Vertikální osa větrné turbíny - Vertical axis wind turbine

Nejvyšší větrná turbína se svislou osou na světě, v Cap-Chat, Quebec
Schéma Vortexis

A vertikální větrné turbíny (VAWT) je typ větrná turbína kde je hřídel hlavního rotoru nastavena příčně na vítr (ale ne nutně vertikálně), zatímco hlavní komponenty jsou umístěny na základně turbíny. Toto uspořádání umožňuje, aby byl generátor a převodovka umístěny blízko země, což usnadňuje servis a opravy. VAWT nemusí být namířeny do větru,[1][2] což odstraňuje potřebu mechanismů snímání a orientace větru. Hlavní nevýhody raných návrhů (Savonius, Darrieus a giromill ) zahrnoval významné točivý moment variace nebo „vlnění "během každé revoluce a velkých ohybových momentů na lopatkách. Pozdější návrhy řešily zvlnění točivého momentu zametáním nožů spirálovitě (Gorlovský typ ).[3] V současné době nejsou větrné turbíny Savonius s vertikální osou (VAWT) stále příliš rozšířené, ale jejich jednoduchost a lepší výkon při nerušených tokových polích ve srovnání s malými větrnými turbínami s horizontální osou (HAWT) je činí dobrou alternativou pro zařízení s distribuovanou generací v městském prostředí . [4]

Svislá osa větrné turbíny má svou osu kolmou k větrným proudům a svislou k zemi. Obecnější termín, který zahrnuje tuto možnost, je „větrná turbína s příčnou osou“ nebo „větrná turbína s příčným tokem“. Například původní patent Darrieus, americký patent 1835018, obsahuje obě možnosti.

Tažné VAWT, jako je rotor Savonius, obvykle pracují při nižších otáčkách poměry rychlosti tipu než VAWT na bázi výtahu, jako jsou rotory Darrieus a cykloturbíny.

Obecná aerodynamika

Síly a rychlosti působící v Darrieusově turbíně jsou znázorněny na obrázku 1. Výsledný vektor rychlosti, , je vektorový součet nerušené rychlosti vzduchu proti proudu, a vektor rychlosti postupující lopatky, .

Obr1: Síly a rychlosti působící v Darrieusově turbíně pro různé azimutální polohy
Spirálová Darrieusova turbína

Rychlost přicházející tekutiny se tedy během každého cyklu mění. Maximální rychlost byla nalezena pro a minimum je nalezeno pro , kde je azimutální nebo orbitální poloha čepele. The úhel útoku, , je úhel mezi rychlostí přicházejícího vzduchu, W, a akordem čepele. Výsledné proudění vzduchu vytváří proměnný, pozitivní úhel náběhu lopatky v předřazené zóně stroje, přepínání znaménka v následné zóně stroje.

Z geometrických úvah o úhlové rychlosti, jak je vidět na přiloženém obrázku, vyplývá, že:

a:

Řešení relativní rychlosti jako výslednice tangenciálních a normálních výtěžků složek:

[5]

Kombinace výše uvedeného s definicemi pro poměr rychlosti hrotu získá následující výraz pro výslednou rychlost:

[6]

Úhel útoku je řešen jako:

Což při nahrazení výše uvedených výnosů:

[7]


Výsledná aerodynamická síla je vyřešena buď do výtah (L) - táhnout (D) komponenty nebo normální (N) - tangenciální (T) komponenty. Síly se považují za působící ve čtvrtkordovém bodě a moment nadhazování je odhodlán řešit aerodynamické síly. Letecké výrazy „výtah“ a „tažení“ označují síly napříč (výtah) a podél (tažení) přibližujícího se relativního proudu vzduchu. Tangenciální síla působí podél rychlosti kotouče, táhne kotouč kolem a normální síla působí radiálně a tlačí proti ložiskům hřídele. Zvedací a tažná síla jsou užitečné při řešení aerodynamických sil kolem lopatky, jako je dynamický stánek, mezní vrstva atd .; zatímco při řešení globálního výkonu, únavového zatížení atd. je pohodlnější mít normálně-tangenciální rám. Součinitele vztlaku a odporu jsou obvykle normalizovány dynamickým tlakem relativního proudu vzduchu, zatímco normální a tangenciální koeficienty jsou obvykle normalizovány dynamickým tlakem nerušené rychlosti proudění proti proudu.

A = Plocha lopatky (nezaměňujte s Plohou zametání, která se rovná výšce lopatky / rotoru vynásobené průměrem rotoru), R = Poloměr turbíny

Množství energie P, kterou může absorbovat větrná turbína:

Kde je výkonový koeficient, je hustota vzduchu, je zametená plocha turbíny a je rychlost větru.[8]

Výhody

VAWT nabízejí oproti tradičním řadu výhod horizontální osové větrné turbíny (HAWT):

  • Protože jsou všesměrové, některé formy nepotřebují sledovat vítr. To znamená, že nevyžadují složitý mechanismus a motory k vybočení rotoru a rozteči lopatek.[9]
  • VAWT obecně fungují lépe než HAWT v bouřlivém a nárazovém větru. HAWT nemohou účinně sklízet takové větry, které také způsobují zrychlenou únavu.
  • převodovka VAWT trvá mnohem méně únavy než HAWT.[Citace je zapotřebí ]
  • Ve vozidlech VAWT je výměna a údržba převodovky jednodušší a efektivnější, protože převodovka je přístupná na úrovni země, takže na místě nejsou zapotřebí žádné jeřáby ani jiná velká zařízení. To snižuje náklady a dopad na životní prostředí. Poruchy motoru a převodovky jsou obecně důležitými faktory při provozu a údržbě HAWT na moři i na moři.
  • lze použít některé návrhy VAWT ve vhodných situacích hromada šroubů základy, což výrazně snižuje silniční dopravu betonu a uhlíkové náklady na instalaci. Hromádky šroubů lze na konci své životnosti plně recyklovat.
  • křídla typu Darrieus mají konstantní akord, a proto se vyrábějí snadněji než čepele HAWT, které mají mnohem složitější tvar a strukturu.
  • VAWT lze ve větrných farmách seskupovat těsněji, čímž se zvyšuje generovaná energie na jednotku rozlohy.
  • VAWT lze instalovat na větrnou farmu HAWT pod stávající HAWT; to může doplnit výkon stávající farmy.[10]
  • výzkum ve společnosti Caltech také ukázal, že pečlivě navržená větrná farma používající VAWT může mít výstupní výkon desetkrát větší než větrná farma HAWT stejné velikosti.[11]

Nevýhody

Jednou z hlavních výzev, kterým čelí technologie větrných turbín ve svislé ose, je dynamické zablokování lopatek, protože úhel náběhu se rychle mění.[12][13][14]

Lopatky VAWT jsou náchylné k únavě kvůli velkým výkyvům použitých sil během každé rotace. To lze překonat použitím moderních kompozitních materiálů a zdokonalením designu - včetně použití aerodynamických špiček křídel, které způsobují statické zatížení spojení křídel rozmetadla. Svisle orientované nože se mohou při každém otočení zkroutit a ohnout, což způsobí jejich rozpad.

Ukázalo se, že VAWT jsou méně spolehlivé než HAWT,[15] ačkoli moderní designy VAWT překonaly mnoho problémů spojených s časnými designy.[16][17]

Aplikace

Větrná turbína se světelným pólem

Windspire, malý VAWT určený pro individuální (domácí nebo kancelářské) použití, byl vyvinut počátkem roku 2000 americkou společností Mariah Power. Společnost uvedla, že do června 2008 bylo v USA instalováno několik jednotek.[18]

Arborwind, společnost se sídlem v Ann-Arbor (Michigan, USA), vyrábí patentovaný malý VAWT, který byl od roku 2013 instalován na několika místech v USA.[19]

V roce 2011, Sandia National Laboratories Vědci zabývající se větrnou energií zahájili pětiletou studii aplikace návrhové technologie VAWT na pobřežní větrné farmy.[20] Vědci uvedli: „Ekonomika pobřežní větrné energie se liší od pozemních turbín kvůli instalačním a provozním výzvám. VAWT nabízejí tři velké výhody, které by mohly snížit náklady na větrnou energii: nižší těžiště turbíny; snížená složitost stroje; a lepší škálovatelnost na velmi velké velikosti. Nižší těžiště znamená lepší stabilitu nad vodou a nižší gravitační únavové zatížení. Kromě toho je hnací ústrojí na VAWT na povrchu nebo v jeho blízkosti, což potenciálně usnadňuje údržbu a je méně náročné na čas. Méně dílů, nižší únavová zatížení a jednodušší údržba vedou ke snížení nákladů na údržbu. “

Demonstrační pozemek VAWT s 24 jednotkami byl instalován v jižní Kalifornii počátkem let 2010 Caltech letecký profesor John Dabiri. Jeho design byl začleněn do 10generační farmy instalované v roce 2013 v aljašské vesnici Igiugig.[21]

Dulas, Anglesey v březnu 2014 obdržela povolení k instalaci prototypu VAWT na vlnolam na břehu Port Talbot. Turbína má nový design, dodávaný společností Wales C-FEC (Swansea),[22] a bude provozován na dvouletou zkušební verzi.[23] Tento VAWT obsahuje větrný štít, který blokuje vítr z postupujících lopatek, a proto vyžaduje snímač směru větru a polohovací mechanismus, na rozdíl od výše popsaných typů VAWT typu „egg beater“.[22]

4 Navitas (Blackpool) provozuje od června 2013 dva prototypy VAWT, poháněné společností Siemens Power Train, které mají vstoupit na trh v lednu 2015, s podílem bezplatné technologie pro zúčastněné strany. 4 Navitas nyní pracuje na škálování svého prototypu na 1 MW (pracuje s PERA Technology) a poté plovoucí turbínu na pobřežním pontonu. Tím se sníží náklady na větrnou energii na moři.[Citace je zapotřebí ]

Dynasféra je Michael Reynolds '(známý pro jeho Pozemská loď návrhy domů) 4. generace vertikální větrný mlýn. Tyto větrné mlýny mají dva generátory 1,5 KW a mohou vyrábět elektřinu při velmi nízkých rychlostech.[24]

Viz také

Reference

  1. ^ Jha, A.R. (2010). Technologie větrných turbín. Boca Raton, FL: CRC Press.[stránka potřebná ]
  2. ^ Raciti Castelli, Marco; Englaro, Alessandro; Benini, Ernesto (2011). „Větrná turbína Darrieus: Návrh nového modelu predikce výkonu založeného na CFD“. Energie. 36 (8): 4919–34. doi:10.1016 / j.energy.2011.05.036.
  3. ^ Analýza různých architektur blade na malém výkonu VAWT
  4. ^ Dopad městského prostředí na výkon větrných turbín Savonius: Numerická perspektiva
  5. ^ Islam, M; Ting, D; Fartaj, A (2008). „Aerodynamické modely pro větrné turbíny s přímou lopatkou se svislou osou typu Darrieus“. Recenze obnovitelné a udržitelné energie. 12 (4): 1087–109. doi:10.1016 / j.rser.2006.10.023.
  6. ^ Vývoj vertikální osy větrných turbín, Guilherme Silva[úplná citace nutná ]
  7. ^ El Kasmi, Amina; Masson, Christian (2008). „Rozšířený model k – ε pro turbulentní proudění větrnými turbínami s horizontální osou“. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 96: 103–22. doi:10.1016 / j.jweia.2007.03.007.
  8. ^ Eriksson, S; Bernhoff, H; Leijon, M (2008). "Hodnocení různých konceptů turbín pro větrnou energii". Recenze obnovitelné a udržitelné energie. 12 (5): 1419–34. doi:10.1016 / j.rser.2006.05.017.
  9. ^ Wicaksono, Yoga Arob; Tjahjana, Dominicus Danardono Dwi Prija; Hadi, Syamsul (2018). „Vliv všesměrové vodicí lopatky na výkon rotoru s příčným tokem pro městskou větrnou energii“. 1927: 030040. doi:10.1063/1.5024099. ISSN  0094-243X. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  10. ^ Peace, Steven (1. června 2004). „Jiný přístup k větru“. Strojírenství. 126 (6): 28–31. doi:10.1115 / 1.2004-JUN-2.
  11. ^ Svitil, Kathy (13. července 2011). „Umístění větrných turbín vede k desetinásobnému zvýšení výkonu, tvrdí vědci“. PhysOrg.
  12. ^ Buchner, A-J .; Soria, J .; Honnery, D .; Smits, A.J. (2018). "Dynamické zastavení ve vertikálních osách větrných turbín: měřítko a topologické úvahy". Journal of Fluid Mechanics. 841: 746–66. Bibcode:2018JFM ... 841..746B. doi:10.1017 / jfm.2018.112.
  13. ^ Buchner, A-J .; Lohry, M.W .; Martinelli, L .; Soria, J .; Smits, A.J. (2015). "Dynamické zastavení ve větrných turbínách se svislou osou: Porovnání experimentů a výpočtů". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 146: 163–71. doi:10.1016 / j.jweia.2015.09.001.
  14. ^ Simão Ferreira, Carlos; Van Kuik, Gijs; Van Bussel, Gerard; Scarano, Fulvio (2008). „Vizualizace PIV dynamického zastavení na větrné turbíně se svislou osou“. Experimenty s tekutinami. 46: 97–108. Bibcode:2009ExFl ... 46 ... 97S. doi:10.1007 / s00348-008-0543-z.
  15. ^ Chiras, Dan (2010). Základy větrné energie: Průvodce zelenou energií. Nová společnost. ISBN  978-0-86571-617-9.[stránka potřebná ]
  16. ^ Ashwill, Thomas D .; Sutherland, Herbert J .; Berg, Dale E. (2012). „Retrospektiva technologie VAWT“. doi:10.2172/1035336. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  17. ^ Kear, Matt; Evans, Ben; Ellis, Rob; Rolland, Sam (leden 2016). „Výpočetní aerodynamická optimalizace lopatek větrných turbín se svislou osou“. Aplikované matematické modelování. 40 (2): 1038–1051. doi:10.1016 / j.apm.2015.07.001. ISSN  0307-904X.
  18. ^ LaMonica, Martin (2. června 2008). „Větrná turbína se svislou osou se točí v podnikání“. CNET. Citováno 18. září 2015.
  19. ^ "Dějiny". Arbor Wind. Citováno 18. září 2015.
  20. ^ Holinka, Stephanie (8. srpna 2012). „Větrné turbíny se svislou osou využívají na moři užší pohled“. Svět obnovitelné energie. Citováno 18. září 2015.
  21. ^ Bullis, Kevin (8. dubna 2013). „Vyrobí vertikální turbíny více větru?“. Recenze technologie MIT. Citováno 18. září 2015.
  22. ^ A b "C-Fec turbína". C-Fec. Citováno 18. září 2015.
  23. ^ „Dulas zajišťuje souhlas s prototypem větrné turbíny„ ve svislé ose ““. Zaměření na obnovitelnou energii. 5. března 2014. Citováno 18. září 2015.
  24. ^ „Prototyp generování větrné energie ve svislé ose“. Biotecture pozemské lodi. Citováno 18. září 2015.

externí odkazy

  • Sklepní obraz dne Zobrazuje VAWT příčně na vítr, ale s osou vodorovnou, ale takový neumožňuje nazývat stroj HAWT.