風力発電所の種類。スキーム、説明

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風力発電所の種類。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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風力タービン (WPP) にはさまざまな種類がありますが、それらはすべて、水平回転軸と垂直回転軸を持つ XNUMX つのタイプに分類できます。前者は構造が複雑ですが、風力エネルギーの利用率が高いため、産業での利用が多くなっています。 XNUMX 番目のものは設計がシンプルですが、生産性が低くなります。市場に出回ることはほとんどなく、通常は個人住宅で使用されます。

水平（翼付き）風力タービン

翼付き風車と水平回転軸を備えた風力タービンが普及しています（図1）。その中で、XNUMX 枚翼と XNUMX 枚翼の風力タービンが最も大きな発展を遂げています。

水平 (羽根; WES - 水平回転軸を備えたブレード機構。回転速度と製造の容易さにより、産業界で羽根型風力タービンが広く使用されています。最大回転速度を確保するには、羽根型風力発電機の羽根は垂直方向、つまり空気の流れに対して直角に配置されます。これを達成するために、特別な装置であるスタビライザーが使用されます。水平型風力発電所は、乗算器なしで発電機に直接接続できます。ホイールタービン発電機は、風力エネルギー利用率がはるかに高くなります。同時に回転速度は翼の枚数に反比例します。つまり、翼が小さいほど回転速度は高くなります。したがって、XNUMX 枚以上の翼を備えた設備は実際には使用されません。

それらの風車のトルクは、空気流がブレードの輪郭の周りを流れるときに形成される揚力によって生成されます。その結果、ブレードによって掃引される領域内の空気流の運動エネルギーが、風車の回転の機械エネルギーに変換されます。

風車の軸に発生する力は、その直径の XNUMX 乗と風速の XNUMX 乗に比例します。 N. E. ジュコフスキーの古典理論によると、理想的な風力タービンの場合、風力エネルギー利用係数は次のようになります。 ξ=0,593。つまり、理想的な風車 (羽根の数が無限にある) は、その断面を通過するエネルギーの 59,3% を取り出すことができます。実際には、最高の高速ホイールでは、風力エネルギー利用率の最大値は 0,45 ～ 0,48 に達し、低速ホイールでは最大 0,36 ～ 0,38 に達します。風力タービンの重要な特性は速度であり、これはブレードの端の速度と風の流れの速度の比です。ブレードの端は通常、風速の数倍の速度で風車の面内を移動します。 5枚刃ホイールの最適な速度値は7〜4、5枚刃ホイールの場合は2,5〜3,5、XNUMX枚刃ホイールの場合はXNUMX〜XNUMXです。

設計上の特徴のうち、風力車の動力は主にその直径、ブレードの形状とプロファイルに影響されます。パワーはブレードの数にはほとんど依存しません。

風車の回転周波数は、風力タービンの速度と速度に比例し、直径に反比例します。風速は高さに依存するため、ホイールの中心の高さもパワーの量に影響します。前述したように、風力タービンの出力は風速の 20 乗に比例します。設計風速以上では、定格出力での風力タービンの動作が保証されます。風速が低い場合、風力タービンの設計能力は公称値の 30 ～ 100% 以下になる可能性があります。このような動作モードでは、低負荷時の効率が低いために発電機で大きなエネルギー損失が発生し、さらに非同期発電機では大きな無効電流が発生するため、これを補償する必要があります。この欠点を解消するために、一部の風力タービンでは定格出力 20 および風力タービンの定格出力の 30 ～ XNUMX% の発電機を使用しています。

弱風時には、まず発電機のスイッチがオフになります。一部の風力タービンでは、小型発電機により、風力エネルギー利用係数が高く、低風速でも低速で設備を運転することができます。尾部（尾部）の、風配機構による小および中出力単位での制御、および現代の大型設備では、上部に設置された風向発信器（風向計）からの制御インパルスを受け取る特殊な配向システムによる風力発電ゴンドラの様子。

風配機構は XNUMX つまたは XNUMX つの小さな風車であり、その回転面は主輪の回転面に対して垂直であり、それまで風力タービンヘッドのプラットフォームを回転させるウォームを駆動する働きをします。ウインドローズが風の方向と平行な面に並ぶまで。水平回転軸を備えた翼付き風車をタワーの前と後ろに配置できます。後者の場合、ブレードはタワーの影を通過する間にさまざまな力の継続的な繰り返し作用を受けるため、同時に騒音レベルが大幅に増加します。風力車の出力を制御し、回転速度を制限するために、ブレードまたはブレードの一部を長手方向軸を中心に回転させる方法や、フラップ、ブレード上のバルブ、その他の方法を含む、多くの方法が使用されています。

風車の水平回転軸を備えた風力タービンの主な利点は、ブレードの周囲の空気の流れの条件が一定であり、風車が回転しても変化せず、風速によってのみ決定されることです。これにより、風力エネルギー利用率もかなり高い値になります。現在、翼型風力発電が最も広く普及しています。

垂直（ローター）風力タービン

別のタイプの風力タービンはサボニウスローターです (図 2)。ローターの周りに空気が流れると、ローターの凸部と凹部の抵抗の違いによりトルクが発生します。ホイールはシンプルですが、風力エネルギー利用率は非常に低く、わずか 0,10 ～ 0,15 です。近年、多くの外国、特にカナダでは、1920年にフランスで提案されたダリウスローターを備えた風力タービンの開発が開始されています。このローターは垂直な回転軸を持ち、0,30～0,35枚の湾曲したブレードで構成されています。ブレードは、揚力の作用下で回転する空間構造を形成します。風の流れによってブレードに発生します。ダリウスローターの風力エネルギー利用係数はXNUMX～XNUMXに達し、最近では直翼のダリウスロータリーエンジンの開発が進められています。

ダリウス風力タービンの主な利点は、風向調整機構が必要ないことです。基部近くの少し高い位置に発電機などの機構が設置されている。これらすべてにより、設計が大幅に簡素化されます。しかし、これらの風力タービンの深刻な有機的欠点は、ローターが XNUMX 回転する間に翼の周囲の流れの状態が大きく変化することです。この変化は動作中に周期的に繰り返されます。これは疲労現象を引き起こし、ローター要素の破壊や重大な事故につながる可能性があり、ローターを設計する際に考慮する必要があります (特に高出力風力タービンの場合)。さらに、開始するには、ねじれを解く必要があります。

垂直（カルーセル、ロータリー）風力発電所は、垂直の回転軸を備えたブレード機構です。風速が低い場合でも動作しますが、効率は低くなります。したがって、それらは非常にまれであり、原則として家庭用システムで使用されます。同時に、水平型とは異なり、位置を変えることなく、あらゆる風向きで動作できます。設置自体が「風がどこから吹いているか」を監視するため、追加の装置は必要ありません。回転風力タービンは低速であるため、特に非同期発電機では、単純な電気回路を使用してエネルギーを収集することができます。同時に、速度が遅いと垂直型風力発電所の使用が制限されます。これは、効率が非常に低い増速ギアボックスの使用を余儀なくされるためです。このような設備を乗算器なしで運用するのは問題があります。

風力タービンの種類
図2。サボニウスローター：a）XNUMXブレード、b）XNUMXブレード

風力エネルギー利用率の依存性 ξ、さまざまなタイプの風力タービンの速度 Z からの値を図 3 に示します。水平回転軸を備えた XNUMX 枚刃ホイールと XNUMX 枚刃ホイールの E 値が最も高くなることがわかります。彼らにとっては高い ξ 風力タービンは広い範囲内で変化する風速で動作する必要があるため、後者は不可欠です。このタイプの設備が近年最も多く普及しているのはそのためです。

風力タービンの種類
図3。風力発電利用率の典型的な依存性 ξ、風車 Z の速度について: 1 - 理想的な翼のある風車。 2、3、4 - 5 枚、6 枚、および多枚羽根のインペラ風力タービン。 7 - ダリウスローター。 XNUMX - サボニウスローター。 XNUMX - デンマーク製工場の XNUMX 枚羽根風車。

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