Kompaktní turbína na zrychlení větru - Compact wind acceleration turbine

tento článek případně obsahuje původní výzkum. Prosím vylepši to podle ověřování vznesené nároky a přidání vložené citace. Výroky sestávající pouze z původního výzkumu by měly být odstraněny. (listopad 2013) (Zjistěte, jak a kdy odstranit tuto zprávu šablony)

Kompaktní větrné zrychlovací turbíny (CWAT) jsou třídou větrná turbína který používá struktury k urychlení větru před tím, než vstoupí do prvku generujícího vítr.^[1]Koncept těchto struktur existuje po celá desetiletí^[2] ale nezískala široké přijetí na trhu. V roce 2008 obdržely financování dvě společnosti zaměřené na střední vítr (100 kW-1 MW) rizikový kapitál. První společností, která obdržela financování, je společnost Optiwind, která získala financování řady A v dubnu 2008, a druhou společností je Ogin, Inc. (dříve FloDesign Wind Turbine Inc.), která také získala financování řady A v dubnu 2008. Optiwind^[3] je financován prostřednictvím Charles River Ventures a FloDesign je financován prostřednictvím Kleiner Perkins.^[4] Mezi další vyvíjené CWAT patří WindTamer od AristaPower, WindCube, Innowind (koncepční offshore aplikace) a turbíny Enflo.

Dějiny

CWAT jsou nová zkratka, která zahrnuje třídu strojů dříve známých jako DAWT (difuzorem rozšířené větrné turbíny). Všechny výše uvedené technologie používají jako primární prostředek zrychlení rozšíření difuzoru, které je v podstatě podobné předchozím konstrukcím. DAWT byly důkladně prozkoumány K. Foremanem a Ománem z Grumman Aerospace v 70. a 80. letech a Igra v Izrael v 70. letech. Na konci desetiletí větrný tunel výzkum a design financovaný Grummanem, NASA a SRNA, bylo zjištěno, že ekonomika systému DAWT nebyla dostatečná k ospravedlnění komercializace.^{[Citace je zapotřebí ]} V 90. letech byla technologie Grumman licencována společnosti a Nový Zéland společnost Vortec Wind. Pokus komercializovat Vortec 7 na Novém Zélandu v letech 1998 až 2002 se ukázal jako ekonomicky neudržitelný ve srovnání s dominantní technologií HAWT (horizontální osa větrných turbín).

Ekonomika

Nakonec musí být jakýkoli návrh větrné turbíny měřen proti ekonomické realitě. Musí kladně odpovědět na otázku: „jsou náklady na instalaci a provoz systému nižší než náklady na jiné alternativy, včetně místní elektrické sítě?“ Historicky CWAT / DAWT designy nedokázaly překonat tuto překážku ve srovnání s konvenčnějšími HAWT designy. Existuje však důvod se domnívat, že se tato rovnice může posouvat směrem k těmto novým designům. Dvěma hlavními hnacími silami této rovnice byly množství augmentace a strukturální důsledky těchto dalších konstrukčních prvků.

Augmentace

První faktor se týká zvýšení výkonu a metody srovnání, kterou používají návrháři DAWT (a v poslední době CWAT) k určení, zda je třeba systém vyvinout. Grumman a další pokusy o komercializaci těchto strojů porovnávají své stroje s HAWT na základě srovnání oblasti rotoru s oblastí rotoru. Jako Van Bussel z Delftu (The Science of Making More Torque from Wind: Diffuser Experiments and Theory Revisited, G.J.W. van Bussel, Delft, 2007)^[5] zdůrazněno, toto je nepřesné srovnání a srovnání výkonových násobků by mělo být provedeno na základě výstupní oblasti difuzoru nebo pláště, nikoli oblasti rotoru. Grumman tvrdil o 4násobném zvýšení oproti nezakryté turbíně na základě zrychlení 1,6násobku rychlosti okolního větru (An Investigation on Diffuser Augmented Turbines, D.G. Philips, 2003 (referenční materiály sestavené K.M. Foremanem)). Zrychlení 1,6 je ve skutečnosti 2,6násobek výkonu HAWT, pokud je poměr zakrytého rotoru k oblasti výstupu 1,6. Pokud je však poměr rotoru k výstupní oblasti 2,75 (jako tomu bylo v případě Grummana), je skutečný nárůst výkonu oproti HAWT se stejnou šířenou oblastí jako výstupní oblast difuzoru pouze 1,4násobkem výkonu (Cp 0,34 do oblasti výstupu, o něco lepší než malá nevodivá větrná turbína a výrazně horší než u větrné turbíny v měřítku Cp). Vzhledem k tomu, že DAWT s tímto poměrem mají zhruba tuhost 60 +%, když jsou zohledněny lamely a difuzor a tuhost HAWT je zhruba 10%, náklady a množství materiálu potřebného k výrobě 40% zisku převažují nad zvýšení výkonu.^{[Citace je zapotřebí ]}

Strukturální důsledky

Druhým je strukturální požadavek, pokud jde o odolnost proti převrácení a ohybu při extrémních povětrnostních podmínkách, pro které musí být navrženy všechny větrné turbíny v souladu s řadou norem IEC 61400 (IEC) . Struktura DAWT má obvykle špatné charakteristiky odporu (viz D.G. Philips). To v kombinaci s vyšší pevností může při použití konvenčních monopolních konstrukcí vést k podstatně větším konstrukčním nákladům než HAWT v nosné konstrukci, vybočení a základu. Příchod nových konstrukcí věží, geometrií přírub a základových systémů se však jeví jako úspěšně zpochybňující tyto historické normy, ale pokud ano, pak lze tyto pokroky stejně dobře použít ke zlepšení ekonomiky konvenčních návrhů HAWT.^{[Citace je zapotřebí ]}

Optiwind

V případě společnosti Optiwind (nyní zaniklé) se zdá, že roste množství důkazů, o nichž se domnívají, že vyřešily jak zrychlení, tak ekonomické výzvy, které představují návrhy CWAT / DAWT. Tam, kde předchozí pokusy o nové designy v této kategorii byly zaměřeny čistě na velikost zrychlení, zdá se, že Optiwind zaujal holističtější přístup ke svému designu, přičemž náklady a přínos zrychlení zohlednil. Kromě toho se zdá, že v tomto návrhu jsou úspěšně vyřešeny náklady na provoz a údržbu celé jednotky.^{[Citace je zapotřebí ]} Chybí významné hnací náklady systémů HAWT - velké kompozitní lopatky, převodovka, motor vybočení, řízení sklonu, mazání atd. Kromě toho se zdá, že nová geometrie základů zmírnila strukturální problémy konvenčního návrhu základu s monopoly.^{[Citace je zapotřebí ]}, který byl původně koncipován tak, aby kompenzoval protirotační účinky („kolísání“) velkých třílistých turbín. Proto lze rozumně předpokládat, že holistický přístup společnosti Optiwind k celosystémovým nákladům vedl k řadě návrhů a objevů, které mohou realisticky přinést ekonomické výhody zrychleného větru za cenu, která je nižší než čisté náklady systému. To je přesné, pokud je systém Optiwind srovnáván s HAWT čistě na základě hodnocení. Problém spočívá v tom, že pokud porovnáme konstrukci Optiwind na základě její výšky komínu (vzdálenost od nejnižší turbíny k nejvyšší turbíně) s tradičním HAWT se stejným průměrem, je celkový výkon stroje o 20% menší než tento HAWT se všemi souvisejícími materiálovými a strukturálními náklady obecně spojenými s CWAT / DAWT.^{[Citace je zapotřebí ]} V průměru by systém CWAT / DAWT potřeboval vyprodukovat alespoň 2–3krát energii, kterou by HAWT mohl vyprodukovat z maximální plochy využívané CWAT / DAWT, aby se vyrovnaly podstatně větší náklady na materiál.^{[Citace je zapotřebí ]} Dosud neexistují žádné důkazy o tom, že by existovaly nějaké návrhy DAWT / CWAT schopné této úrovně zvýšení ve srovnání s jablky na základě jablka s HAWT.

Ogin (dříve FloDesign Wind Turbine)

Oginova MEWT (směšovací ejektorová větrná turbína, další variace CWAT) se odlišuje od předchozích DAWT pomocí lalokového dvoustupňového difuzoru (stroje Grumman a Vortec byly také dvoustupňové, ale kuželovité místo laločnatého) k vyrovnání tlaku nad výstupní oblastí difuzor. Teorie spočívá v tom, že vytvoření rovnoměrného rozložení tlaku s laloky a vstřikování vnějšího toku zabrání oddělení mezní vrstvy v difuzoru, čímž umožní maximální zrychlení rotorem. Papír Werleho a Presze (hlavní vědci společnosti Flodesign), technická poznámka AAIA Revidované turbíny se vzduchem / větrem - 2007, podrobně popisuje teorii jejich návrhu. Maximální zrychlení podrobně popsané v jejich článku je 1,8násobek rychlosti okolí, z níž odvozují, že na rotoru je k dispozici třikrát více energie než u nezakryté turbíny. Když se odkazuje na oblast výstupu, tento násobek klesá na paritu s výkonem HAWT. Oginova turbína založená na uvolněných obrazech a CAD se zdá být v podstatě podobná strojům Vortec a Grumman, s výjimkou laločnatého vnitřního prstence.^[6] To by naznačovalo, že lze očekávat, že jeho charakteristiky odporu budou podobné. Novější informace na webu Ogin (www.oginenergy.com) ukazují, že se laloky zploštily do 2D panelů. Řada větrných turbín Ogin byla z nezveřejněných důvodů odstraněna po méně než šesti měsících.^[7]

Výkon

Věda o zrychlení větru kolem konstrukce, stejně jako výhody víření prostupu clony / difuzoru, jsou dobře pochopeny a testovány. Od Bernoulliho vpřed věda podstatně prověřila tyto koncepty a existuje obecná akademická shoda ohledně jejich věrohodnosti a jejich potenciálního dopadu na výrobu větrné energie. DAWT však mají klasický problém s oddělením mezních vrstev, s nímž se setkávají křídlové profily v „stánkovém“ úhlu náběhu.^{[Citace je zapotřebí ]} To významně snižuje zrychlení dosažitelné DAWT ve srovnání s teoretickou rychlostí indikovanou poměrem jeho výstupu k ploše na výše zmíněný papír Flodesign. Obecně se předpokládá, že jelikož množství energie vyrobené větrnou turbínou je úměrné krychli rychlosti větru, je jakýkoli přínos zrychlení potenciálně statisticky významný v ekonomice větru. Jak již bylo uvedeno, jedná se o nepřesnost, protože ignoruje dopad poměru výstupu k ploše, a je tedy srovnáním mezi jablky a pomeranči.^{[Citace je zapotřebí ]} V případě typického CWAT / DAWT je výsledkem výkonu v dokonalém teoretickém provozu, jakmile je upraven pro oblast pláště, vlastně druhá mocnina rychlosti na rotoru.^{[Citace je zapotřebí ]} Jak se CWAT / DAWT odchyluje od teoretické funkce, zvýšení výkonu významně klesá podle vzorce odvozeného z hromadné ochrany,

Poměr výkonu _{DAWT až HAWT} = (A._hrdlo/A_přívod)(proti_hrdlo/proti_{volný stream})³

Poměr výkonu _{DAWT až HAWT} = (1 / 2,75) (27,5 ms / 10 ms)³ = 7,56 zvýšení

Například DAWT pracující při teoretické funkci 1,8 s poměrem plochy 2,75 na Flodesign,

Poměr výkonu _{DAWT až HAWT} = (1 / 2,75) (18 ms / 10 ms)³ = 2,12 zvýšení

Pro nejvyšší nárokované zvýšení rychlosti v DAWT 1,6 × freestream,

Poměr výkonu _{DAWT až HAWT} = (1 / 2,75) (16 ms / 10 ms)³ = 1,48 zvýšení

Není dostatečně významné k vyrovnání souvisejících nákladů.^{[Citace je zapotřebí ]} Problém s optiwindem je ještě závažnější, protože systém pokrývá pouze zlomek zametané oblasti dostupné HAWT výšky stohu.

Výzvou vždy byla a zůstává instalace, provoz a údržba těchto struktur za cenu, která je nižší než přírůstková hodnota získaná jejich přítomností. Nedávný vývoj v oblasti vědy o materiálech, metodiky instalace a celkové systémové integrace vedl k mnohem realističtějšímu názoru, že jsme velmi blízko tomuto příchodu a úsvitu nové, vysoce udržitelné třídy větrných turbín, pokud bude možné vyřešit výše objasněné problémy. což stále zůstává velmi diskutabilní^{[Citace je zapotřebí ]} pro geometrii DAWT.

Mezi nedávnými návrhy DAWT, které mají definitivní pozitivní výkon, ne-li náklady, je srovnání s HAWT turbína Enflo. Na základě poměru rotor: výstup a zveřejněného výkonového výkonu se zdá, že tato turbína má potvrzené 2násobné zvýšení výstupního výkonu přes HAWT průměru výstupní oblasti. Je stále nepravděpodobné, že by se tento stroj mohl škálovat na větší hodnocení, ale na základě jejich publikovaných dat (nepotvrzených testováním třetích stran) se Enflo jeví jako dosud nejvýkonnější DAWT / CWAT.^[8]

Glosář

• CWAT, kompaktní turbína na zrychlení větru
• DAWT, difuzor rozšířil větrnou turbínu
• HAWT, větrná turbína s vodorovnou osou
• MEWT, větrná turbína se směšovačem a vyhazovačem

Viz také

• Pevnost čepele

Reference