Generator eolian

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 14 iunie 2022; verificările necesită 6 modificări .

Generatorul eolian (centrală eoliană sau prescurtat WPP, moara de vânt ) este un dispozitiv pentru transformarea energiei cinetice a fluxului vântului în energie mecanică a rotației rotorului cu conversia ulterioară în energie electrică .

Turbinele eoliene pot fi împărțite în trei categorii: industriale, comerciale și casnice (pentru uz privat).

Cele industriale sunt instalate de stat sau marile corporații energetice. De regulă, acestea sunt combinate într-o rețea, rezultatul este un parc eolian . Pe vremuri, acestea sunt complet prietenoase cu mediul, așa că se deosebesc de cele tradiționale. Cu toate acestea, palele turbinelor eoliene sunt fabricate dintr-un compozit polimeric , care nu este rentabil de reutilizat și reciclat. Acum problema procesării lamelor este deschisă.

Singura cerință importantă pentru un WPP este un nivel mediu anual ridicat al vântului. Puterea turbinelor eoliene moderne ajunge la 8 MW.

Puterea generatorului eolian depinde de puterea fluxului de aer ( ), determinată de viteza vântului și de zona măturată ,

unde:  - viteza vântului,  - densitatea aerului,  - zona măturată.

Tipuri de turbine eoliene

Există clasificări ale turbinelor eoliene după numărul de pale, după materialele din care sunt realizate, după axa de rotație și după pasul șurubului [1] .

Există două tipuri principale de turbine eoliene:

Există și turbine eoliene cu tambur și rotative [2] .

Generatoarele eoliene folosesc de obicei trei pale pentru a ajunge la un compromis între cantitatea de cuplu (crește cu numărul de pale) și viteza de rotație (descrește cu numărul de pale) [3] .

Avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de turbine eoliene

Legea lui Betz prezice că factorul de utilizare a energiei eoliene (WUCF) al instalațiilor orizontale, cu elice și pe axă verticală este limitat la o constantă de 0,593. Până în prezent, coeficientul de utilizare a energiei eoliene realizat la turbinele eoliene cu elice orizontale este de 0,4. În acest moment, acest coeficient pentru turbinele eoliene (turbine eoliene) GRTs-Vertical este 0,38. Studiile experimentale ale instalațiilor rusești cu axă verticală au arătat că atingerea unei valori de 0,4-0,45 este o sarcină foarte reală. Astfel, coeficienții de utilizare a energiei eoliene ai elicei cu ax orizontal și turbinelor eoliene cu ax vertical sunt apropiați [4] .

Dispozitiv

WPP constă din:

  1. Turbine eoliene montate pe un catarg cu bretele si rotite de un rotor sau pale ;
  2. Generator electric ;

Energia electrică produsă merge către:

Turbina eoliana industriala

Constă din următoarele părți:

  1. fundație
  2. Cabinet de alimentare, inclusiv contactori de putere și circuite de comandă
  3. Turn
  4. Scări
  5. Mecanism pivotant
  6. Gondola
  7. Generator electric
  8. Sistem de urmărire a direcției și vitezei vântului ( anemometru )
  9. Sistem de franare
  10. Transmisie
  11. Pale (de obicei trei, deoarece rotoarele cu două lame sunt supuse unui stres mai mare atunci când o pereche de lame este verticală și mai mult de trei pale creează rezistență excesivă la aer)
  12. Sistem de schimbare a unghiului lamei
  13. Glugă
Model de putere redusă al unui generator eolian [5]

Constă din următoarele părți:

  1. Motor DC mic (3-12V) (utilizat ca generator)
  2. Dioda redresoare de siliciu
  3. Condensator electrolitic (1000uF 6V)

Eficiență

Legea conservării masei cere ca cantitatea de aer care intră și iese din turbină să fie aceeași. În consecință, legea lui Betz dă extracția maximă realizabilă a energiei eoliene de către o turbină eoliană ca 16/27 (59,3%) din viteza cu care energia cinetică a aerului ajunge la turbină [6] .

Astfel, puterea maximă teoretică de ieșire a unei mașini eoliene este egală cu 16/27 din energia cinetică a aerului care atinge aria efectivă a discului a mașinii pe unitatea de timp. Cu o suprafață efectivă a discului și viteza vântului, puterea maximă teoretică este

,

unde ρ este densitatea aerului .

Frecarea palelor împotriva aerului și rezistența la rezistență sunt principalii factori care determină eficiența transferului de energie de la vânt către rotor și, în consecință, costul energiei generate de generatorul eolian [7] . Alți factori de pierdere a eficienței includ pierderile în cutia de viteze , generator și convertor. Începând cu 2001, turbinele conectate la utilitățile comerciale produceau între 75% și 80% din limita de putere, așa cum este determinat de legea lui Betz [8] [9] la viteza nominală de funcționare .

Eficiența poate scădea ușor în timp din cauza prafului, a defectelor de suprafață ale lamelor și a insectelor care s-au acumulat, care reduc ridicarea lamei. O analiză a 3128 de turbine eoliene mai vechi de 10 ani din Danemarca a arătat că eficiența a jumătate dintre turbine nu a scăzut, în timp ce cealaltă jumătate a scăzut cu o medie de 1,2% pe an [10] .

În general, condițiile meteorologice mai stabile și mai constante (în special viteza vântului) conduc la o creștere medie a eficienței de 15% față de vremea instabilă [11] .

S-a constatat că diferite materiale au efecte diferite asupra eficienței turbinelor eoliene. Într-un experiment la Universitatea Ege, trei turbine eoliene cu trei pale cu diametrul de 1 m au fost construite cu diferite materiale ale palelor: fibră de sticlă și fibră de carbon cu liant epoxidic, fibră de carbon, sticlă-polistiren. Testele au arătat că materialele cu o masă totală mai mare au un moment de frecare mai mare și deci un factor de putere mai mic [12] .

Probleme de funcționare a turbinelor eoliene industriale

O turbină eoliană industrială este construită pe un șantier pregătit în 7-10 zile. Obținerea aprobărilor de reglementare pentru a construi un parc eolian poate dura un an sau mai mult. [13] În plus, pentru a justifica construirea unei turbine eoliene sau a unui parc eolian, este necesar să se efectueze cercetări eoliene pe termen lung (cel puțin un an) în zona construcțiilor. Aceste activități cresc semnificativ durata de viață a proiectelor de energie eoliană.

Pentru construcție, un drum către șantier, un loc pentru plasarea nodurilor în timpul instalării, sunt necesare echipamente de ridicare grele cu o rază de acțiune de peste 50 de metri, deoarece gondolele sunt instalate la o înălțime de aproximativ 50 de metri.

În timpul funcționării turbinelor eoliene industriale, apar diverse probleme:

Evoluții promițătoare

Compania norvegiană StatoilHydro și concernul german Siemens AG au dezvoltat turbine eoliene plutitoare pentru stațiile de mare adâncime. StatoilHydro a construit un demo de 2,3 MW în iunie 2009 [14] [15] . Turbina, numită Hywind, dezvoltată de Siemens Renewable Energy [15] , cântărește 5.300 de tone și are 65 de metri înălțime. Este situat la 10 kilometri de insula Karmoy, nu departe de coasta de sud-vest a Norvegiei. Compania plănuiește în viitor să crească puterea turbinei la 5 MW și diametrul rotorului la 120 de metri. Evoluții similare sunt în curs de desfășurare în SUA .

Magenn a dezvoltat un balon special care se rotește vântul cu un generator instalat pe el, care se ridică la o înălțime de 120-300 de metri. Nu este nevoie să construiești un turn și să ocupi un teren. Dispozitivul funcționează în intervalul de viteze ale vântului de la 1 m/s la 28 m/s. Dispozitivul poate fi mutat în regiuni cu vânt sau instalat rapid în zonele dezastre.

Windrotor oferă un design puternic al rotorului turbinei, care poate crește semnificativ dimensiunea și eficiența energiei eoliene. Acest design este de așteptat să fie o nouă generație de rotoare de turbine eoliene.

În mai 2009, Advanced Tower Systems (ATS) din Germania a pus în funcțiune prima turbină eoliană instalată pe un turn hibrid. Partea inferioară a turnului, înaltă de 76,5 metri, este construită din beton armat . Partea superioară, înaltă de 55 de metri, este construită din oțel. Înălțimea totală a generatorului eolian (inclusiv lamele) este de 180 de metri. Creșterea înălțimii turnului va crește producția de energie electrică până la 20% [16] .

La sfârșitul anului 2010, companiile spaniole Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros și DIgSILENT Ibérica au format un grup pentru a dezvolta în comun o turbină eoliană de 15,0 MW [17] .

Uniunea Europeană a creat un proiect de cercetare UpWind pentru a dezvolta o turbină eoliană offshore cu o capacitate de 20 MW [18] .

În 2013, compania japoneză Mitsui Ocean Development & Engineering Company a dezvoltat o instalație hibridă: o turbină eoliană și o turbină alimentată cu energia mareelor ​​sunt instalate pe o singură axă plutind în apă [19] .

Principalii producători

Tabelul celor mai mari 10 producători de turbine eoliene industriale în 2010 [20] , MW:

Nu. Nume Țară Volumul producției, MW.
unu Vestas  Danemarca 5 842
2 Sinovel  China 4 386
3 GE Energy  STATELE UNITE ALE AMERICII 3 796
patru Goldwind  China 3 740
5 Enercon  Germania 2846
6 Suzlon Energy  India 2736
7 Dongfang Electric  China 2624
opt gamesa  Spania 2587
9 Siemens Wind  Germania 2325
zece Puterea Unită  China 1600

În 2014, capacitatea totală a producătorilor de turbine a ajuns la 71 GW [21] .

Prețuri

Bloomberg New Energy Finance calculează Indicele prețurilor turbinelor eoliene. Din 2008 până în 2010, prețul mediu al turbinelor eoliene a scăzut cu 15%. În 2008, prețul mediu al unei turbine eoliene a fost de 1,22 milioane de euro pe 1 MW de capacitate.

În august 2010, prețul mediu al unei turbine eoliene MW era de 1,04 milioane de euro [22] .

În 2021, costul a crescut la 4 milioane de euro (Germania, construcție lângă orașul Flöte).

Turbine eoliene mici

Energia eoliană mică include instalațiile cu o capacitate mai mică de 100 kW. Instalațiile cu o putere mai mică de 1 kW sunt denumite energie micro-eoliană. Sunt folosite în iahturi, ferme agricole pentru alimentarea cu apă etc.

Structura unei mici turbine eoliene

  1. Rotor ; lame ; turbină eoliană; coada orientând rotorul împotriva vântului
  2. Generator
  3. Catarg cu cârlig
  4. Controler de încărcare a bateriei
  5. Baterii (de obicei fără întreținere 24V)
  6. Invertor (= 24V -> ~ 220V 50Hz) conectat la rețea

Turbinele eoliene mici pot funcționa autonom, adică fără a fi conectate la o rețea electrică comună .

Unele UPS -uri moderne de consum au un modul de intrare DC special pentru energia solară sau eoliană. Astfel, generatorul eolian poate face parte din sistemul de alimentare cu energie electrică a locuinței, reducând consumul de energie de la rețea.

Avantaje și dezavantaje ale exploatării

În prezent, în ciuda creșterii prețurilor la energie , costul energiei electrice nu se ridică la o sumă semnificativă pentru cea mai mare parte a industriilor pe fondul altor costuri . . Fiabilitatea și stabilitatea sursei de alimentare rămân esențiale pentru consumator .

Principalii factori care conduc la creșterea costului energiei pentru utilizare în industrie, obținută din turbinele eoliene, sunt:

Se crede că utilizarea turbinelor eoliene autonome mici în viața de zi cu zi este de puțin folos din cauza:

Cu toate acestea, în prezența unei rețele electrice comune și a unui UPS modern cu dublă conversie, acești factori devin irelevanți și, adesea, astfel de UPS -uri oferă posibilitatea de a completa cu diverse surse instabile de curent continuu, cum ar fi un generator eolian sau o baterie solară .

Cea mai fezabilă din punct de vedere economic în prezent este obținerea cu ajutorul turbinelor eoliene nu energie electrică de calitate industrială, ci curent continuu sau alternativ (frecvență variabilă) cu conversia ulterioară a acestuia folosind pompe de căldură în căldură pentru a încălzi locuința și a produce apă caldă. Această schemă are mai multe avantaje:

Dezvoltare

Industria turbinelor eoliene de acasă se dezvoltă activ și, pentru bani destul de rezonabili, este deja posibil să achiziționați o turbină eoliană și să asigurați independența energetică a casei dvs. de țară pentru mulți ani. De obicei, pentru a furniza energie electrică unei case mici, este suficientă o instalație cu o putere nominală de 1 kW la o viteză a vântului de 8 m/s. Dacă zona nu este vântulată, generatorul eolian poate fi suplimentat cu celule fotovoltaice sau un generator diesel, iar turbinele eoliene cu axă verticală pot fi completate cu generatoare eoliene mai mici (de exemplu, turbina Darrieus poate fi completată cu un rotor Savonius . La în același timp, una nu interferează cu cealaltă - sursele se vor completa reciproc).

Cele mai promițătoare regiuni pentru dezvoltarea energiei eoliene mici sunt regiunile cu costul energiei electrice de peste 0,1 USD per kWh . Costul energiei electrice produse de turbinele eoliene mici în SUA în 2006 a fost de 0,10 USD-0,11 USD per kWh.

Asociația Americană a Energiei Eoliene (AWEA) se așteaptă ca în următorii 5 ani, costul să scadă la 0,07 USD per kWh. Potrivit AWEA, 6.807 de turbine eoliene mici au fost vândute în SUA în 2006 . Capacitatea lor totală este de 17.543 kW. Costul lor total este de 56.082.850 USD (aproximativ 3.200 USD per kW de putere). În restul lumii, în 2006 au fost vândute 9.502 turbine mici (excluzând SUA), cu o capacitate totală de 19.483 kW.

Departamentul de Energie al SUA (DoE) la sfârșitul anului 2007 și-a anunțat disponibilitatea de a finanța în special turbine eoliene mici (până la 5 kW) pentru uz personal.

AWEA prezice că până în 2020, capacitatea totală a energiei eoliene mici din SUA va crește la 50 mii MW, ceea ce va reprezenta aproximativ 3% din capacitatea totală a țării. Turbinele eoliene vor fi instalate în 15 milioane de case și 1 milion de întreprinderi mici . Industria eoliană mică va angaja 10.000 de oameni. Ei vor produce anual produse și servicii în valoare de peste 1 miliard de dolari.

În Rusia, tendința de a instala turbine eoliene pentru a dota casele cu energie electrică abia a apărut. Există literalmente mai mulți producători de turbine eoliene de uz casnic cu putere redusă pe piață, special pentru uz casnic. Prețurile pentru turbinele eoliene cu o capacitate de 1 kW cu un set complet încep de la 35-40 mii de ruble (pentru 2012). Nu este necesară nicio certificare pentru a instala acest echipament.

Vezi și

Note

  1. Tipuri de turbine eoliene . Consultat la 5 februarie 2013. Arhivat din original pe 11 februarie 2013.
  2. 1 2 Bilimovich B. F. Legile mecanicii în tehnologie. - M .: Educaţie, 1975. - Tiraj 80.000 exemplare. - S. 173.
  3. De ce turbinele eoliene au trei pale și nu două sau patru? // Mecanica populară . - 2018. - Nr 5 . - S. 16 .
  4. Care este mai bine - un generator eolian vertical sau orizontal? Avantaje și dezavantaje. COEFICIENTUL DE UTILIZARE A ENERGIEI EOLIENE . Preluat la 20 septembrie 2017. Arhivat din original la 21 septembrie 2017.
  5. Braga N. Crearea de roboți acasă. - M.: NT Press, 2007. - P. 131 - ISBN 5-477-00749-4 .
  6. Fizica turbinelor eoliene Kira Grogg Carleton College, 2005, p. 8 . Consultat la 6 noiembrie 2013. Arhivat din original la 9 septembrie 2013.
  7. Bazele energiei eoliene . Biroul de gospodărire a terenurilor . Consultat la 23 aprilie 2016. Arhivat din original pe 9 mai 2019.
  8. Familia E Enercon, 330 Kw până la 7,5 MW, specificații turbine eoliene . Arhivat din original pe 16 mai 2011.
  9. Tony Burton. Manual de energie eoliană  / Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins … [ și alții ] . — John Wiley & Sons, 2001-12-12. - P. 65. - ISBN 978-0-471-48997-9 . Arhivat pe 24 iunie 2021 la Wayback Machine
  10. Sanne Wittrup . 11 års vinddata afslørede overraskende produktionsnedgang  (daneză)  (1 noiembrie 2013). Arhivat din original pe 25 octombrie 2018. Preluat la 23 iunie 2021.
  11. Han, Xingxing; Liu, Deyou; Xu, Chang; Shen, Wen Zhong (2018). „Stabilitatea atmosferică și efectele topografiei asupra performanței turbinelor eoliene și a proprietăților de trezi pe teren complex”. Energie regenerabilă . Elsevier BV. 126 : 640-651. DOI : 10.1016/j.renene.2018.03.048 . ISSN  0960-1481 .
  12. Ozdamar, G. (2018). „Comparație numerică a efectului materialului paletei asupra eficienței turbinelor eoliene.” Acta Physica Polonica A. 134 (1): 156-158. Cod biblic : 2018AcPPA.134..156O . DOI : 10.12693/APhysPolA.134.156 .
  13. Faizullin I.I. Centrale eoliene  // Universitatea de Stat din Orenburg. - 2014. Arhivat la 23 ianuarie 2022.
  14. Norvegia va lansa o turbină eoliană offshore plutitoare (link inaccesibil) . Consultat la 9 septembrie 2009. Arhivat din original pe 16 septembrie 2009. 
  15. 12 Jorn Madslien . Lansarea turbinei eoliene plutitoare , BBC NEWS , Londra: BBC, p. 5 iunie 2009. Arhivat din original la 26 ianuarie 2022. Preluat la 3 noiembrie 2022.
  16. Turnul nou ajunge la înălțime pentru a prinde vântul
  17. Companiile spaniole planifică o turbină eoliană de 15 MW 1 decembrie 2010
  18. http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Arhivat 18 iunie 2013 la Wayback Machine Chris Webb Wind Turbine Blades Push Size Limits, 07.10.2012
  19. Turbina eoliană hibridă va fi instalată în largul coastei japoneze, 12 iulie 2013 . Consultat la 18 iulie 2013. Arhivat din original la 22 decembrie 2014.
  20. Tildy Bayar. Piața eoliană mondială: instalații record, dar ratele de creștere sunt în continuare  în scădere . Renewable Energy World (4 august 2011). — 10 cei mai mari furnizori din 2010 conform companiei. Data accesului: 28 mai 2013. Arhivat din original pe 28 mai 2013.
  21. http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Arhivat 13 decembrie 2014 la Wayback Machine Global Capacitatea de producție a turbinelor eoliene a depășit cu mult cererea Publicat: 11 decembrie 2014
  22. Stephen Lacey. Prețurile turbinelor eoliene rămân scăzute  . renewableenergyworld.com (4 august 2010). — Potrivit companiei, prețul turbinelor eoliene a scăzut cu 15% în ultimii doi ani. Data accesului: 28 mai 2013. Arhivat din original pe 28 mai 2013.

Literatură

Link -uri