現代の風力タービンのシステム。スキーム、説明

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最新の風力タービンのシステム。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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現在、水平回転軸と垂直回転軸の両方を備えた風力タービンシステムが数多くあります。それらは外観や装置だけでなく、使用目的に応じて技術力も異なります。風力エネルギー受信装置の設計と気流内の位置に応じて、風力タービンのいくつかのシステムが区別されます。

カルーセル型とドラム型の風力タービンについてはすでに説明しました。いわゆる回転風力タービンも知られています (図 23)。そのブレードはカルーセル風力タービンのように水平面内で回転し、垂直シャフトを動かします。

現代の風力タービンのシステム
図23。ロータリー風力タービン

ベーン風力タービンは現在広く使用されており、その最も古いタイプは通常の風車です。羽根式風力タービンの主要部分は風車です。複数の羽根で構成されており、風の影響を受けて回転します。風力タービンのヘッドに取り付けられた一対のかさ歯車の助けを借りて (図 24)、ホイールの回転は垂直軸のより速い動き、または駆動ロッドの往復運動に変換されます。

現代の風力タービンのシステム
図24。ベーン風力タービンのスキーム

ヘッドと風車を風に向けるために、風車にはキャリアがあり、現代の小型風力タービンには、端に垂直な羽が付いた尾翼が付いています。大型羽根風力タービンには、風車を風上に自動的に設置するためのさらに複雑な機構が他にもあります。風車の回転速度が制限を超えないようにするために、回転数を自動調整する特別な装置が備えられています。

通常、地表付近ではさまざまな障害物によって空気の流れが不均一で弱くなるため、風力車は障害物の上の高いマストやタワーに設置されます。

風車の配置に応じて、現代の羽根風力タービンは高速風力タービンと低速風力タービンに分けられます。

低速風力タービンでは、風車は多数のブレードで構成されます (図 25)。簡単に動きます。このため、低速風力タービンは、始動時に大きな初期力を必要とするピストンポンプやその他の機械を使用する場合に便利です。

現代の風力タービンのシステム
図25。最大 5 馬力の最新のマルチブレード風力タービン TB-2,5

低速風力タービンは、主に平均風速が毎秒 4,5 メートルを超えない地域で使用されます。多層風力タービンのすべての機構は、原則として、高速風力タービンの機構よりもいくぶん単純です。ただし、低速風力タービンの風車はかなりかさばる構造です。このようなホイールのサイズが大きいと、特に風速が高い場合に、必要な安定性を生み出すのが困難です。したがって、現在、マルチブレード風力タービンは、風車の直径が 8 メートル以下で構築されています。このような風力タービンの出力は6馬力に達します。この電力は、深さ200メートルまでの井戸から地表に水を供給するのに十分です。

高速風力タービンには、風車内に流線形のプロファイルを備えた翼が 27 枚以下しかありません (たとえば、図 XNUMX を参照)。

現代の風力タービンのシステム
図27。最大1キロワットの電力を備えた風力タービン18-D-30

これにより、非常に強い風にも十分耐えることができます。強く突風が吹いている場合でも、適切に設計された制御メカニズムにより、高速風力タービンの風車は均一に回転します。

高速風力タービンのこれらの優れた特徴により、あらゆる強さの変動する風でも動作することができます。

したがって、高速風力タービンは、風車の直径が XNUMX メートル以上に達し、数百馬力の出力を発生する非常に大きな直径で構築できます。

風車の均一性が高く安定しているため、高速風力タービンはさまざまな機械や発電機の駆動に使用されています。最新の高速風力タービンは万能機械です。

通常速度の概念を導入すると、さまざまなシステムの風車を比較するのに便利です。この速度は、風速 8 メートル/秒における回転翼の外端の周速度と空気の流れの速度の比によって決まります。

カルーセル風力タービン、回転風力タービン、およびドラム風力タービンのブレードは、動作中に空気の流れに沿って移動し、その各点の速度が風速を超えることはありません。したがって、これらのタイプの風力タービンの通常速度は常に XNUMX 未満になります (分子が分母より小さいため)。

羽根型風車の風車は風の方向を横切って回転するため、翼端部の移動速度は大きな値に達します。それは空気の流れの数倍の速度になることがあります。ブレードが小さく、形状が優れているほど、風車が受ける抵抗が少なくなります。したがって、回転が速くなります。最新の羽根型風力タービンの最良のサンプルは通常の速度を有し、5 基に達します。工場で製造されたほとんどの風力タービンの速度は 7 ～ 2 基に相当します。比較のために、最高のペザントミルでさえ、速度がわずか3〜XNUMXユニットに等しいことに注意してください（そしてこの意味で、それらは回転式、ロータリー式、ドラム式風力タービンよりも先進的です）。

風車のブレードの数が増えると、低風速での始動能力が向上します。したがって、ブレードの総面積が風車の掃引面（図 60 を参照）の 70 ～ 20 パーセントであるマルチブレードインペラ風力タービンは、風速 3 ～毎秒3,5メートル。

現代の風力タービンのシステム
図20。ガントリーミル

少数のブレードを備えた高速風力タービンは、毎秒 4,5 ～ 6 メートルの風速で動き始めます。したがって、無負荷で、または特別な装置の助けを借りて動作させる必要があります。

カルーセル風力タービン、ロータリー風力タービン、ドラム風力タービンの優れた始動性と設計の簡素さは、これらを理想的な風力タービンであると考える多くの発明家や設計者を魅了しています。しかし実際には、これらのマシンには多くの重大な欠点があります。これらの欠点により、ピストンポンプやバリグラインダーなどの一般的で単純な機械でさえも使用することが困難になります。

回転式風力エネルギー受信機を備えた風力タービンは、空気流のエネルギーの使用効率が非常に低く、風力エネルギー利用係数は羽根型風力タービンの 2 ～ 2,5 分の 2 です。したがって、ブレードによって掃引される面が等しい場合、ベーン風力タービンは、カルーセル風力発電所、ロータリー風力発電所、およびドラム風力発電所よりも 2,5 ～ XNUMX 倍の出力を発生させることができます。

ロータリー型風力タービンは現在、最大 0,5 馬力の小型手工芸品設備の形でのみ使用されています。たとえば、畜舎、鍛冶場、その他農業用の工業施設内のさまざまな換気装置を駆動するために使用されます。

風力タービンの出力を決定するものは何ですか?

空気流のエネルギーは一定ではないため、どの風力タービンも出力が変動することがわかっています。風力タービンの出力は風速に依存します。風速が 8 倍になると、風力タービンの翼にかかる出力は 3 倍に増加し、気流速度が 27 倍に増加すると、風力タービンの出力は XNUMX 倍に増加することが確認されています。

風力タービンの出力は、風力エネルギーの受信装置のサイズにも依存します。この場合、それは風車またはローターのブレードによってカバーされる面積に比例します。たとえば、翼型風力タービンでは、ブレードによって掃引される表面は、完全な XNUMX 回転でブレードの端を表す円の面積になります。ドラム、カルーセル、およびロータリー風力タービンでは、ブレードによって掃引される表面は、高さがブレードの長さに等しく、幅が対向するブレードの外縁間の距離に等しい長方形の領域です。

しかし、どのような風車やローターも、ブレードによって掃引される表面を通過する空気流のエネルギーの一部のみを有用な機械的仕事に変換します。この部分のエネルギーは風力エネルギーの利用率によって決まります。風力エネルギー利用率の値は常に 0,42 未満です。最新の最高の高速風力タービンでは、この係数は 0,30 に達します。連続工場の高速および低速風力タービンの場合、風力エネルギー利用率は通常 0,35 ～ XNUMX です。これは、風力タービンの風車を通過する空気流のエネルギーの約 XNUMX 分の XNUMX だけが有用な仕事に変換されることを意味します。残りの XNUMX 分の XNUMX のエネルギーは未使用のままです。

ソ連の科学者 G. Kh. サビニンは、計算に基づいて、理想的な風車であっても風力エネルギー利用率はわずか 0,687 であることを発見しました。

この係数がXNUMXに等しくない、またはXNUMXに近くないのはなぜですか？

これは、風力エネルギーの一部がブレード付近の渦の形成に費やされ、風車の後ろの風速が低下するという事実によって説明されます。

したがって、風力タービン出力の実際の値は、風力エネルギー利用率に依存します。風力タービンの出力はその価値に比例します。これは、風力エネルギーの使用係数が増加すると、風力タービンの出力が増加し、その逆も同様であることを意味します。

最も単純なブレードを備えたドラム、カルーセル、およびロータリー風力タービンは、風力エネルギー利用率が非常に低くなります。それらの値は 0,06 から 0,18 まで大きく異なります。ベーンエンジンの場合、この係数は 0,30 ～ 0,42 の範囲になります。

さらに、風力タービンの有効出力は、空気密度だけでなく、伝達機構の効率にも比例します。通常、最新の風力タービンのメカニズムの効率は 0,8 ～ 0,9 です。

風力タービンの出力について述べたことから、特定の風が吹くと、その風力タービンの出力はより高くなるということになります。その場合、最大量の空気が翼とブレードによって掃引される表面を通って流れます。風車は流線型のプロファイルを持っています。

著者: Karmisin A.V.

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