Яка висота башти потрібна для вітрогенератора
Для початку, давайте подивимося, як зазвичай рухається повітряний потік залежно від рельєфу. Звичайно, траєкторія руху залежить від багатьох складових, наприклад, від швидкості вітру тощо, але ця схема допоможе уявити загальну картину.
На схемі зліва зображено вдале розташування вітряка, праворуч – не вдале.
На думку експертів, нижня частина лопатей вітрогенератора повинна бути як мінімум на 10 метрів вище за найвищу перешкоду в межах 150 метрів, чи то дерево, будівлю, чи пагорб.
Наприклад, якщо за 90 метрів від вашого передбачуваного місця встановлення ростуть дерева заввишки 10 метрів, то мінімальна висота до нижньої частини ротора повинна становити не менше 20 метрів. Якщо діаметр лопатей вітряка 2 метри, то мінімальна висота вежі становитиме 22 метри (2+22).
Це правило можна застосовувати до більшості місцевостей, але не до всіх. Винятком є випадок, коли ви плануєте встановлення поблизу різкої зміни висоти безперервної перешкоди, як-от скеля або густий ліс поряд з полем. У цьому випадку слід розглядати перешкоди не в 150 метрах, а в межах 1 км.
Ваша вежа повинна бути досить високою, щоб принаймні відповідати правилу10/150. Порушивши це правило, ви ризикуєте розмістити вітряк у турбулентній зоні з низькою швидкістю вітру, що призведе до зниження продуктивності та збільшення зносу вітрогенератора.
Градієнт вітру
Вітрові генератори з горизонтальною віссю обертання встановлюють на високих вежах, тому що вгорі швидкість вітру завжди більша, а турбулентність менша. Це відбувається через зниження тертя між масою повітря, що рухається, і поверхнею землі. Зі збільшенням висоти поверхневі ефектизменшуються, а швидкість вітру зростає. Це збільшення швидкості з висотою називають градієнтом вітру. Рівняння, що найчастіше використовується, що представляє дане відношення:
Формула збільшення швидкості вітру:
V - швидкість вітру, H - висота α - коефіцієнт збільшення швидкості вітру зі збільшенням висоти
Розміщення вітряних генераторів на високих вежах піддає їх вищій швидкості вітру, а також знижує зношування, викликане турбулентністю і пов'язані з цим витрати на обслуговування. Так само, як килим створює більше тертя, ніж полірований паркет, перетнута місцевість викликає більше тертя з повітрям, ніж гладке поле. Гладка, рівна ділянка (відкрите поле, водойми) має низький коефіцієнт градієнта (α = 0,1 - 0,15), у той час як горбистий, лісистий, або з великою кількістю будівель регіон буде мати вищий коефіцієнт (α = 0, 3 – 0,6). Крім того, ваш генератор буде відчувати вищі зсуви вітру, якщо ви не дотримуєтеся правила розміщення 10/150.
Знання коефіцієнта градієнта є ключем до оцінки оптимального розміру башти.
Коефіцієнт градієнта вітру:
0,1 - Ідеально гладка поверхня (спокійна вода) 0,2 - Плоскі пасовища, низькі чагарники 0,3 - Дерева, пагорби, будівлі в районі 0,4 - Неподалік дерев або будівель 0,5 - Поряд з деревами або будинками 0,6 - Оточення високими деревами або будинками
Приклад розрахунку швидкості вітру на заданій висоті
Припустимо, я хочу встановити вітряк на досить рівному лузі, для якого коефіцієнт градієнта становить 0,2. Я виміряв швидкість вітру анемометром – на висоті 10 м вона становила 6 м/с. Як зміниться швидкість на висоті вежі 22 м, на якій планую встановити вітряк?
Є формула:V2/V1= (H2/H1) α
З якої випливає, що:V2 = V1 (H2/H1) α
Наші дані: V1 = 6 м/с H1 = 10 м H2 = 22 м α = 0,2
Підставляємо значення у формулу: V2 = 6 (22/10) 0,2
Найпростіше вирахувати це рівняння пошуковою системою google.ru, для цього достатньо ввести його в рядок пошуку. Ступінь позначається знаком ^, тобто. вводити потрібно у такому вигляді: 6(22/10)^0,2. Відповідь отримаєте миттєво, навіть без натискання кнопки шукати.
У прикладі V2 = 7 м/с. На висоті вежі швидкість вітру буде на цілий метр більша. А якщо ще збільшити висоту башти? Порахуйте!
Як розрахувати міцність башти?
Я намагаюся обчислити тиск сили вітру на лопаті вітряка 6-метрового діаметру, для визначення необхідної міцності вежі. Я знаю, що швидкість вітру 22 м/с чинить тиск 279 кг/м² (для плоскої поверхні), але гадки не маю, як це співвідноситься до лопат. Як вести розрахунок?
Ви можете використовувати ці розрахунки поверхневого тиску для визначення вітрових навантажень на башту, але лопаті вітрогенератора зовсім не є статичною плоскою поверхнею. Лопаті ковзають за вітром, як крила літака, створюючи підйомну силу, яка штовхає назад потік повітря, сповільнюючи його. Уповільнення вітру створює енергію та приводить у дію генератор. Можна розрахувати ідеальний обсяг міцності для досягнення цієї мети, але реальність, ймовірно, все-таки відрізнятиметься, тому бажано включити розумний фактор безпеки.
Коли вітер стає сильнішим, ніж необхідно для повної потужності, включається захист вітряка від перевантаження одним із кількох можливих способів. Наприклад, деякі установки гальмують обертання лопат. Це погіршує їхню здатність захоплювати енергію, але не може сильно зменшити тягу. Іншіповертаються боком до вітру, ухиляючись від напору, але це займає час і різкий порив може створити високе навантаження.
Якщо генератор працює при швидкості 22 м/с, він може виробляти до 50 кВт. Розрахунковий тиск буде близько 132 кг/м², приблизно половина від вказаного вами плюс до 740 кг на площу ротора. Малоймовірно, що вітряк працюватиме за такої швидкості. Швидше за все, спрацює захист і він ухилиться, знизивши приблизно в чотири рази навантаження. Фактична робоча тяга може бути близько 180 кг, але з різних причин її пік буде трохи вищим. Тому, було б доцільно застосовувати коефіцієнт безпеки, десь разів на п'ять більше номінального піку, тобто. ближче до 1000 кг.
Проектування вежі справді є завданням інженерів. Розрахунки ґрунтуються на найвищій швидкості вітру, яку відчуватиме установка. Вони включають елемент тиску на саму вежу, а також спрямованість на турбіну. Критичним навантаженням, як правило, є тиск на вигин у найвищій точці підтримки. Для вантової вежі – це верхній рівень, для автономної – вигин навантаження на рівні землі. Згинальний момент – це сила, помножена на радіус дії, тому високі конструкції мають бути дуже міцними.
Доцільно також враховувати гіроскопічний ефект, що виникає, коли вітряний генератор різко повертається довкола вежі у верхніх турбулентних умовах. У багатьох випадках, конструктор враховуватиме власні частоти вежі по відношенню до швидкості лопатей так, щоб уникнути резонансу.
Додаткова література: "Навантаження на елементи вітроенергетичної установки, на її фундамент та основу", В. В. Єлістратов, І. А. Константинов, А. А. Панфілов, 1999
Відео: найрозташованіший вітропарк.