Горизонтально- и вертикально-осевые ветрогенераторы: сравнение

Ветровая энергия является возобновляемым и чистым источником электроэнергии, который может снизить выбросы парниковых газов и зависимость от ископаемых видов топлива. Ветрогенераторы — это машины, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Существует два основных типа ветрогенераторов в зависимости от ориентации их оси: горизонтальные и вертикальные.

Что такое горизонтальный осевой ветрогенератор?

Горизонтальный осевой ветрогенератор (HAWT) определяется как ветрогенератор, у которого ось вращения горизонтальна или параллельна земле. HAWT являются наиболее распространенными типами ветрогенераторов, используемых для крупномасштабной генерации электроэнергии. Обычно они имеют три лопасти, напоминающие пропеллеры самолетов, хотя некоторые могут иметь две или одну лопасть.

Основные компоненты HAWT:

• Ротор, состоящий из лопастей и ступицы, которая соединяет их с валом.

• Наклонная часть, в которой находятся генератор, редуктор, тормоз, система поворота и другие механические и электрические компоненты.

• Башня, поддерживающая наклонную часть и ротор, поднимает их над землей, чтобы захватывать больше ветра.

• Фундамент, закрепляющий башню на земле и передающий нагрузку от ветрогенератора.

Принцип работы HAWT основан на подъемной силе, которая толкает объект вверх, когда воздух проходит по его поверхности. Лопасти HAWT имеют форму аэродинамических профилей, которые создают разницу давления между их верхней и нижней поверхностями, когда дует ветер. Эта разница давления заставляет лопасти вращаться вокруг горизонтальной оси, что, в свою очередь, приводит в движение вал и генератор, производящий электроэнергию.

Плоскость ротора HAWT должна быть выровнена с направлением ветра, чтобы максимизировать его эффективность. Поэтому HAWT имеет датчик ветра и систему поворота, которая регулирует ориентацию наклонной части в соответствии с направлением ветра. HAWT также имеет систему шага, которая изменяет угол атаки лопастей, чтобы контролировать их скорость вращения и мощность.

Преимущества HAWT:

• Они имеют более высокую эффективность, чем вертикальные осевые ветрогенераторы (VAWT), потому что они могут захватывать больше энергии ветра с меньшим сопротивлением.

• У них меньше пульсаций крутящего момента и механических напряжений, чем у VAWT, потому что они испытывают меньше изменений в аэродинамических силах при каждом вращении.

• Их можно установить на плавучих платформах или фиксированных фундаментах в море, где скорость ветра выше и более постоянна.

Недостатки HAWT:

• Им требуется высокая башня и большая площадь земли, чтобы избежать турбулентности и помех от близлежащих сооружений или местности.

• Они дороже и сложнее в установке и обслуживании, чем VAWT, потому что у них больше движущихся частей и электрических компонентов.

• Они более подвержены усталости и повреждениям от сильного ветра, штормов, молний, птиц или льда.

Что такое вертикальный осевой ветрогенератор?

Вертикальный осевой ветрогенератор (VAWT) определяется как ветрогенератор, у которого ось вращения вертикальна или перпендикулярна земле. VAWT менее распространены, чем HAWT, но они имеют некоторые преимущества для маломасштабных и городских применений. Обычно они имеют две или три лопасти, которые могут быть прямыми или изогнутыми.

Основные компоненты VAWT:

• Ротор, состоящий из лопастей и вертикального вала, который соединяет их с генератором.

• Генератор, который преобразует механическую энергию ротора в электрическую энергию.

• База, которая поддерживает ротор и генератор и соединяет их с землей.

Принцип работы VAWT основан на сопротивлении, которое противодействует движению объекта, когда воздух проходит по его поверхности. Лопасти VAWT симметричны или асимметричны, что создает различное сопротивление, когда они направлены или противостоят направлению ветра. Это различие в сопротивлении заставляет лопасти вращаться вокруг вертикальной оси, что, в свою очередь, приводит в движение генератор, производящий электроэнергию.

Плоскость ротора VAWT не нуждается в выравнивании с направлением ветра, так как он может захватывать ветер из любого направления. Поэтому VAWT не имеет системы поворота или датчика ветра. Однако VAWT может иметь систему шага, которая изменяет угол атаки лопастей, чтобы контролировать их скорость вращения и мощность.

Преимущества VAWT:

• У них ниже затраты на установку и обслуживание, чем у HAWT, потому что у них меньше движущихся частей и электрических компонентов.

• У них ниже уровень шума, чем у HAWT, потому что они вращаются с меньшей скоростью.

• Их можно установить на крышах или рядом с зданиями, потому что у них ниже высота и меньшая площадь, чем у HAWT.

Недостатки VAWT:

• У них ниже эффективность, чем у HAWT, потому что у них больше сопротивления и меньше подъемной силы.

• У них выше пульсации крутящего момента и механические напряжения, чем у HAWT, потому что у них больше изменений в аэродинамических силах при каждом вращении.

• Их нельзя устанавливать в море, потому что они менее стабильны и долговечны, чем HAWT.

Типы вертикальных осевых ветрогенераторов

Существует два основных типа VAWT в зависимости от конструкции лопастей: Дарьеус и Савониус.

Турбины Дарьеуса

Турбины Дарьеуса — это VAWT, у которых изогнутые лопасти, напоминающие взбивалку для яиц или трохоид. Они были изобретены французским инженером Жоржем Дарьеусом в 1931 году. Турбины Дарьеуса используют как подъемную силу, так и сопротивление для вращения своих лопастей. Они могут достигать высоких скоростей вращения, но требуют внешнего механизма запуска, такого как электродвигатель или другой ветрогенератор, потому что не могут самостоятельно начать работу.

Преимущества турбин Дарьеуса:

• У них выше коэффициент мощности, чем у турбин Савониуса, потому что они используют как подъемную силу, так и сопротивление.

• У них ниже коэффициент заполнения, чем у турбин Савониуса, потому что у них меньше лопастей с большим зазором между ними.

Недостатки турбин Дарьеуса:

Чаевые