Физика

Радиоактивность
ДОЗЫ РАДИАЦИОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ
Естественные источники радиации
Земная радиация
Внутреннее облучение
Другие источники радиации
Источники, созданные человеком
Ядерные взрывы
Атомная энергетика
Профессиональное облучение
Действие радиации на человека
Острое поражение
Рак
Генетические последствия облучения
Понятие приемлемого риска
 

ВЕТРЯНЫЕ ТУРБИНЫ

Ветряная турбина (ветродвигатель) преобразовывает кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения. На современных ветряных электростанциях находят применение, главным образом, два вида ветряных турбин:

крыльчатые турбины (с горизонтальной осью вращения),

карусельные турбины (с вертикальной осью вращения).

Крыльчатые турбины среди ветряных турбин являются преобладающими – более 99 % всех установленных в мире ветряных турбин относится к этому типу. В настоящее время они выпускаются с номинальной мощностью от нескольких десятков ватт до нескольких мегаватт, а на ветряных электростанциях обычно устанавливаются турбины мощностью 0,1…6 MW.

Номинальную мощность ветряных турбин выражают не в виде мощности на валу, как, например, в случае паровых, газовых или гидравлических турбин, а через номинальную мощность электрического генератора, вращаемого турбиной.

Мощные (предназначенные для ветроэлектростанций) турбинные установки состоят из следующих частей (см. рис. 3.10.1):

ротор (ветроколесо), который, в свою очередь, состоит из лопастей (крыльев), ступицы, вала и часто также из системы поворота лопастей относительно направления ветра;

гондола (головка) с подшипником вала, тормозным устройством и механизмом поворота; в гондоле находятся также редуктор (если он предусмотрен) и электрический генератор;

башня (опора), которая чаще всего выполняется в виде трубы из стали или железобетона; внутри башни предусматривается лестница; при малой мощности турбин (мощностью приблизительно до 100 kW) могут использоваться и решетчатые опоры.

Рис. 3.10.1. Принцип устройства ветряной турбины крыльчатого типа. 
1 ротор, 2 гондола, 3 башня. A площадь, охватываемая ротором, 
v1 скорость ветра перед ротором, v2 скорость ветра за ротором

Ротор имеет обычно три лопасти, но известны также двух- и (весьма редко) однолопастные турбины. Линейная скорость движения конца лопасти у современных мощных ветряных турбин в 6…8 раз превышает скорость ветра, из-за чего крыльчатые турбины называются скороходными. Номинальная частота вращения турбины находится обычно в пределах от 20 r/min до 40 r/min.

Если скорость ветра перед ротором (без учета влияния ротора) равна v1 , то мощность ветра перед ротором равна

Из этой формулы следует, что мощность воздушного потока перед ротором пропорциональна третьей степени скорости ветра. С уменьшением скорости ветра эта величина быстро уменьшается, и ниже некоторой малой скорости применение ветряных турбин становится нецелесообразным. Обычно они и устанавливаются в местах, где среднегодовая скорость ветра составляет, как минимум, 5 m/s (см. раздел 2.7). Большинство выпускаемых в настоящее время ветряных турбин рассчитано в номинальном режиме на скорость ветра от 12 m/s до 16 m/s, причем, турбина включается в работу при скорости ветра 2…4 m/s и отключается при скорости 25…35 m/s.

Если скорость ветра за ротором равна v2 и если мощность, отбираемая от движущегося воздуха, полностью преобразуется в мощность вращения ротора, то эта величина определяется теоретической формулой

Если ввести сокращение

то, после математических преобразований, можем выразить теоретический коэффициент использования энергии ветра сteor формулой

Отношение P2 / P1 в данном случае не может называться коэффициентом полезного действия, так как часть воздушного потока мощностью P1  неизбежно проходит мимо ротора и не может преобразоваться в мощность вращения.

Легко доказать, что коэффициент использования имеет максимум при

а именно

Наибольший теоретически возможный коэффициент использования энергии ветра равен, следовательно, приблизительно равен 59 %. Фактически же он находится обычно в пределах от 40 % до 50 %.

Понятие коэффициента использования энергии ветра (нем. Leistungsbeiwert, англ. coefficient of power) ввел в ветроэнергетику в 1919 году директор Аэродинамического института Геттингена (Göttingen, Германия) Альберт Бец (Albert Betz, 1885–1968). Он же вывел и формулу теоретически возможного максимального значения этой величины, вследствие чего эта формула часто называется формулой Беца.

Чтобы ротор вращался с постоянной (или приблизительно постоянной) скоростью, необходимо регулировать силу, действующую на лопасти, в зависимости от скорости ветра. У относительно малых турбин (мощностью приблизительно до 500 kW) лопасти могут иметь жесткое крепление к ступице, но их профиль выбран таким, что в случае превышения скоростью ветра определенного значения происходит аэродинамическое опрокидывание, и сила, действующая на лопасти, уменьшается. Такое саморегулирование очень просто, но может вызывать недопустимо большие колебания мощности и напряжения соединенного с турбиной электрогенератора; поэтому этот способ применяется редко. В случае крупных турбин для регулирования используются

метод активного изменения условий возникновения опрокидывания путем некоторого поворота лопастей в направлении ветра,

метод изменения угла атаки набегающего ветра, путем поворота лопасти против ветра.

Все три способа регулирования упрощенно изображены на рис. 3.10.2.

Система поворота лопастей находится в ступице ротора. Поворот лопастей, а также изменение ориентации гондолы в зависимости от направления ветра происходит автоматически при помощи соответствующих установочных приводов.

Рис. 3.10.2. Способы регулирования силы, действующей на лопасти ротора. a с использованием явления опрокидывания, 
b с использованием активного изменения условий опрокидывания, 
c путем изменения угла атаки. Стрелками показано направление ветра

Мощность ветряной турбины, как уже сказано, пропорционально площади ротора. Размеры мощных ветряных турбин поэтому весьма велики. Для получения представления о них, в таблице 3.10.1 приведены некоторые соответствующие приблизительные данные.

Чтобы добиться достаточной механической прочности лопастей без чрезмерного увеличения их веса, их изготовляют из синтетических материалов, армированных стекловолокном (в последнее время находят применение и углеродные волокна), с использованием технологии литья для точного формирования лопастей.

Предшественницей крыльчатой ветряной турбины является ветряная мельница, история развития которой рассмотрена в разделе 1.4. Коэффициент использования энергии ветра мельницы относительно низок (приблизительно 0,2), и скорость крыльев ее мала, вследствие чего она не подходит для энергетического пользования. Аэродинамические закономерности движения крыльев мельницы или турбины изучал уже в 1738 году профессор физики Базельского университета (Basel, Швейцария) Даниель Бернулли (Daniel Bernoulli, 1700–1782), а оптимизацию формы крыла выполнил в 1756 году Леонард Эйлер (Leonhard Euler). В 1903 году на основе этих работ, используя и результаты собственных теоретических и экспериментальных исследований, датский метеоролог Поуль Ла Кур (Poul La Cour, 1846–1908) разработал быстроходную трехлопастную турбину, лопасти которой были жестко связаны с осью вращения. Такие датские турбины мощностью от нескольких киловатт до нескольких десятков киловатт сразу стали использовать как в Дании, так и в других странах для получения электроэнергии в местах, куда не доходили сети энергосистем. Использование ветряных турбин для отдачи энергии в энергосистемы началось после наступления энергетического кризиса в 1973 году, когда во многих промышленно развитых странах находили целесообразным стимулировать развитие ветряной энергетики при помощи льгот и субсидий. Это привело к росту номинальных мощностей ветряных турбин, к повышению их надежности и к снижению как их стоимости, так и эксплуатационных расходов. По всем этим причинам значение ветряных турбин в энергетике за последние годы стало быстро расти (см. раздел 6.5).

Среди карусельных турбин (турбин с вертикальной осью вращения) чаще всего находит применение турбина с двумя или тремя дугообразными (точнее – имеющими форму цепной линии) лопастями (рис. 3.10.3), которую запатентовал в 1931 году французский инженер-электрик Жорж Дарье (Georges Darrieus, 1888–1979).

Рис. 3.10.3. Принцип устройства ветряной турбины Дарье. 1 вал, 
2 лопасть, 3 электрогенератор, 4 подпятник

Преимуществами этой турбины считаются отсутствие башни, расположение электрогенератора вблизи уровня земли, а также то, что турбина не нуждается в ориентации по направлению ветра. Турбина обладает также большей, чем крыльчатые турбины, прочностью при шторме. В то же время у турбины Дарье имеются существенные недостатки, в том числе

меньшая скорость ветра, действующая на турбину, так как его лопасти находятся ближе к поверхности земле, чем у крыльчатых турбин,

меньший коэффициент использования энергии ветра (предельное значение этого коэффициента приблизительно 0,4),

меньшая скороходность (обычно не более 5),

нерегулируемая скорость,

более сложные опорные конструкции (особенно это относится к турбинам большой мощности),

больший расход конструкционных материалов и бóльшая удельная стоимость.

Из-за вышеназванных недостатков эти турбины не нашли широкого применения, хотя их изготовляли на номинальную мощность даже до 4 MW. Всего на ветряных электростанциях мира было установлено только около 20 турбин такого типа, причем, некоторые из них впоследствии были заменены крыльчатыми турбинами. Они лучше подходят для использования в качестве местных энергоагрегатов мощностью от нескольких киловатт до нескольких десятков киловатт.

Существуют и другие типы ветряных турбин, но их технические показатели обычно ниже, чем у двух вышерассмотренных типов. Среди них заслуживает внимание многолопастная тихоходная турбина (рис. 3.10.4), которую изобрел в 1854 году американский механик Даниель Хеллади (Daniel Hallady). Такие турбины изготовлялись мощностью от 0,5 kW до 6 kW и использовались в качестве водокачек на американских фермах. Зимой 1887/1888 года американский изобретатель и предприниматель Чарлз Френсис Браш (Charles Francis Brush, 1849–1929) построил основанную на такой турбине первую в мире ветряную электростанцию мощностью 12 kW.

Рис. 3.10.4. Принцип устройства ротора многолопастной ветряной турбины

В Эстонии малые ветряные турбины датского типа вместе с пристроенными генераторами постоянного тока мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт стали применяться в 1920-х годах в качестве местных малых источников электропитания (для освещения, для зарядки аккумуляторов и т. п.). Первая более крупная ветроэлектростанция (с одной турбиной, 150 kW) была построена в 1997 году на полуострове Тахкуна (Tahkuna) острова Хийумаа (Hiiumaa).

Атомная энергетика, радиация. Решение задач по физике