Ветряная турбина Дарье - Darrieus wind turbine

Рис. 1: Ветряная турбина Дарье, которая когда-то использовалась для выработки электроэнергии на Острова Магдалины

В Ветряная турбина Дарье это тип ветряк с вертикальной осью (VAWT) используется для создания электричество из ветряная энергия. В турбина состоит из ряда изогнутых крыло лопасти, установленные на вращающемся валу или раме. Кривизна лопастей позволяет лопасти только в напряжение при высоких скоростях вращения. Есть несколько тесно связанных ветряных турбин, в которых используются прямые лопасти. Эта конструкция турбины была запатентована Жорж Жан Мари Дарье, а Французский авиационный инженер; Подача заявки на патент была подана 1 октября 1926 г. Существуют большие трудности с защитой турбины Дарье от экстремальных ветровых условий и с ее самозапуском.

Метод работы

Рис. 2: Очень большая ветряная турбина Дарье на Полуостров Гаспе, Квебек, Канада
Комбинированный Дарье-Савониус генератор, используемый в Тайвань
Как работает ветряная турбина Дарье

В оригинальных версиях дизайна Дарье крылья расположены так, что они симметричный и иметь ноль угол такелажа, то есть угол, на который крылья установлены относительно конструкции, на которой они установлены. Такое расположение одинаково эффективно независимо от того, в каком направлении дует ветер - в отличие от традиционного типа, который должен быть повернут лицом против ветра.

Когда ротор Дарье вращается, крылья движутся вперед по воздуху по круговой траектории. По отношению к лопасти этот встречный воздушный поток векторно добавляется к ветру, так что результирующий воздушный поток создает переменный небольшой положительный угол атаки к лезвию. Это создает результирующую силу, направленную под наклоном вперед по определенной «линии действия». Эта сила может проецироваться внутрь за ось турбины на определенное расстояние, создавая положительный крутящий момент на валу, тем самым помогая ему вращаться в том направлении, в котором он уже движется. Аэродинамические принципы, которые вращают ротор, эквивалентны принципам в автожирах , и нормальные вертолеты в авторотации.

По мере того как крыло движется вокруг задней части устройства, угол атаки меняется на противоположный знак, но создаваемая сила по-прежнему наклонена в направлении вращения, потому что крылья симметричны и угол такелажа равно нулю. Ротор вращается со скоростью, не связанной со скоростью ветра, и обычно во много раз быстрее. Энергия, возникающая из крутящего момента и скорости, может быть извлечена и преобразована в полезную мощность с помощью электрический генератор.

Авиационные термины поднимать и тащить являются, строго говоря, силами поперек и вдоль приближающегося чистого относительного воздушного потока соответственно, поэтому здесь они не используются. Мы действительно хотим знать касательная сила вращая лезвие, и радиальная сила действует на подшипники.

Когда ротор неподвижен, результирующая сила вращения не возникает, даже если скорость ветра становится достаточно высокой - ротор уже должен вращаться для создания крутящего момента. Таким образом, конструкция обычно не запускается автоматически. В редких случаях роторы Дарье могут запускаться самостоятельно, поэтому требуется какой-то тормоз, чтобы удерживать их при остановке.

Одна проблема с дизайном заключается в том, что угол атаки изменяется по мере вращения турбины, поэтому каждая лопатка создает максимальный крутящий момент в двух точках своего цикла (спереди и сзади турбины). Это приводит к синусоидальному (пульсирующему) циклу мощности, что усложняет конструкцию. В частности, почти все турбины Дарье имеют резонансные режимы где при определенной скорости вращения пульсация происходит с собственной частотой лопастей, которая может привести к их (в конечном итоге) поломке. По этой причине большинство турбин Дарье имеют механические тормоза или другие устройства регулирования скорости, чтобы турбина не вращалась на этих скоростях в течение любого длительного периода времени.

Другая проблема возникает из-за того, что большая часть массы вращающегося механизма находится на периферии, а не на ступице, как в случае с пропеллером. Это приводит к очень высокому центробежный нагрузки на механизм, которые должны быть сильнее и тяжелее, чем иначе, чтобы противостоять им. Один из распространенных способов минимизировать это - изогнуть крылья в форме «взбивания яиц» (это называется «тропоскин «форма, производная от греческого слова« форма скрученной веревки »), поэтому они являются самонесущими и не требуют таких тяжелых опор и креплений (см. рис. 1).

В этой конфигурации конструкция Дарье теоретически дешевле, чем конструкция обычного типа, поскольку большая часть напряжения приходится на лопатки, которые крутят по отношению к генератору, расположенному в нижней части турбины. Единственные силы, которые необходимо уравновесить по вертикали, - это сжимающая нагрузка из-за изгиба лопастей наружу (таким образом, пытаясь «сжать» башню), и сила ветра, пытающаяся перевернуть всю турбину, половина которой передается на дно, а вторая половина легко компенсируется растяжки.

В отличие от этого, традиционная конструкция имеет всю силу ветра, пытающегося толкнуть башню наверху, где находится главный подшипник. Кроме того, нелегко использовать растяжку для компенсации этой нагрузки, потому что пропеллер вращается как над, так и под верхом башни. Таким образом, обычная конструкция требует прочной башни, которая резко увеличивается с размером гребного винта. Современные конструкции могут компенсировать большинство нагрузок на башню с переменной скоростью и переменным шагом.

В общем, несмотря на то, что у конструкции Дарье есть некоторые преимущества, недостатков гораздо больше, особенно с более крупными машинами класса MW. В конструкции Дарье используется гораздо более дорогой материал в лезвиях, в то время как большая часть лезвия находится слишком близко к земле, чтобы давать реальную силу. Традиционные конструкции предполагают, что законцовка крыла находится на расстоянии не менее 40 м от земли в самой нижней точке, чтобы максимизировать выработку энергии и срок службы. Пока нет известного материала (даже углеродное волокно ), которые могут соответствовать требованиям циклической нагрузки.[нужна цитата ]

Giromills

Рис 3: Ветряная турбина типа Giromill
Турбины MUCE установлены на крыше здания Морского совета в Хобарте, Австралия

Дарье 1927 г. патент также охватывала практически любую возможную компоновку с использованием вертикальных профилей. Один из наиболее распространенных типов - это H-ротор,[1][2][3]также называется Giromill или же H-бар конструкция, в которой длинные «взбиватели яиц» обычной конструкции Дарье заменены прямыми вертикальными секциями лопастей, прикрепленными к центральной башне с помощью горизонтальных опор. Этот дизайн используется компанией MUCE из Шанхая.[4][5]

Циклотурбины

Другой вариант Giromill - это Циклотурбина, в котором каждая лопасть установлена ​​так, что может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Это позволяет наклонять лопасти так, чтобы они всегда имели некоторый угол атаки относительно ветра. Основным преимуществом этой конструкции является то, что создаваемый крутящий момент остается почти постоянным при довольно широком угле, поэтому циклотурбина с тремя или четырьмя лопастями имеет довольно постоянный крутящий момент. В этом диапазоне углов крутящий момент близок к максимально возможному, а это означает, что система также генерирует больше мощности. Циклотурбина также имеет преимущество в том, что она может запускаться самостоятельно, наклоняя лопасти, движущиеся по ветру, по направлению ветра, чтобы создать сопротивление и запустить турбину, вращающуюся на низкой скорости. С другой стороны, механизм наклона лопастей сложный и, как правило, тяжелый, и необходимо добавить какой-то датчик направления ветра, чтобы правильно двигать лопасти.

Винтовые лопасти

Винтовая турбина Дарье на Хартнелл Колледж.

Лопасти турбины Дарье могут быть скошены по спирали, например три лопасти и винтовой поворот на 60 градусов. Первоначальным разработчиком винтовой турбины является Ульрих Стампа (патент Германии DE2948060A1, 1979 г.). Аналогичную конструкцию А. Горлов предложил в 1995 г. (Гидротурбины Горлова). Поскольку ветер тянет каждую лопасть как с наветренной, так и с подветренной сторон турбины, эта особенность распределяет крутящий момент равномерно по всему обороту, предотвращая тем самым разрушительные пульсации. Этот дизайн используется Турби, Городская зеленая энергия, Enessere, Аэротектура и Тихая революция марки ветряных турбин.

Турбина с активным подъемом

Рис. 5: Турбина с активным подъемом - осевое и нормальное усилие.
Рис. 6: Турбина с активным подъемом - система кривошипа.

Относительная скорость создает силу на лезвии. Эту силу можно разложить на осевую и нормальную (рис. 5). В случае турбины Дарье осевая сила, связанная с радиусом, создает крутящий момент, а нормальная сила создает на плече напряжение попеременно на каждый пол-оборота, напряжение сжатия и напряжение растяжения. При использовании системы кривошипных стержней (рис. 6) принцип активной подъемной турбины заключается в преобразовании этого альтернативного ограничения в дополнительную рекуперацию энергии.

преобразование механических напряжений в дополнительную рекуперацию энергии

[6][7]

Рекомендации

  1. ^ С. Бруска, Р. Ланцафаме, М. Мессина.«Конструкция ветряной турбины с вертикальной осью: как аспектное отношение влияет на производительность турбины».2014.
  2. ^ Матс Валь.«Проектирование ветряной турбины с Н-ротором для работы на Южнополярной станции Амундсен-Скотт».2007.
  3. ^ Изображение H-ротора (стр. 22)
  4. ^ "Китай ГИЖИМ НОЖТ".
  5. ^ «Преодоление барьеров на пути к производству встроенных возобновляемых источников энергии в Тасмании: обсуждение Приложения 13 - Питер Фишер, директор Тасманийской комиссии по планированию» (PDF). Goanna Energy Consulting Pty Ltd. 10 сентября 2010 г. с. 195. (Vertical Muce) турбины на здании MarineBoard
  6. ^ Лекану, Пьер Нормандайк и Бреард, Жоэль и Муаз, Доминик, Упрощенная теория активной подъемной турбины с регулируемым рабочим объемом, 15 апр 2016
  7. ^ Лекану, Пьер Нормандайк и Бреард, Жоэль и Муаз, Доминик, Принцип работы турбины с активным подъемом и регулируемым рабочим объемом, Июл 2018

внешняя ссылка