Компактная ветроускорительная турбина

Компактные ветроускорительные турбины ( CWAT ) — это класс ветряных турбин , в которых используются конструкции для ускорения ветра до того, как он попадет в ветрогенерирующий элемент. ^{[ 1 ]} Идея создания этих структур существует уже несколько десятилетий. ^{[ 2 ]} но не получил широкого признания на рынке. В 2008 году две компании, нацеленные на рынок средней мощности ветра (100 кВт-1 МВт), получили финансирование от венчурного капитала . Первой компанией, получившей финансирование, является Optiwind, которая получила финансирование серии A в апреле 2008 года, а второй компанией является Ogin, Inc. (ранее FloDesign Wind Turbine Inc.), которая также получила финансирование серии A в апреле 2008 года. Optiwind ^{[ 3 ]} финансируется через Charles River Ventures , а FloDesign финансируется через Kleiner Perkins . ^{[ 4 ]} Другие CWAT, находящиеся в стадии разработки, включают WindTamer от AristaPower, WindCube, Innowind (концептуальное морское применение) и турбины Enflo.

История

CWAT — это новая аббревиатура, охватывающая класс машин, ранее известных как DAWT (ветряные турбины с диффузором). Все упомянутые выше технологии используют усиление диффузора, которое по существу аналогично предыдущим конструкциям, в качестве основного средства ускорения. DAWT тщательно исследовались К. Форманом и Оманом из Grumman Aerospace в 1970-х и 1980-х годах, а также Игрой в Израиле в 1970-х годах. В конце десятилетия исследований и разработок аэродинамической трубы, финансируемых Грумманом, НАСА и Министерством энергетики , было установлено, что экономика системы DAWT недостаточна для оправдания коммерциализации. ^{[ нужна ссылка ]} В 1990-х годах лицензия на технологию Grumman была передана новозеландской компании Vortec Wind. Попытка коммерциализировать Vortec 7 в Новой Зеландии с 1998 по 2002 год доказала, что она экономически несостоятельна по сравнению с доминирующей технологией HAWT (ветряная турбина с горизонтальной осью).

Экономика

В конечном счете, любая конструкция ветряной турбины должна быть сопоставлена с экономическими реалиями. Он должен положительно ответить на вопрос: «Является ли стоимость установки и эксплуатации системы ниже, чем стоимость других альтернатив, включая местную электросеть?» Исторически сложилось так, что конструкции CWAT/DAWT не смогли преодолеть это препятствие по сравнению с более традиционными конструкциями HAWT. Однако есть основания полагать, что это уравнение может сместиться в сторону этих новых конструкций. Двумя основными движущими силами этого уравнения были объем дополнений и структурные последствия этих дополнительных элементов дизайна.

Увеличение

Первый фактор касается увеличения мощности и метода сравнения, используемого разработчиками DAWT (а в последнее время и CWAT) для определения того, стоит ли разрабатывать систему. Грумман и другие предприниматели, пытающиеся коммерциализировать эти машины, сравнивают свои машины с HAWT на основе сравнения площади ротора. В роли Ван Басселя из Делфта («Наука об увеличении крутящего момента за счет ветра: пересмотр экспериментов и теории диффузора», GJW van Bussel, Делфт, 2007) ^{[ 5 ]} Как уже отмечалось, это неточное сравнение, и сравнение кратных мощностей следует проводить на основе площади выхода диффузора или кожуха, а не площади ротора. Грумман заявил о 4-кратном увеличении по сравнению с турбиной без кожуха на основе ускорения, в 1,6 раза превышающего скорость окружающего ветра (Исследование турбин с диффузором, дополненных диффузором, DG Philips, 2003 (справочные материалы взяты из К.М. Формана)). Ускорение 1,6 фактически в 2,6 раза превышает мощность HAWT, если отношение ротора с кожухом к выходной площади составляет 1,6. Однако, если отношение площади ротора к выходной площади составляет 2,75 (как это было в случае с Grumman), фактическое увеличение мощности по сравнению с HAWT с той же площадью рабочей поверхности, что и площадь выхода диффузора, составит всего лишь 1,4× мощности (Cp 0,34, связанный с к выходной зоне, немного лучше, чем у небольшой ветряной турбины без воздуховода, и значительно хуже, чем у ветряной турбины общего назначения Cp). Учитывая, что DAWT с таким соотношением имеют прочность примерно 60+% с учетом лопастей и диффузора, а прочность HAWT составляет примерно 10%, стоимость и количество материала, необходимые для получения 40% усиления, перевешивают увеличение мощности. ^{[ нужна ссылка ]}

Структурные последствия

Во-вторых, это структурные требования по сопротивлению опрокидыванию и изгибу при экстремальных ветровых нагрузках, на которые должны быть рассчитаны все ветряные турбины в соответствии с серией стандартов IEC 61400 (IEC) . Структура DAWT обычно имеет плохие характеристики сопротивления (см. DG Philips). Это в сочетании с более высокой прочностью может привести к существенно большим затратам на конструкцию, чем HAWT, в опорной конструкции, опоре отклонения от курса и фундаменте при использовании традиционных монопольных конструкций. Однако появление новых конструкций башен, геометрии фланцев и систем фундаментов, по-видимому, успешно бросает вызов этим историческим нормам, но если это так, то эти достижения могут быть с тем же успехом применены для улучшения экономики традиционных конструкций HAWT. ^{[ нужна ссылка ]}

Оптивинд

В случае с Optiwind (ныне несуществующей), похоже, появляется все больше свидетельств того, что, по их мнению, они решили как ускорение, так и экономические проблемы, возникающие при разработке CWAT/DAWT. В то время как предыдущие попытки создания новых конструкций в этой категории были сосредоточены исключительно на величине ускорения, Optiwind, похоже, применил более целостный подход к своей конструкции, принимая во внимание как стоимость, так и выгоду от ускорения. Кроме того, данная конструкция успешно учитывает текущие затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание всего агрегата. ^{[ нужна ссылка ]} В нем отсутствуют важные факторы затрат систем HAWT - большие композитные лопасти, коробка передач, двигатель поворота, регулировка угла наклона, смазка и т. д. Кроме того, новая геометрия фундамента, по-видимому, смягчила структурные проблемы, связанные с конструкцией традиционного монопольного фундамента. ^{[ нужна ссылка ]}, который изначально был задуман для компенсации эффекта встречного вращения («раскачивания») больших трехлопастных турбин. Таким образом, разумно предположить, что целостный подход Optiwind к общесистемным затратам привел к ряду проектов и открытий, которые могут реально обеспечить экономические преимущества ускоренного ветра по цене, меньшей, чем чистая стоимость системы. Это справедливо, если сравнивать систему Optiwind с HAWT исключительно по рейтингу. Проблема в том, что если сравнить конструкцию Optiwind по высоте трубы (расстояние от самой нижней турбины до самой высокой турбины) с традиционным HAWT того же диаметра, общая выходная мощность машины будет на 20% меньше этой. HAWT, со всеми сопутствующими материальными и структурными расходами, обычно связанными с CWAT/DAWT. ^{[ нужна ссылка ]} В среднем система CWAT/DAWT должна будет производить как минимум в 2–3 раза больше энергии, которую может произвести HAWT, на максимальной площади, используемой CWAT/DAWT, чтобы компенсировать существенно более высокие материальные затраты. ^{[ нужна ссылка ]} Пока нет никаких доказательств того, что существуют какие-либо конструкции DAWT/CWAT, способные обеспечить такой уровень увеличения по сравнению с HAWT.

Огин (ранее FloDesign Wind Turbine)

MEWT Огина (ветряная турбина со смесителем-эжектором, еще один вариант CWAT) отличается от предыдущих DAWT использованием лопастного двухступенчатого диффузора (машины Grumman и Vortec также были двухступенчатыми, но коническими, а не лопастными) для выравнивания давления в зоне выхода диффузор. Теория состоит в том, что создание равномерного распределения давления с помощью кулачков и нагнетание внешнего потока предотвратит отрыв пограничного слоя в диффузоре, тем самым обеспечивая максимальное ускорение через ротор. В статье Верле и Преша (главных ученых Flodesign), Техническая записка AAIA «Возвращение к канальным водяным/ветряным турбинам – 2007 г.», подробно описана теория, лежащая в основе их конструкции. Максимальное ускорение, подробно описанное в их статье, в 1,8 раза превышает скорость окружающей среды, из чего они делают вывод, что на роторе имеется в 3 раза больше мощности, чем у турбины без кожуха. При обращении к зоне выхода этот кратный падает до уровня мощности HAWT. Судя по опубликованным изображениям и САПР, турбина Огина по существу похожа на машины Vortec и Grumman, за исключением лопастного внутреннего кольца. ^{[ 6 ]} Это указывает на то, что его характеристики сопротивления могут быть схожими. Более новая информация на веб-сайте Ogin (www.oginenergy.com) показывает доли, сплюснутые в 2D-панели. Несколько ветряных турбин Ogin были выведены из строя менее чем через шесть месяцев по неизвестным причинам. ^{[ 7 ]}

Производительность

Наука об ускорении ветра вокруг конструкции, а также преимущества кожуха/диффузора в рассеивании вихрей хорошо изучены и проверены. Начиная с Бернулли, наука в значительной степени проверяла эти концепции, и существует общий академический консенсус относительно их достоверности и их потенциального влияния на производство ветровой энергии. Однако у DAWT есть классическая проблема разделения пограничного слоя, с которой сталкиваются аэродинамические профили при «сваливании» угла атаки. ^{[ нужна ссылка ]} Это значительно снижает ускорение, достижимое с помощью DAWT, по сравнению с теоретической скоростью, указанной его отношением выхода к площади, согласно упомянутой выше статье Flodesign. Обычно считается, что, поскольку количество энергии, производимой ветряной турбиной, пропорционально кубу скорости ветра, любой выигрыш от ускорения потенциально статистически значим для экономики ветра. Однако, как уже отмечалось, это неточно, поскольку игнорируется влияние соотношения выхода к площади и, следовательно, это сравнение яблок и апельсинов. ^{[ нужна ссылка ]} В случае типичного CWAT/DAWT результат мощности при идеальной теоретической работе с учетом площади кожуха на самом деле равен квадрату скорости ротора. ^{[ нужна ссылка ]} Поскольку CWAT/DAWT отклоняется от теоретической функции, увеличение мощности значительно падает в соответствии с формулой, полученной из сохранения массы:

Отношение мощности _{DAWT к HAWT} = ( _горло / _впуск ) (v _горло / v _{набегающий поток} ) ³

Отношение мощности _{DAWT к HAWT} = (1/2,75)(27,5 мс/10 мс) ³ = 7,56 прибавка

Так, например, DAWT работает с теоретической функцией 1,8 с коэффициентом площади 2,75 в соответствии с Flodesign,

Коэффициент мощности _{DAWT к HAWT} = (1/2,75)(18 мс/10 мс) ³ = 2,12 прибавка

Для максимального заявленного увеличения скорости в DAWT в 1,6 × набегающего потока

Отношение мощности _{DAWT к HAWT} = (1/2,75)(16 мс/10 мс) ³ = 1,48 прибавка

Не настолько существенно, чтобы компенсировать связанные с этим затраты. ^{[ нужна ссылка ]} Проблема с optiwind еще более серьезна, поскольку система покрывает только часть очищаемой площади, доступной для HAWT, от высоты штабеля.

Задачей всегда была и остается установка, эксплуатация и обслуживание этих структур по цене, меньшей, чем дополнительная выгода, получаемая от их присутствия. Недавние разработки в области материаловедения, методологии установки и общей системной интеграции привели к гораздо более реалистичному мнению, что мы очень близки к этому появлению и зарождению нового, высокоустойчивого класса ветряных турбин, если проблемы, разъясненные выше, могут быть решены. что до сих пор остается весьма сомнительным ^{[ нужна ссылка ]} для геометрии DAWT.

Среди последних разработок DAWT, которые, по-видимому, имеют явно положительную мощность, если не стоимость, по сравнению с HAWT, является турбина Enflo. Судя по соотношению ротор:выход и опубликованным характеристикам мощности, эта турбина, по-видимому, имеет подтвержденное двукратное увеличение выходной мощности по сравнению с HAWT, равным диаметру выходной области. По-прежнему маловероятно, что эта машина сможет масштабироваться до более высоких номиналов, но, судя по опубликованным данным (не подтвержденным сторонним тестированием), Enflo представляется наиболее производительным DAWT/CWAT, когда-либо созданным. ^{[ 8 ]}

Глоссарий

CWAT, Компактная ветроускорительная турбина
DAWT, Ветряная турбина с диффузором
HAWT, Ветряная турбина с горизонтальной осью
СМЕРТЬ, Смесительно-эжекторная ветряная турбина

См. также

Прочность клинка
Всемирный торговый центр Бахрейна. Пример трех ветряных турбин, в данном случае в некомпактном и новом форм-факторе.

Ссылки

^ ДеРоса, Рональд; «Новая компания хочет использовать энергию ветра в этом районе»: Register Citizen , 31 августа 2008 г.
^ Лейбовиц, Барри; Даффи, Роберт, «Проверочный анализ системы преобразования энергии ветра на платформе тороидального ротора ускорителя», подготовлено для Управления энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк, сентябрь 1988 г.
^ "Дом" . optiwind.com .
^ О'Брайен, Джордж; «FloDesign — это инновации вплоть до науки»; Бизнес Вест , 28 апреля 2008 г.
^ Ван Бассел, Джерард Дж. В. (2007). «Наука получения большего крутящего момента от ветра: новый взгляд на эксперименты и теорию диффузора» . Физический журнал: серия конференций . 75 (1): 012010. Бибкод : 2007JPhCS..75a2010V . дои : 10.1088/1742-6596/75/1/012010 . S2CID 250685356 .
^ «ВЕТРОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ: Закрытые и канальные ветряные турбины» . Архивировано из оригинала 27 июня 2014 г. Проверено 27 июня 2014 г.
^ «ВЕТРОВЫЕ РАБОТЫ: фотографии крупным планом демонтажа Ogin DAWT на перевале Сан-Горгонио» .
^ "Enflo-windtec.ch" .

[1] ДеРоса, Рональд; «Новая компания хочет использовать энергию ветра в этом районе»: Register Citizen , 31 августа 2008 г.

[2] Лейбовиц, Барри; Даффи, Роберт, «Проверочный анализ системы преобразования энергии ветра на платформе тороидального ротора ускорителя», подготовлено для Управления энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк, сентябрь 1988 г.

[3] "Дом" . optiwind.com .

[4] О'Брайен, Джордж; «FloDesign — это инновации вплоть до науки»; Бизнес Вест , 28 апреля 2008 г.

[5] Ван Бассел, Джерард Дж. В. (2007). «Наука получения большего крутящего момента от ветра: новый взгляд на эксперименты и теорию диффузора» . Физический журнал: серия конференций . 75 (1): 012010. Бибкод : 2007JPhCS..75a2010V . дои : 10.1088/1742-6596/75/1/012010 . S2CID 250685356 .

[6] «ВЕТРОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ: Закрытые и канальные ветряные турбины» . Архивировано из оригинала 27 июня 2014 г. Проверено 27 июня 2014 г.

[7] «ВЕТРОВЫЕ РАБОТЫ: фотографии крупным планом демонтажа Ogin DAWT на перевале Сан-Горгонио» .

[8] "Enflo-windtec.ch" .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]