풍력 터빈의 종류. 가정 및 정원용 수제 풍력 발전기 : 작동 원리, 다이어그램, 종류 및 방법
현재 수평 및 수직 회전축을 모두 갖춘 풍력 터빈 시스템이 많이 있습니다. 사용 목적에 따라 외관과 디자인뿐만 아니라 기술적 능력도 서로 다릅니다. 풍력 에너지 수신기의 설계와 공기 흐름에서의 위치에 따라 여러 풍력 엔진 시스템이 구별됩니다.
우리는 이미 캐러셀 및 드럼형 풍력 터빈에 대해 이야기했습니다. 소위 회전식 풍력 엔진도 알려져 있습니다(그림 23). 블레이드는 회전목마 풍력 터빈처럼 수평면에서 회전하고 수직 샤프트를 구동합니다.
쌀. 23. 회전식 풍력 터빈
베인 풍력 터빈은 현재 널리 보급되어 있으며 가장 오래된 유형은 일반 풍차입니다. 베인 풍력 터빈의 주요 부분은 풍차입니다. 여러 개의 칼날로 구성되어 있으며 바람의 영향을 받아 회전합니다. 풍력 터빈 헤드에 장착된 한 쌍의 베벨 기어(그림 24)를 사용하여 휠의 회전은 수직 샤프트의 더 빠른 이동 또는 드라이브 로드의 왕복 운동으로 변환됩니다.
쌀. 24. 베인 풍력 터빈의 구성
머리와 풍차를 바람으로 바꾸기 위해 풍차에는 캐리어가 있고 현대의 소형 풍력 터빈에는 끝에 수직 꼬리가 있는 꼬리가 있습니다. 대형 베인 풍력 터빈에는 바람에 맞춰 풍차를 자동으로 정렬하기 위한 더 복잡한 메커니즘이 있습니다. 풍차의 회전 속도가 최대값을 초과하지 않도록 속도를 자동으로 제어하는 특수 장치가 있습니다.
일반적으로 지표면에서는 각종 장애물로 인해 공기의 흐름이 고르지 못하고 약해지기 때문에 풍차는 장애물 위의 높은 마스트나 타워에 설치됩니다.
풍차의 설계에 따라 현대식 베인 풍력 터빈은 고속과 저속으로 구분됩니다.
저속 풍력 터빈에서 풍차는 많은 수의 블레이드로 구성됩니다(그림 25). 쉽게 움직입니다. 덕분에 저속 풍력 터빈은 시동 시 큰 초기 힘이 필요한 피스톤 펌프 및 기타 기계 작업에 편리합니다.
쌀. 25. 최대 2.5마력의 출력을 제공하는 최신 다중 블레이드 풍력 터빈 TB-5
저속 풍력 터빈은 평균 풍속이 초당 4.5m를 초과하지 않는 지역에서 주로 사용됩니다. 일반적으로 다판 풍력 터빈의 모든 메커니즘은 고속 풍력 터빈의 메커니즘보다 다소 간단합니다. 그러나 저속 풍력 터빈의 풍차는 다소 부피가 큰 구조입니다. 이러한 바퀴의 크기가 크면 특히 높은 풍속에서 필요한 안정성을 생성하기가 어렵습니다. 따라서 현재 다중 블레이드 풍력 터빈은 풍차 직경이 8m 이하로 제작됩니다. 이러한 풍력 터빈의 출력은 6마력에 이릅니다. 이 힘은 최대 200m 깊이의 우물에서 표면으로 물을 공급하기에 충분합니다.
고속 풍력 터빈은 풍차에 유선형 프로파일을 갖는 4개 이하의 날개를 가지고 있습니다(예를 들어 그림 27 참조).
쌀. 27. 최대 30kW의 출력을 갖춘 풍력 터빈 1-D-18
이를 통해 매우 강한 바람을 잘 견딜 수 있습니다. 강하고 돌풍이 부는 상황에서도 잘 설계된 제어 메커니즘은 고속 풍력 터빈의 풍차를 균일하게 회전시킵니다.
고속 풍력 터빈의 이러한 긍정적인 특징 덕분에 어떤 세기의 다양한 바람에서도 작동할 수 있습니다.
따라서 고속 풍력 터빈은 50m 이상에 도달하고 수백 마력의 출력을 개발하는 매우 큰 풍차 직경으로 제작할 수 있습니다.
풍차의 높고 안정적인 균일성으로 인해 고속 풍력 모터는 다양한 기계 및 발전기를 구동하는 데 사용됩니다. 현대의 고속 풍력 터빈은 범용 기계입니다.
정상속도 개념을 도입하여 서로 다른 시스템의 풍력엔진을 비교하는 것이 편리합니다. 이 속도는 풍속 8m/s에서 회전 블레이드 바깥쪽 끝의 주변 속도와 공기 흐름 속도의 비율에 의해 결정됩니다.
작동 중 회전식 회전식 및 드럼식 풍력 엔진의 블레이드는 공기 흐름을 따라 움직이며 어떤 지점의 속도도 풍속보다 클 수 없습니다. 따라서 이러한 유형의 풍력 터빈의 정상 속도는 항상 1보다 작습니다(분자가 분모보다 작기 때문).
날개 달린 풍력 터빈의 풍차는 바람의 방향을 따라 회전하므로 날개 끝 부분의 이동 속도가 높은 값에 도달합니다. 공기 흐름 속도보다 몇 배 더 높을 수 있습니다. 블레이드 수가 적고 프로필이 좋을수록 윈드 휠이 경험하는 저항이 줄어듭니다. 즉, 회전 속도가 빨라집니다. 현대식 베인 풍력 터빈의 가장 좋은 예는 최대 9단위의 정상 속도를 갖습니다. 대부분의 공장에서 생산되는 풍력 터빈의 속도는 5-7단위입니다. 비교를 위해 우리는 최고의 농민 공장조차도 속도가 2-3 단위에 불과하다는 점에 주목합니다 (이런 의미에서 회전식, 회전식 및 드럼 풍력 엔진보다 더 발전했습니다).
풍차의 블레이드 수가 증가하면 낮은 풍속에서도 멀리 이동할 수 있는 능력이 증가합니다. 따라서 블레이드의 전체 면적이 풍차의 스윕 표면(그림 20 참조)의 60~70%인 다중 블레이드 날개 풍력 엔진은 3~3.5m의 풍속에서 작동하게 됩니다. 초당.
쌀. 20. 갠트리 밀
블레이드 수가 적은 고속 풍력 터빈은 초당 4.5~6미터의 풍속으로 시동됩니다. 따라서 부하 없이 또는 특수 장치를 사용하여 작동해야 합니다.
캐러셀, 회전식 및 드럼식 풍력 터빈의 우수한 시작과 설계의 단순성은 이를 이상적인 풍력 터빈으로 생각하는 많은 발명가와 설계자의 마음을 사로잡습니다. 그러나 실제로 이러한 기계에는 여러 가지 중요한 단점이 있습니다. 이러한 단점으로 인해 피스톤 펌프 및 버밀과 같은 일반적이고 간단한 기계에서도 사용하기가 어렵습니다.
로터형 풍력 에너지 수신기를 갖춘 풍력 터빈은 공기 흐름 에너지를 매우 잘 사용하지 않으며, 풍력 에너지 이용 계수는 베인 풍력 터빈에 비해 2~2.5배 낮습니다. 따라서 블레이드에 의해 휩쓸리는 표면이 동일한 베인 풍력 터빈은 캐러셀, 회전식 및 드럼 풍력 발전소보다 2~2.5배 더 큰 전력을 개발할 수 있습니다.
로터형 풍력 터빈은 현재 최대 0.5마력의 소형 수공예 설비 형태로만 사용됩니다. 예를 들어, 축사, 대장간 및 기타 농업 생산 지역의 다양한 환기 장치를 구동하는 데 사용됩니다.
풍력 터빈의 동력을 결정하는 것은 무엇입니까?
우리는 공기 흐름의 에너지가 일정하지 않다는 것을 알고 있으므로 모든 풍력 터빈은 가변 출력을 갖습니다. 풍력 터빈의 동력은 풍속에 따라 달라집니다. 풍속이 2배 증가하면 풍력발전기 날개의 힘은 8배 증가하고, 공기유속이 3배 증가하면 풍력발전기의 힘은 27배 증가하는 것으로 밝혀졌다.
풍력 터빈의 출력은 풍력 에너지 수신기의 크기에 따라 달라집니다. 이 경우, 이는 윈드휠이나 로터의 블레이드가 스윕하는 면적에 비례합니다. 예를 들어, 베인 풍력 터빈의 경우 블레이드에 의해 스윕되는 표면은 한 번의 완전한 회전에서 블레이드의 끝을 설명하는 원의 영역이 됩니다. 드럼, 캐러셀 및 회전식 풍력 터빈의 경우 블레이드가 스윕하는 표면은 높이가 블레이드의 길이와 같고 너비가 반대편 블레이드의 외부 가장자리 사이의 거리와 동일한 직사각형 영역을 나타냅니다.
그러나 풍차나 로터는 블레이드에 의해 스윕되는 표면을 통과하는 공기 흐름의 에너지 중 일부만 유용한 기계 작업으로 변환합니다. 에너지의 이 부분은 풍력 에너지 이용률에 의해 결정됩니다. 풍력 에너지 활용 계수의 값은 항상 1보다 작습니다. 최고의 현대식 고속 풍력 터빈의 경우 이 계수는 0.42에 이릅니다. 직렬 공장 고속 및 저속 풍력 터빈의 경우 풍력 에너지 활용 계수는 일반적으로 0.30-0.35입니다. 이는 풍력 터빈의 풍차를 통과하는 공기 흐름의 에너지 중 약 1/3만이 유용한 일로 변환된다는 것을 의미합니다. 나머지 2/3의 에너지는 사용되지 않은 채로 남아 있습니다.
소련 과학자 G. X. Sabinin은 계산을 바탕으로 이상적인 풍력 터빈이라도 풍력 에너지 이용 계수가 0.687에 불과하다는 사실을 입증했습니다.
왜 이 계수는 1과 같거나 1에 가까울 수 없나요?
이는 풍력 에너지의 일부가 블레이드의 소용돌이 형성에 소비되고 풍차 뒤의 풍속이 떨어지기 때문에 설명됩니다.
따라서 풍력 터빈의 실제 전력은 풍력 에너지 이용률에 따라 달라집니다. 풍력 터빈의 출력은 그 가치에 비례합니다. 이는 풍력 에너지의 이용률이 증가하면 풍력 터빈의 출력이 증가하고 그 반대의 경우도 마찬가지라는 것을 의미합니다.
단순한 블레이드를 갖춘 드럼, 회전식 및 회전식 풍력 터빈은 풍력 에너지 활용률이 매우 낮습니다. 그 값은 0.06에서 0.18까지 다양합니다. 베인 엔진의 경우 이 계수 범위는 0.30~0.42입니다.
또한 모든 풍력 터빈의 유용한 출력은 변속기 메커니즘의 효율성과 공기 밀도에 비례합니다. 일반적으로 현대 풍력 터빈 메커니즘의 효율은 0.8~0.9입니다.
풍력 터빈의 출력에 대해 말한 바에 따르면, 주어진 바람에 대해 풍력 터빈은 날개에 의해 휩쓸리는 표면을 통해 가장 많은 양의 공기 흐름이 흐르고 블레이드가 흐르는 더 높은 출력을 갖게 됩니다. 바람개비의 프로필은 잘 유선형입니다.
대부분의 풍력 터빈 유형은 오랫동안 알려져 왔기 때문에 발명가의 이름에 대해서는 역사에서 언급되지 않습니다.
풍력 발전기의 유형:
풍력 터빈의 주요 유형이 그림에 나와 있습니다. 그들은 두 그룹으로 나뉩니다:
수평 회전축(베인)을 갖춘 풍력 터빈(2...5);
수직 회전축이 있는 풍력 터빈(회전식: 블레이드(1) 및 직각(6)).
베인 풍력 터빈의 유형은 블레이드 수만 다릅니다.
숭고한
공기 흐름이 날개 블레이드의 회전 평면에 수직일 때 최대 효율이 달성되는 베인 풍력 터빈의 경우 회전축의 자동 회전 장치가 필요합니다.
이를 위해 안정 장치 날개가 사용됩니다.
회전식 풍력 터빈은 위치를 바꾸지 않고도 어떤 풍향에서도 작동할 수 있다는 장점이 있습니다.
베인 풍력 터빈의 풍력 에너지 활용 계수(그림 참조)는 회전식 풍력 터빈보다 훨씬 높습니다.
동시에 캐러셀의 토크는 훨씬 더 높습니다.
이는 상대 풍속이 0인 회전 블레이드 장치의 경우 최대값입니다.
임펠러 풍력 터빈의 확산은 회전 속도의 크기로 설명됩니다.
승산기 없이 전류 발생기에 직접 연결할 수 있습니다.
베인 풍력 터빈의 회전 속도는 날개 수에 반비례하므로 블레이드가 3개 이상인 장치는 실제로 사용되지 않습니다.
회전목마
공기 역학의 차이로 인해 회전식 풍력 터빈은 기존 풍력 터빈에 비해 이점을 갖게 됩니다.
풍속이 증가함에 따라 견인력이 빠르게 증가한 후 회전 속도가 안정화됩니다.
캐러셀 풍력 터빈은 저속이므로 우발적인 돌풍이 발생할 경우 사고 위험 없이 비동기식 발전기와 같은 간단한 전기 회로를 사용할 수 있습니다.
느림은 한 가지 제한 요구 사항, 즉 저속으로 작동하는 다극 발전기의 사용을 제시합니다.
이러한 생성기는 널리 보급되지 않았으며 승수 (승수 [위도 승수 - 곱하기] - 기어 증가)의 사용은 후자의 효율성이 낮기 때문에 효과적이지 않습니다.
캐러셀 디자인의 훨씬 더 중요한 장점은 추가 트릭 없이 "바람이 어디에서 불어오는지"를 모니터링할 수 있는 능력이었습니다. 이는 표면 요 흐름에 매우 중요합니다.
이러한 유형의 풍력 터빈은 미국, 일본, 영국, 독일 및 캐나다에서 건설되고 있습니다.
회전 블레이드 풍력 터빈은 작동이 가장 쉽습니다. 이 설계는 풍력 터빈을 시동할 때 최대 토크를 보장하고 작동 중 최대 회전 속도를 자동으로 자체 조절합니다.
부하가 증가하면 회전 속도는 감소하고 완전히 정지할 때까지 토크는 증가합니다.
직교
전문가들이 믿는 것처럼 직교 풍력 터빈은 대규모 에너지에 유망합니다.
오늘날 직교 구조의 바람 숭배자들은 특정한 어려움에 직면해 있습니다. 그중에서도 특히 출시 문제가 있습니다.
직각 설치는 아음속 항공기와 동일한 날개 프로파일을 사용합니다(그림 6 참조).
비행기는 날개의 양력에 '기대'되기 전에 이륙해야 합니다. 직교 설치의 경우도 마찬가지입니다.
먼저 에너지를 공급해야 합니다. 회전시켜 특정 공기 역학적 매개변수로 가져온 다음에만 자체적으로 엔진 모드에서 발전기 모드로 전환됩니다.
동력인출장치는 약 5m/s의 풍속에서 시작되며 정격 출력은 14~16m/s의 속도에서 달성됩니다.
풍력 터빈의 예비 계산에 따르면 50~20,000kW 범위에서 사용할 수 있습니다.
2000kW의 출력을 사용하는 실제 설치에서 날개가 움직이는 링의 직경은 약 80m입니다.
강력한 풍력 터빈은 크기가 큽니다. 그러나 작은 것으로도 지나갈 수 있습니다. 크기가 아닌 숫자를 취하십시오.
각 발전기에 별도의 변환기를 장착하면 발전기에서 생성된 출력 전력을 합산할 수 있습니다.
이 경우 풍력 터빈의 신뢰성과 생존성이 향상됩니다.
모든 풍력 터빈의 작동 원리는 동일합니다. 바람의 압력에 따라 블레이드가 있는 풍차가 회전하여 변속기 시스템을 통해 전기를 생성하는 발전기 샤프트, 워터 펌프로 토크를 전달합니다. 윈드 휠의 직경이 클수록 더 많은 공기 흐름을 포착하고 장치에서 더 많은 에너지를 생성합니다.
풍력 터빈의 전통적인 레이아웃은 수평 회전축을 사용합니다(그림 3).)은 크기와 전력이 작은 장치에 적합한 솔루션입니다. 블레이드 스팬이 커지자 서로 다른 높이에서 바람이 서로 다른 방향으로 불기 때문에 이 배열은 효과가 없는 것으로 나타났습니다. 이 경우 바람에 따라 장치의 방향을 최적으로 조정할 수 없을 뿐만 아니라 블레이드가 파손될 위험도 있습니다. 또한, 고속으로 움직이는 대형 설비의 블레이드 끝은 소음을 발생시킵니다. 그러나 풍력 에너지 사용의 주요 장애물은 여전히 경제적입니다. 장치의 전력은 여전히 작고 운영 비용의 비중은 상당합니다. 저전력 장치는 약 3배 더 비싼 에너지를 생산할 수 있습니다.
그림 3 - 베인 풍력 터빈
기존 풍력 터빈 시스템 풍차의 디자인과 바람의 흐름에서의 위치에 따라 나누어져 있다 세 수업 동안.
1학년풍차가 수직면에 위치하는 풍력 터빈을 포함합니다. 이 경우 회전 평면은 바람의 방향에 수직이므로 바람개비의 축은 흐름과 평행합니다. 이러한 풍력 터빈을 숭고한.
속도는 풍속 V에 대한 블레이드 끝의 주변 속도(ΩR)의 비율입니다.
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GOST 2656-44에 따르면 베인 풍력 터빈은 풍차 유형과 속도에 따라 세 그룹으로 나뉩니다(그림 4).
Ø 다중 블레이드 풍력 터빈, 저속, 고속 아연£2;
Ø 풍차를 포함한 소형 블레이드, 저속 풍력 엔진, 고속 아연> 2;
Ø 풍력 터빈은 소형 블레이드, 고속, 아연 3.
그림.4 - 베인 풍력 엔진의 풍륜 구성: 1 – 다중 블레이드; 2–4 – 소형 블레이드
주식회사 2학년풍력 터빈 시스템을 포함 윈드 휠의 수직 회전축이 있는 경우 . 건설적인 계획에 따르면 그룹으로 나뉩니다.
- 회전목마, 작동하지 않는 블레이드는 스크린으로 덮이거나 바람에 맞서 가장자리 방향으로 배치됩니다(그림 5, 항목 1).
- 회전식 Savonius 시스템의 풍력 터빈.
에게 3 학년물레 방아 바퀴의 원리로 작동하는 풍력 엔진을 포함하며 드럼 (그림 5, 항목 7 ) . 이러한 풍력 터빈은 수평 회전축을 가지며 바람의 방향에 수직입니다.
그림 5 - 풍력 터빈의 유형: 1 – 회전식; 2-3개의 다엽; 4–5 – 작은 잎; 6 – 직교; 7 - 드럼
회전 목마 및 드럼 풍력 터빈의 주요 단점바람의 흐름에서 바람개비의 작업 표면 배열 원리를 따르십시오.
1. 바퀴의 작동 블레이드는 공기 흐름 방향으로 움직이기 때문에 풍하중은 모든 블레이드에 동시에 작용하지 않고 하나씩 작용합니다. 그 결과, 각 블레이드는 간헐적인 부하를 경험하게 되며, 풍력 에너지 활용률은 매우 낮아 10%를 초과하지 않습니다.
2. 바람의 방향으로 풍차 표면이 움직이면 표면이 바람보다 빠르게 움직일 수 없기 때문에 고속의 발달이 허용되지 않습니다.
3. 공기 흐름의 사용 부분(스윕 표면)의 크기는 휠 자체의 크기에 비해 작으며, 이는 풍력 엔진의 설치된 출력 단위당 무게를 크게 증가시킵니다.
회전목마 풍력 터빈위치를 바꾸지 않고도 어떤 바람 방향에서도 작업할 수 있다는 장점이 있습니다.
Savonius 시스템의 로터 풍력 터빈은 풍력 에너지 활용률이 18%로 가장 높습니다.
베인 풍력 터빈은 회전식 및 드럼식 풍력 터빈의 위 단점이 없습니다. 베인 풍력 터빈의 우수한 공기역학적 품질, 고출력용으로 제조할 수 있는 설계 능력, 전력 단위당 상대적으로 가벼운 무게는 이 등급 풍력 터빈의 주요 장점입니다.
베인 풍력 터빈의 상업적 사용은 1980년에 시작되었습니다. 지난 14년 동안 풍력 터빈의 출력은 1980년대 초반 로터 직경 약 20m의 20~60kW에서 2003년까지 로터 직경 100m 이상의 5,000kW로 100배 증가했습니다(그림 7.6).
베인 풍력 터빈의 유형은 블레이드 수만 다릅니다.
베인 풍력 터빈용, 공기 흐름이 날개 블레이드의 회전 평면에 수직 일 때 가장 큰 효율성이 달성되므로 회전축의 자동 회전 장치가 필요합니다. 이를 위해 안정 장치 날개가 사용됩니다.
베인 풍력 터빈의 풍력 에너지 활용 계수(그림 4)는 회전식 풍력 터빈보다 훨씬 높습니다. 동시에 캐러셀의 토크는 훨씬 더 높습니다. 이는 상대 풍속이 0인 회전 블레이드 장치의 경우 최대값입니다.
임펠러 풍력 터빈의 확산은 회전 속도의 크기로 설명됩니다. 승산기 없이 전류 발생기에 직접 연결할 수 있습니다. 베인 풍력 터빈의 회전 속도는 날개 수에 반비례하므로 블레이드가 3개 이상인 장치는 사실상 사용되지 않습니다.
공기 역학의 차이로 인해 회전식 설치는 기존 풍력 터빈보다 유리합니다(그림 7). 풍속이 증가함에 따라 견인력이 빠르게 증가한 후 회전 속도가 안정화됩니다. 회전식 풍력 터빈은 저속이므로 우발적인 돌풍으로 인한 사고 위험 없이 비동기식 발전기와 같은 간단한 전기 회로를 사용할 수 있습니다. 느림은 한 가지 제한 요구 사항, 즉 저속으로 작동하는 다극 발전기의 사용을 제시합니다. 이러한 발전기는 널리 사용되지 않으며 승수 (승수 [위도 승수] - 기어 증가)의 사용은 후자의 효율성이 낮기 때문에 효과적이지 않습니다.
캐러셀 디자인의 훨씬 더 중요한 장점은 추가 트릭 없이 "바람이 부는 곳"을 모니터링할 수 있는 능력이며, 이는 표면 요 흐름에 매우 중요합니다. 이러한 유형의 풍력 터빈은 미국, 일본, 영국, 독일 및 캐나다에서 건설되고 있습니다.
회전 블레이드 풍력 터빈은 작동하기 가장 쉽습니다. 이 설계는 풍력 터빈을 시동할 때 최대 토크를 보장하고 작동 중 최대 회전 속도를 자동으로 자체 조절합니다. 부하가 증가하면 회전 속도는 감소하고 완전히 멈출 때까지 토크는 증가합니다.
흐름이 블레이드와 상호 작용하면 다음이 발생합니다.
1) 다가오는 흐름의 상대 속도 벡터와 평행한 저항력;
2) 항력에 수직인 양력
3) 블레이드 주위의 흐름의 소용돌이;
4) 흐름의 난류화, 즉 크기와 방향에서 속도의 혼란스러운 교란;
5) 다가오는 흐름을 방해하는 장애물.
다가오는 흐름에 대한 장애물은 기하학적 채우기라는 매개 변수를 특징으로 하며 흐름에 수직인 평면에 대한 블레이드 투영 영역과 블레이드에 의해 스윕되는 영역의 비율과 같습니다.
풍력 발전 시설의 주요 분류 특성은 다음 기준에 따라 결정될 수 있습니다.
1. 바람 휠의 회전 축이 공기 흐름과 평행한 경우 설치는 수평 축이 되고, 바람 휠의 회전 축이 공기 흐름에 수직인 경우 수직 축이 됩니다.
2. 저항력을 회전력으로 이용하는 설비(드래그 기계)는 원칙적으로 풍속보다 낮은 선속으로 회전하며, 양력을 이용하는 설비(엘리베이터 기계)는 선단의 속도를 갖는 것을 원칙으로 한다. 풍속이 훨씬 더 높은 블레이드.
3. 대부분의 설치에서 윈드 휠의 기하학적 채우기는 블레이드 수에 따라 결정됩니다. 풍차를 기하학적으로 많이 채운 풍력 터빈은 상대적으로 약한 바람에서 상당한 전력을 발생시키며, 낮은 휠 속도에서는 최대 전력이 달성됩니다. 충전량이 적은 풍력 터빈은 고속에서 최대 출력을 달성하며 이 모드에 도달하는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 따라서 첫 번째 설치는 예를 들어 물 펌프로 사용되며 낮은 바람에서도 계속 작동하는 반면, 두 번째 설치는 높은 회전 속도가 필요한 전기 발전기로 사용됩니다.
4. 기계 작업을 직접적으로 수행하기 위한 설비를 흔히 풍차 또는 터빈이라고 하며, 전기 생산을 위한 설비, 즉 터빈과 발전기의 조합을 풍력 발전기, 공기 발전기 및 에너지 변환 장치라고 합니다. 설치.
5. 강력한 에너지 시스템에 직접 연결된 공기 발생기의 경우 비동기 효과로 인해 회전 속도가 일정하지만 이러한 설비는 회전 속도가 가변적인 설비보다 풍력 에너지를 덜 효율적으로 사용합니다.
6. 풍차는 발전기에 직접 연결되거나(하드 커플링) 버퍼 역할을 하는 중간 에너지 변환기를 통해 연결될 수 있습니다. 버퍼가 있으면 풍차의 회전 속도 변동으로 인한 결과가 줄어들어 풍력 에너지와 발전기 전력을 보다 효율적으로 사용할 수 있습니다. 또한 휠을 발전기에 연결하기 위한 부분적으로 분리된 방식(소프트 결합 방식)도 있습니다. 따라서, 풍차의 관성과 함께 비강성 연결은 발전기의 출력 매개변수에 대한 풍속 변동의 영향을 감소시킵니다. 이러한 영향은 예를 들어 스프링 장착 힌지를 사용하여 블레이드를 풍차 축에 탄성적으로 연결함으로써 줄일 수도 있습니다.
수평축이 있는 풍차.수평축 프로펠러형 윈드휠을 생각해보자. 이 유형의 바퀴의 주요 회전력은 양력입니다. 바람과 관련하여 작업 위치의 풍차는 지지 타워 앞이나 뒤에 위치할 수 있습니다.
풍력 발전기는 일반적으로 2개의 블레이드와 3개의 블레이드를 사용하며, 후자는 매우 부드러운 승차감을 특징으로 합니다. 발전기와 이를 풍차에 연결하는 기어박스는 일반적으로 회전 헤드의 지지 타워 상단에 위치합니다.
저풍에서 높은 토크를 발휘하는 다중 블레이드 휠은 물을 펌핑하는 용도 및 풍차의 고속 회전이 필요하지 않은 기타 용도로 사용됩니다.
수직축을 갖춘 풍력 발전기(그림 7). 기하학적 구조로 인해 수직 회전축이 있는 풍력 발전기는 모든 풍향에서 작동 위치에 있습니다. 또한 이 방식을 사용하면 샤프트를 늘리는 것만으로 타워 바닥에 발전기가 있는 기어박스를 설치할 수 있습니다.
이러한 설치의 근본적인 단점은 더 자주 발생하는 자체 진동 프로세스와 토크 맥동으로 인해 피로 파괴에 훨씬 더 취약하여 발전기의 출력 매개변수에 원치 않는 맥동이 발생한다는 것입니다. 이 때문에 대부분의 풍력발전기는 수평축 설계를 사용하여 설계되지만, 다양한 형태의 수직축 설치에 대한 연구가 계속되고 있다.
가장 일반적인 수직 축 설치 유형은 다음과 같습니다.
1. 컵 로터(풍속계).이 유형의 풍차는 저항력에 의해 회전합니다. 사발 모양의 블레이드 모양은 풍속에 대한 휠 속도의 거의 선형 의존성을 보장합니다.
2.사보니우스 로터.이 바퀴도 저항에 의해 회전합니다. 블레이드는 직사각형 모양의 얇은 곡선 시트로 만들어집니다. 즉, 간단하고 저렴합니다. 오목하고 구부러진 로터 블레이드에 의해 공기 흐름에 제공되는 다양한 저항으로 인해 토크가 생성됩니다. 기하학적인 충전재가 크기 때문에 이 풍차는 토크가 크며 물을 펌핑하는 데 사용됩니다.
3. 로터다례.토크는 공기역학적 프로파일을 갖는 2개 또는 3개의 얇은 곡선형 베어링 표면에서 발생하는 리프팅 힘에 의해 생성됩니다. 블레이드가 다가오는 공기 흐름을 고속으로 가로지르는 순간에 양력이 최대가 됩니다. Daria 로터는 풍력 발전기에 사용됩니다. 일반적으로 로터는 자체적으로 회전할 수 없으므로 일반적으로 엔진 모드에서 작동하는 발전기를 사용하여 시동합니다.
4.머스그루브 로터.작동 상태에서 이 윈드 휠의 블레이드는 수직으로 위치하지만 꺼지면 수평 축을 중심으로 회전하거나 접을 수 있습니다. Musgrove 로터에는 다양한 버전이 있지만 강풍이 불면 모두 작동이 중단됩니다.
5.에반스 로터.이 로터의 블레이드는 비상 상황 및 제어 중에 수직 축을 중심으로 회전합니다.
그림 7 - 수직축이 있는 풍력 발전기
허브.풍력 터빈의 출력은 공기 흐름의 에너지 사용 효율에 따라 달라집니다. 이를 증가시키는 방법 중 하나는 특수 공기 흐름 집중 장치(증폭기)를 사용하는 것입니다. 이러한 집광기의 다양한 버전이 수평축 풍력 발전기용으로 개발되었습니다. 이는 로터의 스윕 영역보다 큰 영역 및 기타 장치에서 풍차로 공기 흐름을 유도하는 디퓨저 또는 혼란 장치(디플렉터)일 수 있습니다. 집광기는 아직 산업 설비에서 널리 사용되지 않았습니다.
풍력 터빈은 바람의 힘과 힘을 이용하여 전기 에너지를 생산합니다. 현대인의 삶은 그것 없이는 생각할 수 없다.
전기 공급이 불가능한 지역에서도 전기를 공급합니다. 환경 친화적인 빛에너지를 생산하는 풍력발전기는 대체 에너지원 역할을 합니다.그리고 그들은 매년 점점 더 많은 인기를 얻고 있습니다. 제품 범위가 넓을수록 어떤 유형의 풍력 발전기를 선호할지에 대한 질문이 더 많아집니다. 성능이나 금전적인 측면 모두요.
풍력 발전기의 주요 유형
풍력 발전기 모델은 다양한 디자인으로 제공되며 전력도 다릅니다. 메인 로터 축의 회전 형상에 따라 다음과 같이 구분됩니다.
- 수직 유형 - 터빈은 접지면에 대해 수직으로 위치합니다. 가벼운 바람 속에서 작업을 시작합니다.
- 수평형 - 로터 축이 지표면과 평행하게 회전합니다. 풍력 에너지를 교류 및 직류로 변환하는 강력한 힘을 가지고 있습니다.
각 유형에는 개발 및 개선 사항이 있으므로 이러한 유형을 더 자세히 살펴보겠습니다.
수직형 발전기의 종류(캐러셀형)
수직 풍력 변환기는 가정용으로 자주 사용됩니다. 이러한 유형의 풍력 발전기는 유지 관리가 쉽습니다. 주의가 필요한 주요 구성 요소는 설치 하단에 있으며 자유롭게 접근할 수 있습니다.
1. Savounis 로터가 있는 발전기
두 개의 실린더로 구성됩니다. 일정한 축 회전과 바람의 흐름은 서로 의존하지 않습니다. 갑작스러운 돌풍에도 초기 설정된 속도로 회전합니다.
회전 속도에 바람의 영향이 없다는 점은 의심할 여지 없이 좋은 장점입니다. 나쁜 점은 그가 요소의 힘을 최대한 활용하지 않고 1/3까지만 사용한다는 것입니다. 반원통형 블레이드 디자인으로 인해 1/4바퀴만 작동할 수 있습니다.
2. Daria 로터가 있는 발전기
두 개 또는 세 개의 칼날이 있습니다. 설치가 쉽습니다. 디자인은 간단하고 명확합니다. 수동 시작부터 작업을 시작합니다.
단점은 터빈이 그다지 강력하지 않다는 것입니다. 강한 진동으로 인해 큰 소음이 발생합니다. 이는 많은 수의 블레이드에 의해 촉진됩니다.
3. 헬리코이드 로터
풍력 발전기는 꼬인 블레이드 덕분에 고르게 회전합니다. 베어링은 빠르게 마모되지 않아 서비스 수명이 크게 연장됩니다.
장치를 설치하는 데 시간이 걸리고 조립이 어렵습니다. 복잡한 제조 기술로 인해 가격이 높아졌습니다.
4. 다중 블레이드 로터
많은 수의 블레이드를 갖춘 수직축 디자인으로 매우 가벼운 바람에도 민감합니다. 이러한 풍력 발전기의 효율은 매우 높습니다.
이것은 강력한 변환기입니다. 풍력에너지를 최대한 활용합니다. 비싸요. 단점: 배경음이 높다. 많은 양의 전류를 생산할 수 있습니다.
5. 직교 로터
0.7m/초의 풍속으로 에너지를 생성하기 시작합니다. 수직축과 블레이드로 구성됩니다. 소음도 많이 나지 않고, 아름답고 특이한 디자인을 가지고 있습니다. 서비스 수명은 몇 년입니다.
블레이드의 무게가 무거워서 부피가 커져 설치 작업이 복잡해집니다.
수직 풍력 발전기의 긍정적인 측면:
- 바람이 약한 경우에도 발전기 사용이 가능합니다.
- 그들은 바람의 방향에 의존하지 않기 때문에 바람의 흐름에 적응하지 않습니다.
- 짧은 마스트에 설치되어 지상에서 시스템을 정비할 수 있습니다.
- 30dB 이내의 소음.
- 다양하고 유쾌한 모습.
가장 큰 결점은 로터의 낮은 회전 속도로 인해 바람의 힘과 에너지가 충분히 활용되지 않는다는 것입니다.
수평형 풍력 발전기(베인)
수평 설치의 다양한 수정에는 1개에서 3개 이상의 블레이드가 있습니다. 따라서 효율성은 수직 효율성보다 훨씬 높습니다.
풍력 발전기의 단점은 바람의 방향을 향해야 한다는 것입니다. 계속 움직이면 회전 속도가 감소하여 성능이 저하됩니다.
- 단일 블레이드 및 이중 블레이드. 그들은 높은 엔진 속도로 구별됩니다. 장치의 무게와 크기가 작아서 설치가 더 쉽습니다.
- 세 개의 블레이드. 그들은 시장에서 수요가 있습니다. 최대 7mW의 에너지를 생산할 수 있습니다.
- 다중 블레이드 장치에는 최대 50개의 블레이드가 있습니다. 그들은 큰 관성을 가지고 있습니다. 토크의 이점은 워터 펌프 작동에 사용됩니다.
현대 시장에는 기존의 것과는 다른 디자인의 풍력 발전기가 등장하고 있습니다. 예를 들어 하이브리드도 있습니다.
1. 범선처럼 만들어진 풍력 발전기
디스크 모양의 구조는 공기 압력 하에서 피스톤을 움직여 유압 시스템을 활성화합니다. 결과적으로 물리적 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.
장치는 작동 중에 소음을 내지 않습니다. 높은 전력 수준. 쉽게 관리할 수 있습니다.
2. 비행 날개 풍력 발전기
마스트, 발전기, 로터 및 블레이드 없이 사용됩니다. 다양한 바람 세기로 낮은 고도에서 작동하고 높은 마스트를 건설하는 데 노동 집약적이고 비용이 많이 드는 고전적인 구조물과 비교할 때 "날개"에는 그러한 문제가 없습니다.
그것은 550 미터 높이까지 발사됩니다. 전기 에너지 생산량은 연간 1MW입니다. 날개 제조사는 마카니파워(Makani Power)다.
풍력 발전기의 응용
풍력 발전기는 산업 및 일상 생활에서 사용됩니다.
산업용 풍력 터빈은 생산 요구에 사용되거나 전기 공급이 없거나 부족한 작은 마을에 전기를 공급하는 데 사용됩니다. 그들은 열린 사막 지역에 대량으로 설치됩니다.
대부분 단순한 풍차는 여름 별장에서 가정용으로 사용됩니다. 추운 겨울철에는 전기를 절약하기 위해 주거용 건물 영토에 건설됩니다. 간단한 풍력발전기는 바람이 부는 날 수에 따라 에너지를 생산합니다.
풍력 터빈 효율
수직 및 수평 풍력 발전기의 경우 효율성은 거의 동일합니다. 수직의 경우 20~30%, 수평의 경우 25~35%입니다.
효율은 풍력 발전기의 유형과 풍속에 따라 달라집니다.
일부 제조업체는 베어링을 영구 네오디뮴 자석으로 교체하여 수직 풍력 터빈의 효율을 최대 15%까지 높입니다. 그러나 효율성이 3-5%만 약간 증가해도 구조 비용이 크게 증가합니다.
두 유형 모두 서비스 수명 측면에서 다르지 않습니다. 평균적으로 에너지 생산 기간은 15~25년으로 설계되었습니다. 베어링 어셈블리와 블레이드가 가장 빨리 마모됩니다. 서비스 수명은 서비스 품질에 따라 달라집니다.
풍력 발전기 비용
풍력 발전기의 가격은 상당히 높습니다. 이는 값비싼 재료로 만들어진 부피가 큰 구조물입니다. 배터리, 컨트롤러, 인버터 및 마스트가 포함됩니다.
키트는 다음으로 구성될 수 있습니다: 1 - 풍력 발전기 자체, 2 - 마스트, 3 - 기초, 4 - 배터리 세트, 5 - 인버터, 6 - 컨트롤러 및 전선, 커넥터, 랙, 디젤 발전기 및 기타 필요한 소모품 설치를 위해
풍력 발전기의 기술적 특성도 비용에 영향을 미칩니다.
- 가장 간단한 것은 최대 300와트의 저전력 발전기입니다. 10-12m/초의 풍력으로 에너지를 생산합니다. 컨트롤러만 있는 가장 간단한 풍차 세트의 가격은 15,000 루블입니다. 인버터, 배터리 및 마스트를 장착하면 가격은 50,000 루블에 이릅니다.
- 공표 전력이 1kW인 발전기. 바람이 적으면 평균적으로 한 달에 30-100kW의 에너지를 생산합니다. 전기 소비량이 많은 대형 주택의 경우 디젤과 가솔린 장치를 추가로 사용하는 것이 좋습니다. 바람이 없는 날에도 배터리를 충전합니다. 이러한 풍력 발전기의 비용은 150,000 루블입니다. 더 완전한 세트로 최대 300-400,000 루블에 도달합니다.
- 정원이 있는 큰 집의 전기 소비에는 3-5kW 용량의 풍차가 필요합니다. 충분한 수의 배터리, 더욱 강력한 인버터, 컨트롤러, 하이 마스트. 한 세트의 가격은 300,000 루블에서 백만 달러입니다.
집이 바람에 의해 가열된다면 10kW의 전력으로 설치를 선택해야합니다. 그리고 태양광 패널과 같은 추가 소스도 관리하세요. 가스 발생기가 필요할 수도 있습니다. 그것은 모두 바람이 불고 흐린 날에 대비해 얼마나 많은 에너지를 비축해야 하는지에 달려 있습니다.
풍력 발전기 제조업체
친환경적인 전기 생산 방법에 대한 수요가 증가함에 따라 선도적인 풍력 발전기 제조업체의 제안이 시장에 등장하고 있습니다. 항상 최선의 옵션을 선택할 수 있습니다.
- 시장점유율 12.7%의 덴마크 “Vestas”
- 중국 “스노벨” – 9.0%
- 중국 “Goldwind” – 8.7%
- 스페인 “가메사” – 8.0%
- 독일 "Enercon" – 7.8%
- 인도 “수즐론” – 7.6%
- 중국 궈디안 유나이티드 파워(China Guodian United Power) - 7.4%
- 독일 "지멘스" - 6.3%
- 중국 "Ming Yang" − 3.6%
국내 제조업체는 또한 모스크바 지역-Vetro Svet LLC, SKB Iskra LLC, Sapsan-Energia LLC, Agregat-Privod CJSC, 상트 페테르부르크-풍력 에너지 회사 CJSC 등 풍력 발전기 생산을 시작했습니다.
선택 규칙
책임감 있게 접근한다면 풍력 발전기를 선택하는 것은 어려운 문제가 아닙니다. 사전에 더 좋습니다.
- 집에 전력을 공급하는 데 필요한 에너지 양을 계산하십시오.
- 연평균 풍속을 알아보고, 풍차가 비활성화되는 시간과 풍차가 충분한 양을 제공할 수 있는 시간을 고려하세요. 권력은 예비적으로 확보되어야 한다. 날씨가 좋을 때 에너지를 저장할 배터리 수를 계산합니다.
- 거주지의 기후 특성을 고려하십시오. 러시아 중부에서는 겨울 내내 심한 서리가 내립니다. 그곳에 풍력 발전기를 설치하는 것은 정당화되지 않습니다.
- 비와 눈은 에너지 생산을 감소시킵니다. 이것이 단점입니다.
- 블레이드 수에주의하십시오. 수가 적을수록 효율성이 높아집니다.
- 설비 작동 중 소음 강도를 결정합니다.
- 풍력 발전기의 매개 변수를 비교하십시오. 기술 및 비교 특성을 주의 깊게 숙지하십시오.
- 이미 시스템을 사용하고 있는 사람들의 피드백은 풍력 발전기를 선택하는 데 도움이 됩니다.
- 발전기를 선택할 때 제조업체를 검토하십시오.
바람과 태양은 자연스럽고 환경 친화적이며 폐기물이 없는 에너지원입니다. 천연자원의 잠재력이 고갈되는 시대에 풍력 터빈 생산이 속도를 내고 있습니다.
풍력 발전기 선택을 위한 러시아 풍력 지도
풍차는 일반 사람들 사이에서 점점 인기를 얻고 있습니다. 이를 위해 모든 조건이 생성되었습니다. 다양한 풍력 터빈과 주제별 정보를 통해 선택하는 데 도움이 됩니다.
재생 불가능한 천연 자원의 사용을 통한 에너지 생산의 증가는 원자재의 완전한 생산이 가능한 한계점에 의해 제한됩니다. 풍력 발전을 포함한 대체 에너지는 환경에 대한 부하를 줄일 것입니다.
공기를 포함한 모든 질량의 움직임은 에너지를 생성합니다. 풍력 터빈은 공기 흐름의 운동 에너지를 기계 에너지로 변환합니다. 이 장치는 천연 자원 사용의 대안인 풍력 에너지의 기초입니다.
능률
특정 유형 및 설계 장치의 에너지 효율을 평가하고 이를 유사한 엔진의 성능과 비교하는 것은 매우 간단합니다. 풍력에너지 이용률(WEF)을 결정하는 것이 필요합니다. 이는 풍력 터빈 샤프트에서 받은 동력과 풍차 표면에 작용하는 바람 흐름의 동력의 비율로 계산됩니다.
다양한 설비의 풍력 에너지 활용률은 5~40%입니다. 시설의 설계 및 건설 비용, 생성된 전력의 양과 비용을 고려하지 않으면 평가가 불완전합니다. 대체 에너지에서는 풍력 터빈 비용의 회수 기간이 중요한 요소이지만 그에 따른 환경 영향도 고려할 필요가 있습니다.
분류
풍력 터빈은 생성된 에너지를 사용하는 원리에 따라 두 가지 클래스로 구분됩니다.
선의;
주기적.
선형 유형
선형 또는 이동식 풍력 터빈은 공기 흐름 에너지를 기계적 운동 에너지로 변환합니다. 이것은 돛일 수도 있고 날개일 수도 있습니다. 엔지니어링 관점에서 이것은 풍력 터빈이 아니라 추진 장치입니다.
순환형
순환 엔진에서는 하우징 자체가 고정되어 있습니다. 공기 흐름이 회전하여 작동 부분인 주기적 움직임을 만듭니다. 기계적 회전에너지는 보편적인 형태의 에너지인 전기를 생성하는데 가장 적합하다. 순환 풍력 엔진에는 바람 휠이 포함됩니다. 고대 풍차부터 현대 풍력 발전소에 이르기까지 풍차는 설계 솔루션과 공기 흐름의 완전한 사용이 다릅니다. 장치는 로터 회전축의 수평 또는 수직 방향에 따라 고속과 저속으로 구분됩니다.
수평의
수평 회전축을 가진 풍력 터빈을 베인 엔진이라고 합니다.로터 샤프트에는 여러 개의 블레이드(날개)와 플라이휠이 부착되어 있습니다. 샤프트 자체는 수평으로 위치합니다. 장치의 주요 요소: 바람개비, 머리, 꼬리 및 타워. 윈드 휠은 수직 축을 중심으로 회전하는 헤드에 장착되며, 여기에 엔진 샤프트가 장착되고 변속기 메커니즘이 위치합니다. 꼬리는 풍향계 역할을 하며, 풍차로 머리를 바람의 흐름 반대 방향으로 돌립니다.
높은 공기 흐름 속도(15m/s 이상)에서는 고속 수평 풍력 터빈을 사용하는 것이 합리적입니다. 주요 제조업체의 2개 및 3개 블레이드 장치는 30%의 KIEV를 제공합니다. 자체 제작 풍력 터빈의 공기 흐름 이용률은 최대 20%입니다. 장치의 효율성은 신중한 계산과 블레이드 제조 품질에 따라 달라집니다.
베인 풍력 터빈과 풍력 터빈은 높은 샤프트 회전 속도를 제공하므로 동력이 발전기 샤프트에 직접 전달될 수 있습니다. 중요한 단점은 약한 바람에서는 그러한 풍력 터빈이 전혀 작동하지 않는다는 것입니다. 잔잔한 바람에서 강한 바람으로 이동할 때 시작 문제가 있습니다.
저속 수평 엔진에는 블레이드 수가 더 많습니다. 공기 흐름과 상호 작용하는 중요한 영역은 약한 바람에서 더욱 효과적입니다. 그러나 설비에는 상당한 바람이 가해지기 때문에 돌풍으로부터 보호하기 위한 조치를 취해야 합니다. 최고의 KIEV 지표는 15%입니다. 이러한 설치는 산업 규모로 사용되지 않습니다.
수직 회전식 회전식
이러한 장치에서는 공기 흐름을 받기 위해 휠(로터)의 수직 축에 블레이드가 설치됩니다. 하우징과 댐퍼 시스템은 바람의 흐름이 윈드 휠의 절반에 닿도록 하고 결과적으로 힘이 가해지는 순간이 로터의 회전을 보장합니다.
베인 장치에 비해 회전식 풍력 터빈은 더 많은 토크를 생성합니다. 공기 흐름 속도가 증가하면 작동 모드에 더 빨리 도달하고(견인력 측면에서) 회전 속도 측면에서 안정화됩니다. 그러나 그러한 유닛은 느리게 움직입니다. 샤프트 회전을 전기 에너지로 변환하려면 저속에서 작동할 수 있는 특수 발전기(다극)가 필요합니다. 이 유형의 생성기는 그다지 일반적이지 않습니다. 기어박스 시스템의 사용은 낮은 효율성으로 인해 제한됩니다.
회전식 풍력 터빈은 작동하기가 더 쉽습니다. 설계 자체는 로터 속도의 자동 제어를 제공하고 바람의 방향을 모니터링할 수 있습니다.
수직: 직교
대규모 에너지 생산을 위해서는 직교 풍력 터빈과 풍력 터빈이 가장 유망합니다. 풍속 측면에서 이러한 장치의 사용 범위는 5~16m/s입니다. 생성되는 전력이 50,000kW로 증가했습니다. 직교 블레이드의 프로파일은 비행기 날개의 프로파일과 유사합니다. 날개가 작동하기 시작하려면 비행기가 이륙할 때처럼 날개에 공기 흐름을 적용해야 합니다. 풍력 터빈도 먼저 회전시켜 에너지를 소비해야 합니다. 이 조건이 충족되면 설치가 발전기 모드로 전환됩니다.
결론
풍력에너지는 가장 유망한 재생에너지원 중 하나이다. 풍력 터빈과 풍력 터빈의 산업적 사용 경험에 따르면 효율성은 공기 흐름이 좋은 장소에 풍력 발전기를 배치하는 것에 따라 달라집니다. 장치 설계에 현대 재료를 사용하고 전기를 생성 및 저장하는 새로운 방식을 사용하면 풍력 터빈의 신뢰성과 에너지 효율성이 더욱 향상됩니다.
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