Ветряная турбина с вертикальной осью


Ветряная турбина с вертикальной осью ( VAWT ) — это тип ветряной турбины , в которой вал главного ротора расположен поперек ветра, а основные компоненты расположены в основании турбины. Такое расположение позволяет располагать генератор и коробку передач близко к земле, что облегчает обслуживание и ремонт. VAWT не нужно направлять против ветра, [1] [2] что устраняет необходимость в механизмах определения ветра и ориентации. К основным недостаткам ранних конструкций ( Савониуса , Дарье и Гиромилла ) относились значительные пульсации крутящего момента во время каждого оборота и большие изгибающие моменты на лопастях. вращения лопастей В более поздних конструкциях пульсации крутящего момента были решены за счет винтового ( тип Горлова ). [3] Ветряные турбины Савониуса с вертикальной осью (VAWT) не получили широкого распространения, но их простота и лучшая производительность в возмущенных полях потока по сравнению с небольшими ветряными турбинами с горизонтальной осью (HAWT) делают их хорошей альтернативой устройствам распределенной генерации в городской среде. [4]
Ветряная турбина с вертикальной осью имеет ось, перпендикулярную линиям тока ветра и вертикальную земле. Более общий термин, включающий этот вариант, - это «ветряная турбина с поперечной осью» или «ветряная турбина с поперечным потоком». Например, оригинальный патент Дарье, патент США 1835018, включает оба варианта.
VAWT тягового типа, такие как ротор Савониуса, обычно работают при более низких передаточных числах, чем VAWT с подъемной силой, такие как роторы Дарье и циклотурбины .
Компьютерное моделирование показывает, что ветряные электростанции, построенные с использованием ветряных турбин с вертикальной осью, на 15% более эффективны, чем обычные ветряные турбины с горизонтальной осью, поскольку они создают меньшую турбулентность. [5] [6]
Общая аэродинамика
[ редактировать ]Силы и скорости, действующие в турбине Дарье, изображены на рисунке 1. Результирующий вектор скорости , — векторная сумма невозмущенной скорости воздуха против потока, , а вектор скорости наступающей лопасти .

Таким образом, скорость набегающей жидкости меняется в течение каждого цикла. Максимальная скорость находится для и минимум находится для , где – это азимутальное или орбитальное положение лопасти. Угол атаки , , — угол между скоростью набегающего воздуха W и хордой лопасти. Результирующий воздушный поток создает переменный положительный угол атаки на лопасть в зоне входа машины, меняя знак в зоне выхода машины.
Из геометрических соображений угловой скорости, как видно на прилагаемом рисунке, следует, что:
и:
Решение относительной скорости как результата тангенциальной и нормальной составляющих дает:
Таким образом, объединив вышеизложенное с определениями передаточного числа наконечников дает следующее выражение для результирующей скорости:
Угол атаки определяется как:
Что при замене приведенного выше дает:
Результирующая аэродинамическая сила разлагается либо на составляющие подъемной силы (L) – сопротивления (D), либо на составляющие нормальной (N) – тангенциальной (T). Силы считаются действующими в точке четверти хорды, а момент тангажа определяется для разрешения аэродинамических сил. Авиационные термины «подъем» и «сопротивление» относятся к силам, действующим поперек (подъем) и вдоль (перетаскивание) приближающегося чистого относительного воздушного потока. Тангенциальная сила действует вдоль скорости лопасти, растягивая ее, а нормальная сила действует радиально, давя на подшипники вала. Подъемная сила и сила сопротивления полезны при работе с аэродинамическими силами вокруг лопасти, такими как динамический срыв , пограничный слой и т. д.; тогда как при глобальной производительности, усталостных нагрузках и т.п. удобнее иметь нормально-тангенциальную раму. Коэффициенты подъемной силы и сопротивления обычно нормируются по динамическому давлению относительного воздушного потока, тогда как нормальные и тангенциальные коэффициенты обычно нормируются по динамическому давлению невозмущенной скорости жидкости вверх по потоку.
A = Площадь лопасти (не путать с Очищаемой площадью, которая равна высоте лопасти/ротора, умноженной на диаметр ротора),R = радиус турбины
Количество мощности P, которое может быть поглощено ветряной турбиной:
Где коэффициент мощности, плотность воздуха, - ометаемая площадь турбины, а это скорость ветра. [10]
Типы
[ редактировать ]Существует два основных типа ветряных турбин с вертикальной осью. Т.е. ветряная турбина Савониуса и ветряная турбина Дарье. Ротор Дарье бывает различных форм, включая спиралевидную, дискообразную и H-образную форму с прямыми лопастями. Эти турбины обычно имеют три тонкие лопасти ротора, приводимые в движение подъемной силой, что позволяет им достигать высоких скоростей. [1]
Для вертикальных ветряных турбин могут существовать различные простые конструкции, как подробно описано ниже. На практике вы можете столкнуться с множеством вариаций и комбинаций, причем разработчики часто демонстрируют свою креативность в создании различных форм вертикальных ветряных турбин.

Савониус
[ редактировать ]
( Ветряная турбина Савониуса SWT) представляет собой VAWT тягового типа. Обычная конструкция включает вращающийся вал с двумя или тремя лопастями, улавливающими набегающий ветер. Из-за своей упрощенной и прочной конструкции и относительно низкой эффективности он используется там, где надежность важнее эффективности. Одна из причин низкой эффективности ветряной турбины Савониуса заключается в том, что примерно только половина турбины генерирует положительный крутящий момент, в то время как другая сторона движется против ветра и, таким образом, создает отрицательный крутящий момент. Вариант SWT - ветряная турбина Harmony. [11] со спиралевидными лопастями и автоматическим механизмом сворачивания в условиях сильного ветра.
Дарье
[ редактировать ]Ветряная турбина Дарье представляет собой VAWT подъемного типа. Первоначальная конструкция включала в себя несколько изогнутых лопастей аэродинамического профиля с законцовками, прикрепленными к вращающемуся валу. Однако существуют также конструкции, в которых используются прямые вертикальные профили, называемые ветряными турбинами H-ротора или Giromill Darrieus. Кроме того, лопасти ветряной турбины Дарье могут иметь форму спирали, чтобы уменьшить влияние пульсаций крутящего момента на турбину за счет равномерного распределения крутящего момента по обороту.
Будучи устройствами подъемного типа, ветряные турбины Дарье могут извлекать больше энергии из ветра, чем ветряные турбины тягового типа , такие как ветряная турбина Савониуса.
Вращающееся крыло
[ редактировать ]Ветряные турбины с вращающимся крылом или ветряные турбины с вращающимся крылом представляют собой новую категорию VAWT подъемного типа, в которых используется один вертикально стоящий неспиральный профиль для создания вращения на 360 градусов вокруг вертикального вала, проходящего через центр аэродинамического профиля.
Преимущества
[ редактировать ]VAWT имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными ветряными турбинами с горизонтальной осью (HAWT):
- Всенаправленным VAWT, возможно, не потребуется отслеживать ветер. Это означает, что им не требуется сложный механизм и двигатели для поворота ротора и наклона лопастей . [12]
- Замена и техническое обслуживание коробки передач проще и эффективнее, поскольку доступ к коробке передач возможен с уровня земли, вместо того, чтобы оператору приходилось работать на высоте сотен футов в воздухе. Отказы двигателя и коробки передач обычно являются серьезными проблемами при эксплуатации и техническом обслуживании.
- В некоторых конструкциях можно использовать фундаменты с винтовыми сваями , что снижает транспортировку бетона по дорогам и воздействие установки на окружающую среду. По окончании срока службы винтовые сваи могут быть полностью переработаны.
- VAWT могут быть установлены на ветряных электростанциях HAWT ниже существующих HAWT, увеличивая выходную мощность. [13]
- VAWT могут работать в условиях, непригодных для HAWT. Например, ротор Савониуса , который может работать при нерегулярном, медленном ветре на уровне земли, часто используется в удаленных или необслуживаемых местах, хотя это наиболее «неэффективный» VAWT тормозного типа.
- Сниженный уровень шума по сравнению с HAWT. [14]
- Снижение опасности для птиц [15]
Недостатки
[ редактировать ]Когда скорость ветряной турбины с VAWT растет, растет и мощность, однако в определенной пиковой точке мощность постепенно снижается до нуля, даже когда скорость ветряной турбины максимальна. [ нужны разъяснения ] Таким образом, дисковые тормоза используются для замедления скорости ветряной турбины в условиях сильного ветра. Однако иногда из-за перегрева дисковых тормозов турбина может загореться. [16]
VAWT часто страдают от динамического срыва лопастей, поскольку угол атаки быстро меняется. [17] [18] [19]
Лопасти VAWT склонны к усталости из-за большого изменения приложенных сил во время каждого вращения. Вертикально ориентированные лезвия могут скручиваться и сгибаться при каждом повороте, сокращая срок их службы.
За исключением тормозных типов, VAWT оказались менее надежными, чем HAWT . [20] хотя современные конструкции позволили преодолеть многие ранние проблемы. [21] [22]
Исследовать
[ редактировать ]В исследовании 2021 года была смоделирована конфигурация VAWT, которая позволила VAWT превзойти сопоставимую установку HAWT на 15%. Моделирование, длившееся 11 500 часов, продемонстрировало повышение эффективности, отчасти за счет использования формирования сетки. Одним из эффектов является предотвращение турбулентности ниже по потоку, возникающей из-за расположения HAWT на сетке, что снижает эффективность. Другие оптимизации включали угол решетки, направление вращения, расстояние между турбинами и количество роторов. [23]
В 2022 году норвежская компания World Wide Wind представила плавающие VAWT с двумя наборами лопастей, вращающихся в противоположных направлениях. Оба комплекта закреплены на концентрических валах. К каждому прикреплена турбина. Один прикреплен к ротору , другой к статору . Это приводит к удвоению их скорости относительно друг друга по сравнению со статическим статором. Они заявили, что производительность увеличилась более чем вдвое по сравнению с крупнейшими HAWT. Для HAWT требуются тяжелые трансмиссии, коробки передач, генераторы и лопасти наверху башни, что требует тяжелых подводных противовесов. В VAWT большая часть тяжелых компонентов размещается внизу башни, что снижает необходимость в противовесе. Лопасти охватывают коническую область, что помогает уменьшить турбулентность с подветренной стороны от каждой башни, увеличивая максимальную плотность башни. Компания утверждает, что построит блок мощностью 40 мегаватт длиной 400 м (1300 футов). [24]
Приложения
[ редактировать ]
Windspire, небольшой VAWT, предназначенный для индивидуального (дома или офиса) использования, был разработан в начале 2000-х годов американской компанией Mariah Power. Компания сообщила, что к июню 2008 года в США было установлено несколько устройств. [25]
Компания Arborwind, расположенная в Анн-Арборе, штат Мичиган , производит запатентованный небольшой VAWT, который с 2013 года был установлен в нескольких местах в США. [26]
В 2011 году исследователи ветроэнергетики Sandia National Laboratories начали пятилетнее исследование применения технологии проектирования VAWT на морских ветряных электростанциях. [27] Исследователи заявили: «Экономика морской ветроэнергетики отличается от наземных турбин из-за проблем с установкой и эксплуатацией. VAWT предлагают три больших преимущества, которые могут снизить стоимость ветровой энергии: более низкий центр тяжести турбины; уменьшенная сложность машины; и лучшая масштабируемость до очень больших размеров. Более низкий центр тяжести означает улучшенную устойчивость на плаву и меньшие гравитационные усталостные нагрузки. Кроме того, трансмиссия VAWT находится на поверхности или вблизи нее, что потенциально упрощает обслуживание и сокращает затраты времени. более низкие усталостные нагрузки и более простое обслуживание приводят к снижению затрат на техническое обслуживание».
Демонстрационный участок VAWT из 24 единиц был установлен в южной Калифорнии в начале 2010-х годов Калифорнийского технологического института профессором авиации Джоном Дабири . Его проект был использован в 10-агрегатной электростанции, установленной в 2013 году в деревне Игиугиг на Аляске. [28]
Дулас, Англси , получил разрешение в марте 2014 года на установку прототипа VAWT на волноломе на берегу Порт-Талбота. Турбина новой конструкции поставлена уэльской компанией C-FEC (Суонси). [29] и будет эксплуатироваться в течение двухлетнего испытания. [30] Этот VAWT включает в себя ветровой щит, который блокирует ветер от продвигающихся лопастей и, следовательно, требует датчика направления ветра и механизма позиционирования, в отличие от VAWT типа «взбивалка», описанных выше. [29]
StrongWind, канадская компания, производит запатентованную городскую систему VAWT, которая с 2023 года была установлена в нескольких местах в Канаде и за рубежом. [31]
Архитектор Майкл Рейнольдс (известный своими проектами домов Earthship ) разработал VAWT 4-го поколения под названием Dynasphere . Он оснащен двумя генераторами мощностью 1,5 кВт и может производить электроэнергию на очень низких скоростях. [32]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Джа, Арканзас (2010). Технология ветряных турбин . Бока-Ратон, Флорида, США: CRC Press . [ нужна страница ]
- ^ Рачити Кастелли, Марко; Энгларо, Алессандро; Бенини, Эрнесто (2011). «Ветряная турбина Дарье: предложение по новой модели прогнозирования производительности на основе CFD». Энергия . 36 (8): 4919–4934. дои : 10.1016/j.energy.2011.05.036 .
- ^ Баттисти, Л.; Бригенти, А.; Бенини, Э.; Кастелли, М. Рачити (сентябрь 2016 г.). «Анализ различных архитектур блейд-серверов с точки зрения производительности небольшого VAWT». Физический журнал: серия конференций . 753 (6): 062009. Бибкод : 2016JPhCS.753f2009B . дои : 10.1088/1742-6596/753/6/062009 . hdl : 11572/152690 . S2CID 4880064 .
- ^ Лонго, Риккардо; Никастро, Патрисия; Наталини, Маттео; Шито, Паоло; Мереу, Риккардо; Паренте, Алессандро (август 2020 г.). «Влияние городской среды на производительность ветряных турбин Савониуса: численная перспектива» (PDF) . Возобновляемая энергия . 156 : 407–422. doi : 10.1016/j.renene.2020.03.101 . hdl : 11311/1136273 . S2CID 219003726 .
- ^ «Вертикальные турбины могут стать будущим ветряных электростанций» . ЭврекАлерт! .
- ^ Хансен, Иоахим Тофтегор; Махак, Махак; Цанакис, Яковос (июнь 2021 г.). «Численное моделирование и оптимизация пар ветряных турбин с вертикальной осью: подход к масштабированию» . Возобновляемая энергия . 171 : 1371–1381. doi : 10.1016/j.renene.2021.03.001 .
- ^ Ислам, М.; Тинг, Д.; Фартадж, А. (2008). «Аэродинамические модели ветряных турбин с прямыми лопастями и вертикальной осью типа Дарье». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (4): 1087–1109. дои : 10.1016/j.rser.2006.10.023 .
- ^ «Разработка ветряной турбины с вертикальной осью, Гильерме Сильва» (PDF) .
- ^ Эль Касми, Амина; Массон, Кристиан (2008). «Расширенная k – ε-модель турбулентного потока через ветряные турбины с горизонтальной осью». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 96 : 103–122. дои : 10.1016/j.jweia.2007.03.007 .
- ^ Эрикссон, С.; Бернхофф, Х.; Лейон, М. (2008). «Оценка различных концепций турбин для ветроэнергетики». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (5): 1419–1434. дои : 10.1016/j.rser.2006.05.017 .
- ^ «Harmony Turbines – ... теперь у нас есть сила изменить мир!» . Harmonyturbines.com . Проверено 20 октября 2022 г.
- ^ Викаксоно, Йога Ароб; Тьяхана, Доминикус Данардоно Дви Приджа; Хади, Сьямсул (2018). «Влияние ненаправленного направляющего аппарата на работу поперечного ротора для городской ветроэнергетики» . 3-я Международная конференция по промышленной тематике . Материалы конференции AIP. 1927 (1): 030040. Бибкод : 2018AIPC.1931c0040W . дои : 10.1063/1.5024099 . ISSN 0094-243X .
- ^ Мир, Стивен (1 июня 2004 г.). «Другой подход к ветру» . Машиностроение . 126 (6): 28–31. doi : 10.1115/1.2004-2 июня .
- ^ Эрик Мёллерстрем; Фредрик Оттермо; Джонни Хайландер; Ганс Бернхофф (2016). «Шумовая эмиссия ветряной турбины с вертикальной осью мощностью 200 кВт» (PDF) . Энергии . 9:19 . дои : 10.3390/en9010019 . Проверено 15 сентября 2022 г.
- ^ «Ветровые турбины, безопасные для птиц» . 12 сентября 2018 г. Проверено 15 сентября 2022 г.
- ^ Аниш Паудель; Махато, Рахул; Девкота, Сантош; Сандип Паудель (август 2022 г.). «Проектирование и анализ ветротурбины «ГАРМОНИЯ». дои : 10.13140/RG.2.2.33181.38883 .
{{cite journal}}
: Для цитирования журнала требуется|journal=
( помощь ) [ мертвая ссылка ] - ^ Бюхнер, А.-Дж.; Сория, Дж.; Хонери, Д.; Смитс, Эй Джей (2018). «Динамический срыв в ветряных турбинах с вертикальной осью: масштабирование и топологические соображения» . Журнал механики жидкости . 841 : 746–766. Бибкод : 2018JFM...841..746B . дои : 10.1017/jfm.2018.112 . S2CID 126033643 .
- ^ Бюхнер, А.-Дж.; Лори, М.В.; Мартинелли, Л.; Сория, Дж.; Смитс, Эй Джей (2015). «Динамический свал в ветряных турбинах с вертикальной осью: сравнение экспериментов и расчетов». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 146 : 163–171. дои : 10.1016/j.jweia.2015.09.001 .
- ^ Симау Феррейра, Карлос; Ван Куик, Гийс; Ван Бассел, Жерар; Скарано, Фульвио (2008). «Визуализация с помощью PIV динамического сваливания на ветряной турбине с вертикальной осью» . Эксперименты с жидкостями . 46 (1): 97–108. Бибкод : 2009ExFl...46...97S . дои : 10.1007/s00348-008-0543-z .
- ^ Чирас, Дэн (2010). Основы ветроэнергетики: Руководство по зеленой энергетике . Новое общество. п. 87. ИСБН 978-0-86571-617-9 . [ нужна страница ]
- ^ Эшвилл, Томас Д.; Сазерленд, Герберт Дж.; Берг, Дейл Э. (1 января 2012 г.). Ретроспектива технологии VAWT (Отчет). doi : 10.2172/1035336 – через библиотеки Университета Северного Техаса, цифровую библиотеку UNT https://digital.library.unt.edu ; Библиотеки ЕНТ Отдел государственных документов.
- ^ Кир, Мэтт; Эванс, Бен; Эллис, Роб; Роллан, Сэм (январь 2016 г.). «Вычислительная аэродинамическая оптимизация лопастей ветряных турбин с вертикальной осью» . Прикладное математическое моделирование . 40 (2): 1038–1051. дои : 10.1016/j.apm.2015.07.001 . ISSN 0307-904X .
- ^ Куп, Фермин (27 апреля 2021 г.). «Будущее ветряных электростанций вертикальное, что подтверждается новыми исследованиями» . ЗМЭ Наука . Проверено 29 апреля 2021 г.
- ^ Блейн, Лоз (30 августа 2022 г.). «Плавающие турбины противоположного вращения обещают беспрецедентный масштаб и мощность» . Новый Атлас . Проверено 31 августа 2022 г.
- ^ ЛаМоника, Мартин (2 июня 2008 г.). «Ветряная турбина с вертикальной осью начинает работать» . CNET . Проверено 18 сентября 2015 г.
- ^ «История» . Беседка Ветер . Проверено 18 сентября 2015 г.
- ^ Холинка, Стефани (8 августа 2012 г.). «Морское использование ветряных турбин с вертикальной осью становится более детальным» . Мир возобновляемых источников энергии . Проверено 18 сентября 2015 г.
- ^ Буллис, Кевин (08 апреля 2013 г.). «Будут ли вертикальные турбины производить больше ветра?» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 18 сентября 2015 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Турбина C-Fec» . C-Fec . Проверено 18 сентября 2015 г. [ мертвая ссылка ]
- ^ «Дюлас добивается согласия на создание прототипа ветряной турбины с вертикальной осью» . Фокус на возобновляемых источниках энергии. 05.03.2014 . Проверено 18 сентября 2015 г.
- ^ «strongwind.ca» . Strongwind.ca . Проверено 1 декабря 2023 г.
- ^ «Прототип ветроэнергетической установки с вертикальной осью» . Биотектура земного корабля. Архивировано из оригинала 11 июня 2022 г. Проверено 18 сентября 2015 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Изображение дня в подвале. Показан VAWT поперечно ветру, но с горизонтальной осью, но это не позволяет называть машину HAWT.