопастные для сильного. И многие считают что для слабых ветров более эффективен именно многолопастной винт, ведь много лопастей, от этого тяга выше, больше ветра охватывают лопасти, крутящий момент выше, и следовательно мощность, но это не так. Из за большего количества лопастей выше стартовый момент, поэтому если генератор имеет сильное магнитное залипание, то приходится что-то делать чтобы увеличить стартовый момент, и обычно это добавление лопастей.
Давайте представим сначала одну лопасть и действующие на нее физические факторы. Лопасть имеет крутку, углы относительно потока ветра, и ветер налегая на нее, заставляет лопасть под давлением двигаться (выдавливаться вперед по оси вращения). Но лопасть двигаясь в своей плоскости преодолевает лобовое (фронтальное) сопротивление плотного воздушного потока. Этот поток и тормозит лопасть не давая ей набрать больше оборотов, и чем выше обороты, тем выше аэродинамическое сопротивление.
Если же лопастей больше чем одна, две-три, или 12 штук, то аэродинамическое сопротивление всех лопастей не остается равным одной, оно складывается, потери складываются в общие и обороты винта падают. Много энергии тратится просто на вращение. Плюс проходящие лопасти сильно возмущают поток закручивая его, от этого позади идущие лопасти получают еще большее лобовое сопротивление и снова тратится отнимаемая у ветра мощность и падают обороты. Именно на обороты тратится много мощности отбираемой у ветра.
Так же когда по кругу целый лес из лопастей, то ветру становится труднее проваливаться сквозь винт. Ветроколесо задерживает поток ветра, спереди винта образуется воздушная «шапка», и новые порции ветра натыкаясь на эту «шапку» рассеиваются в стороны. Знаете как ветер огибает препятствия, вот так и винт для ветра как сплошной щит.
Но многие подумают что чем больше лопастей тем больше энергии можно отнять у ветра за единицу времени, но это тоже не так, здесь важно не количество лопастей, а обороты и быстроходность винта. Например 6 лопастей скажем при 60об/м сделают один оборот пропустив куб ветра и отняв у него некую порцию энергии, а 3 лопасти сделают два оборота за это же время, и отнимут столько же энергии. Если поднять быстроходность еще, то отнимется больше энергии. Не важно сколько лопастей, одна или десять, так как одна лопасть вращаясь в десять раз быстрее отнимет столько же энергии, сколько и десять медленно вращающихся лопастей.
Быстроходность ветроколеса.
Быстроходность винта это отношение скорости движения кончика лопасти к скорости ветра в метрах в секунду. Так при одних и тех же оборотах быстроходность по длинне лопасти разная, то и углы установки лопасти по ее длинне разные. Кончик лопасти всегда движется в два раза быстрее чем середина лопасти, поэтому у кончика угол равен почти нулю, чтобы снизить лобовое сопротивление, чтобы лопасть прорезала воздух имея минимальное сопротивление.
Так же чем быстрее движется лопасть тем сильнее изменяется угол атаки ветра на лопасть. Давайте представим что вы сидите в машине и вам в боковое стекло бьет снег, но когда вы начнете ехать, то снег уже будет бить и в лобовое, а когда вы наберете скорость, то снег уже будет бить напрямую в лобовое стекло, хотя когда вы остановитесь снег снова будет бить сбоку. Так и лопасть когда наберет скорость, то ветер будет налегать на нее под другим углом. Поэтому кончик лопасти делают всего 2-5 градусов, так как разогнавшись она выйдет на оптимальный угол атаки ветра и будет отнимать максимум возможной энергии. В середине лопасти быстроходность в два раза меньше, поэтому и угол в два раза больше, 8-12градусов, а у корня еще больше, ведь там быстроходность в разы меньше.
Подробнее про расчет углов можно прочитать здесь Расчет лопастей ветрогенератора
Для быстроходных малолопастных винтов углы делаются меньше. Например для трехлопастных винтов обычная быстроходность около Z5, то-есть винт имеет максимальную мощность вращаясь со скоростью в пять раз выше скорости ветра. В этом случае кончик лопасти имеет около 4 градуса, середина 12 градусов, а у корня около 24 градуса.Если лопастей шесть, то быстроходность в два раза ниже, значит и углы в два раза больше. Ну и еще чем тоньше лопасть и меньше ее площадь, тем она быстроходнее, и меньше ее аэродинамическое сопротивление, поэтому и три лопасти если они широкие будут иметь низкую быстроходность, а шесть или двенадцать тонких, узких лопастей будут иметь большую быстроходность.
В итоге например трехлопастной и шестилопастной винт будут иметь равную мощность на малом ветру, потому что три лопасти быстроходностью Z5 сделают в два раза больше оборотов чем шесть лопастей быстроходностью Z2,5 за тоже время , а значит отнимут у ветра тоже количество энергии. Но на более сильном ветру шестилопастной винт проиграет и сильно трехлопастному, так как три лопасти имеют меньшее аэродинамическое сопротивление и смогут набрать большие обороты, и следовательно отработать за единицу времени с большим количеством ветра, ведь чем быстрее лопасть движется, тем больше мощности у ветра она отберет.
Единственный плюс что чем больше лопастей, тем лучше стартовый момент, и если генератор имеет магнитное залипание, то многолопастной винт будет стартовать раньше, но крутящий момент и мощность будут выше у малолопастных винтов.
Да, и крутящий момент, так как скоростной винт наберет обороты, углы лопасти станут оптимальны для реально набегающего на лопасть потока ветра, а мы знаем что реальный угол меняется в зависимости от скорости движения самой лопасти и крутящий момент будет выше, так как меньше потери энергии на лобовое сопротивление лопастей.
Так-же многолопастные винты более тяжелые, а значит работают как маховик. Если колесо набрало обороты, то сам винт запасает энергию и его труднее резко остановить, но и когда ветер подует сильнее этот маховик надо еще раскрутить, поэтому многолопастные винты хуже реагируют на изменение силы ветра, и кратковременные порывы ветра могут даже не заметь. А легкие винты могут дать энергию даже с короткого порыва ветра. Это хорошо заметно по амперметру когда наблюдаешь за силой тока. Шестилопастной работает более мягко, нет больших скачков по току. А трехлопастной отрабатывает каждый порыв и стрелка живо бегает туда сюда, а ведь это энергия, которая в итоге накапливается в аккумуляторе, и разница в отдаче может быть очень значима, особенно на порывистом ветре и если мачта установлена низко где поток ветра турбулентный.
Еще один фактор это обороты, многолопастной винт значит тихоходный, значит и генератор такой-же, значит генератор больше, магнитов больше, провода обмотки больше, вес железа больше, в итоге и цена значительно больше. А генератор это обычно самая дорогая часть ветрогенератора. И обороты имеют самую важную роль, ведь чем выше обороты винта при той-же скорости ветра тем генератор выдаст больше мощности, и тут если оборотов не хватает, то или генератор больше и мощнее, или мультипликатор придумывать.
Но везде есть свои но, конечно самые дешевые и эффективные винты однолопастные, но их нужно делать очень точно и отбалансированно, все рассчитывать, аэродинамика лопасти должна быть идеальной, иначе вибрации и биения винта, а потом и развалившийся ветряк вам гарантированы. В принципе по этому даже заводские однолопастные ветряки почти никто не выпускает. Более оптимальными оказались трехлопастные винты, они не такие скоростные, поэтому и некоторый дисбаланс винта не страшен, но и обороты высокие, а значит и генератор дешевле.
Но все таки скоростные лопасти требуют правильной аэродинамики, иначе вся эффективность может упасть в разы. Поэтому в домашних условиях часто проще, хоть и дороже делать грубый, большой, малоэффективный, но простой в изготовлении ветряк, без всяких расчетов и походу его улучшать, переделывать, и опять переделывать, и наконец или набраться знаний и довести все до ума, или бросить и сказать что все это фигня, купил у китайцев и не мучайся, все равно лучше чем на заводе не сделаешь, только деньги зря на ветер выкенеш.
Ветрогенераторы: почему у конструкции не две лопасти и не четыре, а именно три
Получайте на почту один раз в сутки одну самую читаемую статью. Присоединяйтесь к нам в Facebook и ВКонтакте.
Ветрогенератор – это устройство, благодаря которому энергия ветра превращается в электроэнергию. И этот прибор имеет специфическое строение. У него по умолчанию только три лопасти. Почему именно такое количество было предусмотрено изначально конструкторами, многим непонятно.
Ничего удивительного в наличии трех лопастей нет — все объясняется с научной точки зрения / Фото: happymodern.ru
На самом деле ничего странного нет, так как эта особенность является промышленным стандартом, обоснованным научно.
Ветрогенератор устроен таким образом, чтобы максимально повысить скорость вращения при небольшом крутящем моменте / Фото: oboiman.ru
Чем меньшее количество лопастей у сооружения, тем с большей скоростью она вращается, а крутящий момент, возникающий на валу, снижается. Если же количество их будет больше, то крутящий момент соответственно повысится, а скорость, с которой они будут крутиться, снизится в связи с ростом сопротивления.
Другими словами, если «крыльев» будет только два, турбина будет намного быстрее крутиться, но крутящий момент будет не таким, как нужно. Плюс к этому появляется дополнительная проблема – это шум и повышенные вибрационные показатели, которые изнашивают сооружение. Четыре лопасти обеспечивали бы незначительное увеличение крутящего момента, но вращение было бы гораздо более медленным.
Кроме технических моментов есть и экономический. Одна лишняя лопасть прибавила бы стоимости конструкции. Цена выросла бы в разы. В связи со всем перечисленным оптимальным признали трехлопастной вариант конструкции. При этом она приобрела еще и привлекательный внешний вид.
Источник http://electricalschool.info/wind/2631-vse-o-lopastyah-vetryanyh-turbin.html
Источник http://e-veterok.ru/mnogolopastnoy_malolopastnoy_vint_vetrogeneratora.php
Источник https://novate.ru/blogs/230920/56127/
