Vindgenerator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 14 juni 2022; kontroller kräver 6 redigeringar .

Vindgenerator (vindkraftverk eller förkortat WPP, windmill ) är en anordning för att omvandla den kinetiska energin från vindflödet till mekanisk energi från rotorrotationen med dess efterföljande omvandling till elektrisk energi .

Vindkraftverk kan delas in i tre kategorier: industri, kommersiell och hushåll (för privat bruk).

Industriella sådana installeras av staten eller stora energibolag. Som regel kombineras de i ett nätverk, resultatet är en vindkraftspark . Det brukade vara så att de är helt miljövänliga, vilket är hur de skiljer sig från traditionella. Vindkraftverksblad är dock gjorda av en polymerkomposit , vilket inte är kostnadseffektivt att återanvända och återvinna. Nu är frågan om bearbetningsblad öppen.

Det enda viktiga kravet för en WPP är en hög genomsnittlig årlig vindnivå. Effekten hos moderna vindkraftverk når 8 MW.

Vindgeneratorns effekt beror på kraften hos luftflödet ( ), bestämt av vindhastigheten och sveptområdet ,

där:  - vindhastighet,  - luftdensitet,  - svept område.

Typer av vindkraftverk

Det finns klassificeringar av vindturbiner efter antalet blad, enligt de material som de är gjorda av, enligt rotationsaxeln och enligt skruvens stigning [1] .

Det finns två huvudtyper av vindkraftverk:

• med en vertikal rotationsaxel ("karusell" - roterande (inklusive "Savonius-rotorn", närmare bestämt "Rotor of the Voronin Brothers") I början av oktober 1924 fick de ryska uppfinnarna bröderna Ya. A. och A. A. Voronin en sovjetisk patent på en tvärgående roterande turbin , året därpå organiserade den finske industrimannen Sigurd Savonius massproduktionen av sådana turbiner... "härligheten" för uppfinnaren av denna nyhet förblev bakom honom), "blad" ortogonal - Darrieus rotor );
• med en horisontell axel för cirkulär rotation ( skovel ). De är snabba med ett litet antal blad och låghastighets flerbladiga, med en effektivitet på upp till 40 % [2] .

Det finns även trum- och roterande vindkraftverk [2] .

Vindgeneratorer använder vanligtvis tre blad för att uppnå en kompromiss mellan mängden vridmoment (ökar med antalet blad) och rotationshastigheten (minskar med antalet blad) [3] .

För- och nackdelar med olika typer av vindkraftverk

Betz lag förutspår att vindkraftsutnyttjandefaktorn (WUCF) för horisontella, propeller- och vertikalaxelinstallationer är begränsad till en konstant på 0,593. Hittills är koefficienten för vindenergiutnyttjande som uppnåtts vid horisontella propellervindkraftverk 0,4. För närvarande är denna koefficient för vindkraftverk (vindkraftverk) BRTs-Vertikal 0,38. De experimentella studierna av ryska vertikalaxelinstallationer har visat att det är en mycket verklig uppgift att uppnå ett värde på 0,4-0,45. Således är vindenergianvändningskoefficienterna för horisontella propeller- och vertikalaxlade vindkraftverk nära [4] .

Enhet

WPP består av:

1. Vindkraftverk monterade på en mast med stag och snurrade av en rotor eller blad ;
2. Elektrisk generator ;

Den genererade elen går till:

• Batteriladdningskontroll , ansluten till batterierna (vanligtvis 24V)
• Växelriktare (= 24V -> ~ 220V 50Hz) ansluten till elnätet

Industriell vindturbin

Består av följande delar:

1. fundament
2. Elskåp inklusive effektkontaktorer och styrkretsar
3. Torn
4. Trappa
5. Vridmekanism
6. Gondol
7. Elektrisk generator
8. System för spårning av vindriktning och hastighet ( vindmätare )
9. Bromssystem
10. Överföring
11. Blad (vanligtvis tre, eftersom rotorer med två blad utsätts för mer stress när ett par blad är vertikala och fler än tre blad skapar överskott av luftmotstånd)
12. Bladvinkelbytessystem _ _
13. Kåpa

• Brandsläckningssystem
• Telekommunikationssystem för överföring av data om driften av ett vindkraftverk
• Åskskyddssystem
• Pitch drive

Lågeffektmodell av en vindgenerator [5]

Består av följande delar:

1. Liten likströmsmotor (3-12V) (används som generator)
2. Silikonlikriktardiod
3. Elektrolytisk kondensator (1000uF 6V)

Effektivitet

Lagen om bevarande av massa kräver att mängden luft som kommer in i och lämnar turbinen är densamma. Följaktligen ger Betz lag den maximalt möjliga utvinningen av vindenergi från ett vindkraftverk som 16/27 (59,3%) av den hastighet med vilken luftens kinetiska energi når turbinen [6] .

Således är den maximala teoretiska uteffekten av en vindmaskin lika med 16/27 av den kinetiska energin i luften som når maskinens effektiva skivarea per tidsenhet. Med en effektiv skivarea och vindhastighet är den maximala teoretiska uteffekten

,

där ρ är luftdensiteten .

Bladens friktion mot luften och motståndet är de viktigaste faktorerna som bestämmer effektiviteten av energiöverföringen från vinden till rotorn och följaktligen kostnaden för den energi som genereras av vindgeneratorn [7] . Andra effektivitetsförlustfaktorer inkluderar förluster i växellådan , generatorn och omvandlaren. Från och med 2001 producerade turbiner anslutna till kommersiella verktyg mellan 75 % och 80 % av sin effektgräns, enligt Betzs lag [8] [9] vid nominell drifthastighet .

Effektiviteten kan minska något med tiden på grund av damm, ytdefekter på bladen och insekter som har samlats, vilket minskar bladets lyft . En analys av 3128 vindkraftverk äldre än 10 år i Danmark visade att effektiviteten för hälften av turbinerna inte minskade, medan den andra hälften minskade med i genomsnitt 1,2 % per år [10] .

I allmänhet leder stabilare och konstanta väderförhållanden (särskilt vindhastighet) till en genomsnittlig effektivitetsökning på 15 % jämfört med instabilt väder [11] .

Det har visat sig att olika material har olika effekter på vindkraftverkens effektivitet. I ett experiment vid Ege University konstruerades tre trebladiga vindkraftverk med en diameter på 1 m med olika bladmaterial: glasfiber och kolfiber med epoxibindemedel, kolfiber, glas-polystyren. Tester har visat att material med högre totalmassa har ett större friktionsmoment och därför en lägre effektfaktor [12] .

Problem med driften av industriella vindkraftverk

Ett industrivindkraftverk byggs på en förberedd plats på 7-10 dagar. Att få myndighetsgodkännanden för att bygga en vindkraftspark kan ta ett år eller mer. [13] För att motivera byggandet av ett vindkraftverk eller vindkraftspark är det dessutom nödvändigt att bedriva långsiktig (minst ett år) vindforskning inom byggområdet. Dessa aktiviteter ökar avsevärt livslängden för vindenergiprojekt.

För byggandet, en väg till byggarbetsplatsen, en plats att placera noderna under installationen, krävs tung lyftutrustning med en räckvidd på mer än 50 meter, eftersom gondolerna är installerade på en höjd av cirka 50 meter.

Under driften av industriella vindkraftverk uppstår olika problem:

• Felaktig grundläggning . Om tornfundamentet inte är korrekt beräknat, eller om dräneringen av fundamentet inte är korrekt ordnad, kan tornet falla av en kraftig vindby.
• Nedisning av blad och andra delar av generatorn. Nedisning kan öka bladens massa och minska vindkraftverkets effektivitet. För drift i de arktiska områdena måste delar av vindkraftverket vara gjorda av speciella frostbeständiga material. Vätskor som används i generatorn får inte frysa. Utrustning som mäter vindhastighet kan frysa. I det här fallet kan vindgeneratorns effektivitet minskas rejält. På grund av isbildning kan instrumenten visa låg vindhastighet och rotorn förblir stillastående.
• Avaktivering/haveri av bromssystemet . I det här fallet tar bladet för mycket fart och går sönder som ett resultat.
• Stänga av. Med kraftiga fluktuationer i vindhastigheten aktiveras det elektriska skyddet för enheterna som utgör systemet, vilket minskar effektiviteten i systemet som helhet. För stora vindkraftsparker finns det också stor sannolikhet för skyddsdrift på utgående kraftledningar .
• Generatorns instabilitet. På grund av det faktum att det i de flesta industriella vindturbiner finns asynkrona generatorer , beror deras stabila drift på spänningens konstans i kraftledningen.
• Bränder . Bränder kan orsakas av friktion mellan roterande delar inuti gondolen, oljeläckage från hydraulsystem, trasiga kablar etc. Vindkraftverksbränder är sällsynta, men svåra att släcka på grund av vindkraftparkernas avlägset läge och den höga höjd där branden uppstår . Brandsläckningssystem installeras på moderna vindkraftverk .
• Blixten slår ner . Blixtnedslag kan orsaka brand. Moderna vindkraftverk är utrustade med blixtavledningssystem .
• Buller och vibrationer.

Lovande utveckling

Det norska företaget StatoilHydro och det tyska företaget Siemens AG har utvecklat flytande vindkraftverk för djuphavsstationer. StatoilHydro byggde en demo på 2,3 MW i juni 2009 [14] [15] . Turbinen, kallad Hywind, utvecklad av Siemens Renewable Energy [15] , väger 5 300 ton och är 65 meter hög. Den ligger 10 kilometer från ön Karmoy, inte långt från Norges sydvästra kust. Företaget planerar att i framtiden öka turbineffekten till 5 MW och rotordiametern till 120 meter. Liknande utveckling pågår i USA .

Magenn har utvecklat en speciell vindroterande ballong med en generator installerad på den, som själv reser sig till en höjd av 120-300 meter. Det finns inget behov av att bygga ett torn och ockupera mark. Enheten fungerar i området för vindhastigheter från 1 m/s till 28 m/s. Enheten kan flyttas till blåsiga områden eller snabbt installeras i katastrofområden.

Windrotor erbjuder en kraftfull turbinrotordesign som avsevärt kan öka dess storlek och vindenergieffektivitet. Denna design förväntas vara en ny generation vindkraftsrotorer.

I maj 2009 tog Advanced Tower Systems (ATS) i Tyskland i drift det första vindkraftverket installerat på ett hybridtorn. Den nedre delen av tornet, 76,5 meter högt, är byggd av armerad betong . Den övre delen, 55 meter hög, är byggd av stål. Den totala höjden på vindgeneratorn (inklusive blad) är 180 meter. En ökning av höjden på tornet kommer att öka produktionen av el med upp till 20 % [16] .

I slutet av 2010 bildade de spanska företagen Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros och DIgSILENT Ibérica en grupp för att gemensamt utveckla ett 15,0 MW vindturbin [17] .

Europeiska unionen har skapat ett forskningsprojekt UpWind för att utveckla ett vindkraftverk till havs med en kapacitet på 20 MW [ 18] .

2013 utvecklade det japanska företaget Mitsui Ocean Development & Engineering Company en hybridinstallation: ett vindkraftverk och en turbin som drivs av tidvattenenergi installeras på en enda axel som flyter i vatten [19] .

Stora tillverkare

Tabell över de 10 största tillverkarna av industriella vindkraftverk 2010 [20] , MW:

Nej.	namn	Land	Produktionsvolym, MW.
ett	Vestas	Danmark	5 842
2	Sinovel	Kina	4 386
3	GE Energy	USA	3 796
fyra	Guldvind	Kina	3 740
5	Enercon	Tyskland	2846
6	Suzlon energi	Indien	2736
7	Dongfang Electric	Kina	2624
åtta	gamesa	Spanien	2587
9	Siemens vind	Tyskland	2325
tio	United Power	Kina	1600

2014 nådde turbintillverkarnas totala kapacitet 71 GW [21] .

Priser

Bloomberg New Energy Finance beräknar vindkraftsprisindex. Från 2008 till 2010 minskade medelpriset på vindkraftverk med 15 %. År 2008 var medelpriset för ett vindkraftverk 1,22 miljoner euro per 1 MW kapacitet.

I augusti 2010 var det genomsnittliga priset för ett MW-vindkraftverk 1,04 miljoner euro [22] .

År 2021 ökade kostnaden till 4 miljoner euro (Tyskland, byggnation nära staden Flöte).

Små vindkraftverk

Små vindkraft omfattar anläggningar med en kapacitet på mindre än 100 kW. Installationer med en effekt på mindre än 1 kW kallas mikrovindenergi. De används i yachter, jordbruksgårdar för vattenförsörjning, etc.

Strukturen för ett litet vindkraftverk

1. Rotor ; blad ; vindturbin; svansen orienterar rotorn mot vinden
2. Generator
3. Guyed mast
4. Batteriladdningskontroll
5. Batterier (vanligtvis underhållsfria 24V)
6. Växelriktare (= 24V -> ~ 220V 50Hz) ansluten till elnätet

Små vindkraftverk kan arbeta autonomt, det vill säga utan att vara anslutna till ett gemensamt elnät .

Vissa moderna UPS-enheter för konsumenter har en DC-ingångsmodul speciellt för sol- eller vindkraft. Således kan vindgeneratorn vara en del av strömförsörjningssystemet för hemmet, vilket minskar energiförbrukningen från elnätet.

För- och nackdelar med utnyttjande

För närvarande, trots de stigande energipriserna , uppgår inte elkostnaden till någon betydande summa för huvuddelen av industrier mot bakgrund av andra kostnader . . Tillförlitlighet och stabilitet hos strömförsörjningen är fortfarande nyckeln för konsumenten .

De viktigaste faktorerna som leder till en ökning av kostnaden för energi för användning i industrin, erhållen från vindkraftverk, är:

• behovet av att erhålla el av industriell kvalitet ~ 220 V 50 Hz (en växelriktare används, tidigare användes en umformer för detta ändamål )
• behovet av autonom drift under en tid (batterier används);
• behovet av långvarig oavbruten drift av konsumenter (en dieselgenerator används);

Man tror att användningen av små autonoma vindkraftverk i vardagen är till liten nytta på grund av:

• hög kostnad för batterier: ~ 25 % av installationskostnaden (används som en avbrottsfri strömkälla i frånvaro eller förlust av ett externt nätverk);
• ganska hög kostnad för växelriktaren (används för att omvandla växelström eller likström som tas emot från en vindgenerator till växelspänning enligt en hushållskraftstandard (220 V, 50 Hz).
• det frekventa behovet av att lägga till en dieselgenerator till den , jämförbar i kostnad för hela installationen.

Men i närvaro av ett gemensamt elnät och en modern dubbelkonverterad UPS blir dessa faktorer irrelevanta, och ofta ger sådana UPS :er möjlighet att komplettera med olika instabila DC-källor, såsom en vindgenerator eller ett solbatteri .

Det mest ekonomiskt genomförbara i dagsläget är att med hjälp av vindkraftverk inte få fram elektrisk energi av industriell kvalitet, utan lik- eller växelström (variabel frekvens) med dess efterföljande omvandling med hjälp av värmepumpar till värme för att värma bostäder och producera varmvatten. Detta schema har flera fördelar:

• Uppvärmning är den största energikonsumenten i nästan alla hem i Ryssland.
• Schemat för vindgeneratorn och styrautomatiseringen är radikalt förenklad.
• Automationskretsen kan i enklaste fall byggas på flera termiska reläer .
• Som energiackumulator kan du använda en konventionell vattenpanna för uppvärmning och varmvattenförsörjning.
• Värmeförbrukningen är inte så krävande när det gäller kvalitet och kontinuitet, lufttemperaturen i rummet kan hållas inom ett brett område: 19-25 °C; i varmvattenpannor: 40-97 °C, utan skada för konsumenterna.

Utveckling

Industrin för hemvindkraftverk utvecklas aktivt, och för ganska rimliga pengar är det redan möjligt att köpa ett vindkraftverk och säkerställa energioberoendet för ditt hus på landet i många år. Vanligtvis, för att tillhandahålla el till ett litet hus, räcker det med en installation med en märkeffekt på 1 kW vid en vindhastighet på 8 m / s. Om området inte blåser kan vindgeneratorn kompletteras med solceller eller en dieselgenerator och vertikalaxlade vindkraftverk kan kompletteras med mindre vindgeneratorer (till exempel kan Darrieus-turbinen kompletteras med en Savonius-rotor . samtidigt stör den ena inte den andra - källorna kommer att komplettera varandra).

De mest lovande regionerna för utveckling av liten vindkraft är regionerna med elkostnaden över 0,1 USD per kWh . Kostnaden för el producerad av små vindkraftverk i USA 2006 var $0,10-$0,11 per kWh.

American Wind Energy Association (AWEA) förväntar sig att kostnaden kommer att minska till $0,07 per kWh under de kommande 5 åren. Enligt AWEA såldes 6 807 små vindkraftverk i USA under 2006 . Deras totala kapacitet är 17 543 kW. Deras totala kostnad är 56 082 850 USD (cirka 3 200 USD per kW effekt). I resten av världen såldes 9 502 små turbiner 2006 (exklusive USA), med en total kapacitet på 19 483 kW.

Det amerikanska energidepartementet (DoE) tillkännagav i slutet av 2007 sin beredskap att finansiera särskilt små (upp till 5 kW) vindkraftverk för personligt bruk.

AWEA förutspår att den totala amerikanska småvindkraftskapaciteten år 2020 kommer att växa till 50 tusen MW, vilket kommer att vara cirka 3 % av landets totala kapacitet. Vindkraftverk kommer att installeras i 15 miljoner hem och 1 miljon småföretag . Den lilla vindkraftsindustrin kommer att sysselsätta 10 000 personer. De kommer årligen att producera produkter och tjänster värda mer än 1 miljard dollar.

I Ryssland håller trenden på att installera vindkraftverk för att utrusta hem med elektricitet just fram. Det finns bokstavligen flera tillverkare av lågeffekts vindkraftverk för hushåll på marknaden speciellt för hemmabruk. Priser för vindkraftverk med en kapacitet på 1 kW med en komplett uppsättning startar från 35-40 tusen rubel (för 2012). Ingen certifiering krävs för att installera denna utrustning.

Se även

• Vindkraft
• vindkraftpark
• Betz lag
• Magnus effekt vindgenerator

Anteckningar

1. ↑ Typer av vindturbiner . Hämtad 5 februari 2013. Arkiverad från originalet 11 februari 2013. (obestämd)
2. ↑ 1 2 Bilimovich B. F. Mekanikens lagar i tekniken. - M .: Utbildning, 1975. - Upplaga 80 000 ex. - S. 173.
3. ↑ Varför har vindturbiner tre blad och inte två eller fyra? // Populär mekanik . - 2018. - Nr 5 . - S. 16 .
4. ↑ Vilket är bättre - en vertikal eller horisontell vindgenerator? Fördelar och nackdelar. UNVÄNDNINGKOEFFICIENT FÖR VINDENERGIE . Hämtad 20 september 2017. Arkiverad från originalet 21 september 2017. (obestämd)
5. ↑ Braga N. Skapar robotar hemma. - M.: NT Press, 2007. - P. 131 - ISBN 5-477-00749-4 .
6. ↑ Vindturbinernas fysik Kira Grogg Carleton College, 2005, s. 8 . Hämtad 6 november 2013. Arkiverad från originalet 9 september 2013. (obestämd)
7. ↑ Grundläggande om vindenergi . Byrån för markförvaltning . Hämtad 23 april 2016. Arkiverad från originalet 9 maj 2019. (obestämd)
8. ↑ Enercon E-familj, 330 Kw till 7,5 MW, vindkraftsspecifikation . Arkiverad från originalet den 16 maj 2011. (obestämd)
9. ↑ Tony Burton. Wind Energy Handbook  / Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins … [ och andra ] . — John Wiley & Sons, 2001-12-12. - S. 65. - ISBN 978-0-471-48997-9 . Arkiverad 24 juni 2021 på Wayback Machine
10. ↑ Sanne Wittrup . 11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang  (danska)  (1 november 2013). Arkiverad från originalet den 25 oktober 2018. Hämtad 23 juni 2021.
11. ↑ Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). "Atmosfärisk stabilitet och topografi påverkar vindkraftverkens prestanda och vågegenskaper i komplex terräng". Förnybar energi . Elsevier BV. 126 : 640-651. DOI : 10.1016/j.renene.2018.03.048 . ISSN  0960-1481 .
12. ↑ Ozdamar, G. (2018). "Numerisk jämförelse av effekten av bladmaterial på vindkraftverkens effektivitet." Acta Physica Polonica A. 134 (1): 156-158. Bibcode : 2018AcPPA.134..156O . DOI : 10.12693/APhysPolA.134.156 .
13. ↑ Faizullin I.I. Vindkraftverk  // Orenburg State University. - 2014. Arkiverad den 23 januari 2022.
14. ↑ Norge lanserar flytande vindkraftverk till havs (otillgänglig länk) . Hämtad 9 september 2009. Arkiverad från originalet 16 september 2009. (obestämd) 
15. ↑ 12 Jorn Madslien . Flytande vindturbin lanserad , BBC NEWS , London: BBC, s. 5 juni 2009. Arkiverad från originalet den 26 januari 2022. Hämtad 3 november 2022.
16. ↑ Nytt torn når högt för att fånga vinden
17. ↑ Spanska företag planerar ett 15-MW vindturbin 1 december 2010
18. ↑ http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Arkiverad 18 juni 2013 på Wayback Machine Chris Webb Wind Turbine Blades Tryck på storleksgränser, 2012-10-07
19. ↑ Hybrid vind-tidvattenturbin som ska installeras utanför den japanska kusten den 12 juli 2013 . Hämtad 18 juli 2013. Arkiverad från originalet 22 december 2014. (obestämd)
20. ↑ Tildy Bayar. World Wind Market: Rekordinstallationer, men tillväxttakten  faller fortfarande . Renewable Energy World (4 augusti 2011). — 10 största leverantörer 2010 enligt företaget. Datum för åtkomst: 28 maj 2013. Arkiverad från originalet 28 maj 2013.
21. ↑ http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Arkiverad 13 december 2014 på Wayback Machine Global Tillverkningskapaciteten för vindkraftverk har vida överträffat efterfrågan Publicerad: 11 december 2014
22. ↑ Stephen Lacey. Priserna på vindkraftverk är fortfarande låga  . renewableenergyworld.com (4 augusti 2010). — Enligt företaget har priset på vindkraftverk minskat med 15 % de senaste två åren. Datum för åtkomst: 28 maj 2013. Arkiverad från originalet 28 maj 2013.

Litteratur

• Pedder A. Yu  Moderna vindkraftverk = Moderna vindmotorer: teori och beräkning. - Petrozavodsk, 1935. - 94 s.: ill.
• E. M. FATEEV. Vindkraftverk och vindkraftverk. - M . : Statens jordbrukslitteraturförlag, 1948. - 544 sid. — 15 000 exemplar.
• V.N. Andrianov , D.N. Bystritsky , K.P. Vashkevich och V.R. Sektorov kapitel 2. Vindkraftverk, kapitel 3. Likströmsvindkraftverk // Vindkraftverk / redigerad av V. N. Andrianov. - M., L.: Statens energiförlag, 1960. - 320 sid. - 2000 exemplar.
• Valery Chumakov. Vindströmmar  (ryska)  // Jorden runt  : journal. — 2008. — Augusti ( Nr 8 (2815) ). - S. 98-106 . — ISSN 0321-0669 .
• Vindkraftspark i ett höghus // " Populär mekanik "
• Yu.V. Kozhukhov, A.A. Lebedev, A.M. Danylyshyn, E.V. Davletgareev. Granskning av egenskaper hos vindturbiner med CFD-modellering på en superdator  (ryska)  // CAD/CAM/CAE Observer  : journal. - 2016. - Nr 7 (107) . - S. 81-87 . Arkiverad från originalet den 20 december 2016.

Länkar

• Tidskrift "Academy of Energy"
• EU:s och USA:s program för utveckling av vindenergi

Ordböcker och uppslagsverk	Stor katalanska Britannica (online)
I bibliografiska kataloger	BNF : 119358702 GND : 4189962-3 J9U : 987007294600705171 LCCN : sh85002717