Мощность ветряка: как сталь помогает альтернативной энергетике

Преимущества и недостатки ветрогенераторов

Для зарядки тяговых аккумуляторов от береговой электрической сети на яхте устанавливают комбинированный инвертор или  зарядное устройство. В межсезонье с этой задачей справляется небольшая солнечная панель. Ветряную турбину имеет смысл использовать, когда требуется дополнительный мощный источник зарядки, который будет работать на яхте совместно с солнечными батареями или гидрогенератором.

Яхтенные ветрогенераторы – это небольшие устройства относительно малой мощности. Однако вырабатываемой ими энергии достаточно, чтобы в течении суток зарядить 12-вольтовую аккумуляторную батарею емкостью 800 ампер-часов.  Плюс ветрогенератора в том, что он производит электрическую энергию практически постоянно — во время движения и на якорной стоянке, в солнечные и в пасмурные дни. Ветрогенератор не требует технического обслуживания, ремонта и дополнительного оборудования для запуска.

Но существуют и минусы. Яхтенные маршруты, проложенные по ветру отнимают у генератора часть его мощности. А поскольку энергия ветра зависит от третьей степени его скорости, то с уменьшением скорости, мощность ветрогенератора стремительно падает. Например, при реальной скорости ветра 20 узлов, для яхты идущей по ветру со скоростью 8 узлов наблюдаемая скорость ветра составит всего 12 узлов. При ветре 20 узлов большинство моделей малых ветрогенераторов вырабатывают около 200 Вт, а при 12 узлах мощность опускается до 40-50 Вт. Зависимость мощности турбины от скорости ветра необходимо учитывать и при планировании стоянок. Порты и якорные стоянки привлекают владельцев яхт именно потому, что обеспечивают защиту от стихии, значит скорость ветра там ниже, чем прогнозируется на расстоянии от берега.

Все небольшие ветрогенераторы имеют примерно одинаковую максимальная мощность — от 400 до 600 Вт. Однако более важная характеристика – это ток, отдаваемый турбиной при слабом ветре. Ведь именно с ним большинство владельцев яхт хотят иметь дело во время своих путешествий. Поэтому производительность ветрогенератора при относительной скорости ветра 12 или 20 узлов гораздо лучший показателем его зарядной способности

Кроме того, кривые мощности, которые приводят производители ветрогенераторов основаны на результатах испытания плавным, постоянным воздушным потоком в аэродинамической трубе. Реальные результаты могут оказаться гораздо ниже. Поэтому там где требуется гарантированно высокая мощность владельцы предпочитают устанавливать две турбины и подключать их параллельного через один регулятор.

Как установить ветрогенератор на яхте

Чтобы получить от ветрогенератора максимальную выходную мощность, необходимо выполнить два условия. Во-первых, конструкция на которой установлена турбина должна быть как можно более устойчивой, иначе любая качка или крен будут отворачивает ее от ветра. Во-вторых, ветрогенератору нужен свободный, ровный и гладкий воздушный поток

В какой-то степени эти два требования противоречат друг другу. Скорость ветра на мачте может быть на 50 процентов выше, чем на уровне моря, поэтому чем выше вы поднимите ветрогенератор, тем больше энергии вы получите. С другой стороны турбина, ее крепление и кабельная разводка весят 20-30 кг. Такой дополнительный вес на движущейся яхте увеличивает маятниковый эффект, а значит возрастают тангаж и крен и снижается общая устойчивость

Существует множество успешных установок ветрогенераторов на мачтах. Однако для большинства владельцев яхт устанавливать турбину рекомендуется поверх кокпита. Там ее проще монтировать и обслуживать, а если возникнет неисправность, и другие способы торможения выйдут из строя, устройство можно будет отключить вручную.

Падение напряжения в кабеле существенно влияет на общую производительность системы зарядки. При установке турбины внизу кабель от нее до аккумуляторов окажется гораздо короче, а значит его сечение можно выбрать меньше и это не увеличит потери энергии .

Контроллер заряда ветрогенератора

На первый взгляд сохранение полученной электрической энергии в аккумуляторе  — это самая простая часть ветряной энергоустановки. Однако единого способа решения этой задачи среди производителей не существует и каждый из них придерживается собственных подходов.

Английская компания Marlec, использует MPPT регулятор. MPPT контроллеры получили распространение благодаря солнечным источникам энергии, у которых они повысили выходную мощность на целых 30 процентов. Контроллер регулирует напряжение генератора так, чтобы в каждый момент времени мощность установки была максимальной. Для снижения скорости турбины Marlec применяет широтно-импульсную модуляцию. Когда заряд аккумуляторной батареи приближается к 100% и ей требуется меньше энергии ШИМ-регулятор замыкает обмотки все более длинными импульсами, создавая растущий тормозной момент.

Создатель ветрогенератора D400 Петер Андерсен из компании Eclectic Energy придерживается другого подхода. Он считает, что обеспечить структурированный выходной сигнал на основе такого входа как у ветряных турбин нельзя. Более того исследование показывают, что общая производительность системы с MPPT контроллером не возрастает, а иногда наоборот снижается.

Другие производители также считают, что MPPT регулятор не добавляет достоинств небольшой ветряной турбине с правильно спроектированным и оптимизированным для низких скоростей ветра генератором. Преимущества, достигаемые благодаря эффективности генератора, сводятся на нет потерями в электронике MPPT. Однако PWM регулятор  позволяет заряжать аккумулятор до 100 процентов, поскольку обеспечивает аккумулятор именно тем током, который батарея может принять на каждой стадии зарядки.

Некоторые производители вместо MPPT контроллера, устанавливают на выходе генератора DC-DC конвертер. Конвертер повышает выходное напряжение генератора и позволяет заряжать аккумуляторы при слабом ветре (скоростью менее 2 м /с ). Ветрогенераторы с DС-DС преобразователями начинают зарядку аккумуляторов при выходном напряжении от 2 вольт и обеспечивают зарядную мощность  3 — 5 Вт. Такие устройства подходят для заряда аккумуляторов на защищенных от ветра стоянках, однако дополнительное количество энергии, получаемое от них, не велико.

Многие намеренно не используют технологии MPPT или PWM, считая простоту и надежность ключевыми достоинствами своих изделий. Если турбины работают совместно с солнечными батареями, то ветрогенератор реализует этап быстрой зарядки, а до 100% аккумуляторы заряжают солнечные панели . Дополнительная электроника в этом случае лишь увеличивает сложность и повышает стоимость изделий

Дополнительно с внешним, часто используют разгрузочный регулятор. Его добавляют, чтобы контролировать мощность, поступающую от турбины. Когда заряженность аккумулятора возрастает, избыток энергии отводят через резистор, рассеивающий тепло. С таким регулятором турбина всегда работает при полной нагрузке, а ее лопасти вращаются с оптимальной частотой.

Системы имеющие только встроенный «регулятор» турбины, лучше не использовать. Такой регулятор представляет собой электронный тормоз, срабатывающий, когда напряжение аккумулятора поднялось слишком высоко, а турбина продолжает выдавать много энергии. После остановки генератора напряжение аккумулятора падает и регулятор перезапускает генератор вновь. Если аккумуляторов почти заряжен, то происходит многократная остановка и повторный запуск ветрогенератора. Этот метод регулирование далек от того, который нужен аккумуляторной батарее — по мере увеличения заряженности ток должен плавно понижаться.

Лопасти ветрогенератора

Конструкция лопастей турбины – это еще одна область в которой модели разных производителей отличаются друг от друга. Лопасть во время вращения подвергается тем же воздействиям, что и  крыло самолета. Однако в их работе существуют и небольшие отличия. Если у лопастей постоянный шаг, то их оптимальный режим работы достигается при одной заданной скорости вращения. Значит у слишком быстро или слишком медленно вращающейся турбины эффективность снижается

Немецкая компания Superwind выпускает ветрогенераторы с изменяемым шагом, величина которого зависит от скорости вращения. Чем быстрее вращается турбина, тем больше лопасти поворачиваются вокруг своей оси и сильнее замедляют вращение. Компания утверждает, что эта система реагирует очень быстро и может защитить систему в случае отказа электронного торможения.

Лопасти – основная причина шума и вибрации, исходящих от ветрогенератора. Если скорость вращения кончиков слишком высока, то обтекающий их поток воздуха становится нестабильным, возникает турбулентность и лопасти начинают вибрировать. Известен случай, когда лопасти установленного на яхте ветрогенератора издавали такой вой на высоких скоростях вращения, что соседние лодки были вынуждены покинуть якорную стоянку.

Существует специальный коэффициент (TSR), характеризующий во сколько раз кончик лопатки турбины движется быстрее, чем реальная скорость ветра. Например, если турбина имеет TSR равный 16 — при ветре в 20 узлов концы лопасти будут двигаться со скоростью 320 узлов, а при небольшом шторме их скорость приблизится к скорости звука. Для ветрогенератора D400 производитель указывает TSR всего 3,9. Это говорит о том, что турбина спроектирована для гораздо более медленного вращения, чем модели других производителей. D400 не самый легкий ветрогенератор, вес только чистой меди в его обмотках почти 1 кг. Но его преимущество в устойчивости, надежности и относительно низких оборотах вращения

Некоторые производители указывают для своих машин максимальную скорость ветра. Однако к этой характеристике следует относится с недоверием. В ветровом потоке наиболее разрушительным является  уровень турбулентности, а его нельзя не предсказать, ни легко измерить.

Мощность ветрогенератора

Перед установкой любого электрогенерирующего оборудования на яхте, в первую очередь считают потребление энергии. Расход вычисляют как для якорной стоянки, так и для движения под парусом. В результате появляется подобие некоторого энергетического бюджета, в котором перечислены как очевидные крупные потребители, такие как холодильники, дисплеи, водонагреватели и освещение, так и менее мощные устройства — ночные навигационные огни, насосы, газовые сигнализации, мониторы двигателей, развлекательные системы.

Для подруливающего устройства или электрической лебедки предусматривают дополнительный запас мощности. Если на яхте установлен кондиционер, маловероятно, что возобновляемые источники энергии удовлетворят его потребности. В этом случае лучше подумать о дизельном генераторе или топливных элементах.

После того как расход энергии подсчитан, оценивают стиль управления яхтой. Необходимо принять во внимание регулярную среднюю скорость на маршруте и понять двигается ли яхта чаще всего против ветра, или ей всегда сопутствует попутный? Дополнительно учитывают другие генерирующие мощности, установленные на борту — солнечные панели, гидрогенератор и зарядное устройство, работающее от генератора дизельного двигателя.

В Испании придумали «вибратор», преобразующий энергию ветра

В Испании придумали ветряк, не использующий вращающиеся лопасти. По словам создателей, механизм проще, безопасней и дешевле традиционных ветрогенераторов.

Гигантские ветряки, которые давно стали символом альтернативной энергетики и устанавливаются в огромных количествах в разных странах мира, возможно, в будущем, уступят место более компактным, безопасным и эффективным устройствам, предложенным испанскими изобретателями.

Ветряная электроэнергетика – одна из немногих отраслей, которая продолжила уверенный рост даже в кризисный 2020 год. По подсчетам аналитиков компании BloombergNEF, в минувшем году в мире введено в эксплуатацию ветряных установок рекордной мощностью 96,7 гигаВатт – на 59% больше, чем введено в 2019 году.

Большая часть (93%) – установки, введенные на суше, строительство морских ветряков показало падение на 13% по сравнению с 2019 годом. При этом основной прирост приходится на новые генераторы, введенные в США и Китае.

Однако традиционные вращающиеся ветряки размером и высотой в десятки метров – не самый лучший способ превращения энергии ветра в электричество, уверены основатели испанского стартапа Vortex Bladeless, предложившие оригинальную модель генератора.

Дизайн их установки недавно получил поддержку норвежской государственной энергетической компании Equinor, назвавшей проект одним из 10 перспективных стартапов в области энергетики.

Пока экспериментальный образец имеет в высоту всего три метра. Он представляет из себя вытянутый цилиндр на подвижной опоре, который способен колебаться вперед-назад под действием напора ветра. Необычный дизайн устройства уже привлек внимание огромного числа пользователей сайта Reddit, где остряки обратили внимание не его фаллическую форму и прозвали «skybrator».

«Наша технология имеет другие характеристики, которые позволяют использовать места, где традиционные ветряные фермы не годятся», — пояснил Guardian основатель стартапа Давид Янез.

Принцип работы устройства основан на образовании особых вихрей позади твердых тел, обтекаемых потоком воздуха. В основании мачты имеются два кольцевых отталкивающих магнита, которые возвращают ее в исходное положение при наклоне. За счет таких движений, частота которых зависит от силы ветра, и происходит генерация электроэнергии.

Основа мачты – углеволокно, срок службы которого оценивают в 25 лет. Отсутствие вращающихся лопастей делает Vortex тише, компактнее, и дешевле в обслуживании, а также позволяет ему легче адаптироваться к изменению направления ветра.

А отсутствие вращающегося генератора не позволит ему замерзнуть во время зимних штормов, как это происходило со многими ветряками в Техасе в минувшем феврале. Как уверяют создатели, производство энергии на новых ветряках будет на 30% дешевле, чем на традиционных, в основном – за счет низкой стоимости установки и обслуживания.

«В нашей машине нет ни шестерней, ни тормозов, ни подшипников, ни валов, – пояснил Янез. – Ей не требуется смазка, и там нет частей, которые бы изнашивались из-за трения».

Речь может идти об установке новых генераторов вблизи промышленных и жилых районов, где традиционные ветряки обычно не устанавливают из-за их вредного влияния. Генераторы могут устанавливаться вместе с солнечными панелями для отдельных домовладений.

«Они дополняют друг друга, поскольку солнечные панели производят электричество днем, а скорость ветра обычно растет ночью, — говорит предприниматель. – Однако главная выгода технологии – уменьшение экологического воздействия, внешний облик, стоимость работы и обслуживания турбины».

Предложенный генератор не представляет опасности для перелетных птиц и других животных, в том числе в населенных районах. По мнению специалистов, массовый переход на подобные устройства и отказ от традиционных ветряков может сохранить жизни птиц и летучих мышей, ежегодно гибнущих от ударов о лопасти, иногда раскручивающиеся до скоростей в 300 км/ч. Только в США по этой причине, по подсчетам экологов, ежегодно погибает до 500 тыс. птиц.

Для работающих и живущих рядом людей его шум не будет представлять проблем, так как возникает на частотах, не слышимых человеческим ухом.

«Пока турбина небольшая и производит мало энергии. Но мы ищем индустриального партнера для масштабирования наших планов и постройки 140-метровой установки мощностью 1 мегаВатт», — пояснил Янез.

Оценка и характеристика ветровых ресурсов

На карте, показанной выше, обозначены районы по всей стране, которые имеют средний коэффициент ветроэнергетики 35% или больше при высоте ступицы турбины 140 метров (459 футов), что соответствует запланированному усовершенствованию турбин. На дополнительной карте указаны области с такой же потенциальной мощностью при высоте ступицы турбины 110 метров (361 фут), что отражает последние достижения в технологии турбин. В отчете Министерства энергетики «Включение ветроэнергетики в масштабах всей страны» подтверждается, что ключом к раскрытию потенциала ветровой энергии во всех 50 штатах является доступ к более сильным и устойчивым ветрам, которые встречаются на большей высоте над землей.Узнайте больше о НИОКР, чтобы получить доступ к этому ресурсу на нашей веб-странице по производству ветроэнергетики.

Избранные проекты

Проект улучшения прогнозов ветра

В партнерстве с NOAA, Управление ветроэнергетических технологий Министерства энергетики США возглавило Проект улучшения прогнозов ветра (WFIP) с использованием целевых наблюдений за ветром и передовых моделей прогнозов и алгоритмов для управления вкладом энергии ветра в электрические сети. На первом этапе проекта, WFIP 1, изучалось влияние улучшенных начальных условий на передовые модели прогнозирования, что привело к увеличению точности на 8%.Вторая фаза проекта, WFIP 2, была сосредоточена на атмосферных процессах, влияющих на прогнозы ветра в регионах со сложным рельефом, и полевые работы начались в 2015 году.

Оценка морских ресурсов и условия проектирования

Морская энергетическая отрасль требует точной метеорологической и океанографической информации для оценки энергетического потенциала, экономической целесообразности и инженерных требований объектов морской энергетики. Управление ветроэнергетических технологий работает над удовлетворением этих потребностей посредством распространения данных, совершенствования инструментов и наблюдений, а также разработки инструментов нового поколения.Открытое собрание Министерства энергетики по оценке ресурсов и условиям проектирования стало первым шагом в устранении этих информационных пробелов и помогло определить дальнейший путь для будущих приоритетов.

В качестве последующего шага в рамках программы AWS Truepower была профинансирована разработка национального метеорологического ресурса ветроэнергетики и условий проектирования на базе Интернета, доступного для поиска, Центра данных метеорологического океана для морских возобновляемых источников энергии (USMODCORE). Инвентаризация данных включает ресурсы федеральных агентств, правительств штатов, региональных альянсов, исследовательских институтов, коммерческих проектов и международных организаций.

Кроме того, буи для определения характеристик ветровых ресурсов WindSentinel Министерства энергетики будут предоставлять долгосрочные данные о профиле ветра в море, которые поддержат исследования, необходимые для ускорения использования морской энергии ветра в Соединенных Штатах. Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США развернула плавучие лидарные буи у берегов Вирджиния-Бич, штат Вирджиния, и Атлантик-Сити, штат Нью-Джерси, для сбора данных о погоде и волнении, которые будут играть важную роль как в проектировании ветряных электростанций, так и в обеспечении финансирования проекта.Получите доступ к данным в архиве данных и портале «Атмосфера для электронов» (A2e).

Инициатива от атмосферы к электронам

Низкая производительность ветряных электростанций, которая в настоящее время в некоторых случаях достигает 20%, представляет большие возможности для Управления ветроэнергетических технологий по повышению производительности ветряных электростанций и снижению стоимости ветроэнергетики. Инициатива Министерства энергетики США по исследованию атмосферы в электроны (A2e) направлена ​​на повышение производительности и надежности ветряных электростанций за счет беспрецедентного понимания того, как атмосфера Земли взаимодействует с ветряными электростанциями, и разработки инновационных технологий для максимального извлечения энергии из ветра.

Инициатива A2e предусматривает комплексный портфель исследований для координации и оптимизации достижений в четырех основных областях исследований:

1. Производительность предприятия и оценка финансовых рисков
2. Атмосфера
3. Аэродинамика ветровой установки
4. Технология ветряных электростанций нового поколения.

Цель A2e — обеспечить размещение, строительство и эксплуатацию будущих заводов таким образом, чтобы производить наиболее рентабельные электроны — в виде полезной электроэнергии — от ветра, проходящего через установку.Узнайте больше об инициативе A2e.

Федеральное партнерство

Управление ветроэнергетических технологий Министерства энергетики работает с другими правительственными учреждениями, университетами и представителями отрасли для оценки и характеристики ветровых ресурсов США. Затем результаты оценки становятся общедоступными, что позволяет ветроэнергетической отрасли определять области, наиболее подходящие для развития будущих наземных и морских ветряных электростанций.

Характеристика погодозависимых и океанических возобновляемых источников энергии

С 2011 года Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики действует в соответствии с Меморандумом о взаимопонимании (MOU) с Национальным управлением океанических и атмосферных исследований (NOAA) Министерства торговли по вопросам погоды -Зависимая и океаническая характеристика возобновляемых источников энергии для повышения точности, точности и полноты информации о ресурсах для технологий энергии ветра и воды.Сочетая технический опыт Министерства энергетики с передовыми возможностями NOAA в области предсказания, картирования и прогнозирования океанических и атмосферных условий, два агентства работают над безопасным и эффективным использованием погодозависимых и океанических технологий возобновляемой энергии.

Скоординированное развертывание морской ветровой, морской и гидрокинетической энергии на внешнем континентальном шельфе США

В 2010 году Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики подписало меморандум о взаимопонимании с Бюро управления океанической энергией Министерства внутренних дел о скоординированном развертывании Морская ветровая и морская и гидрокинетическая энергия на Ю.С. Внешний континентальный шельф. Меморандум о взаимопонимании учредил рабочие группы из сотрудников агентства для совместной работы над конкретными тематическими областями, необходимыми для развертывания морских энергетических систем. Рабочая группа по оценке ресурсов и проектным условиям координирует исследовательскую деятельность, чтобы лучше понять основные атмосферные и океанические условия, относящиеся к прибрежным возобновляемым источникам энергии.

Участвующие федеральные партнеры: Министерство энергетики США, Министерство торговли США, Министерство внутренних дел США, U.S. Министерство обороны, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, Национальный научный фонд и Администрация президента

Часто задаваемые вопросы по энергии ветра (FAQ)

Энергия ветра

Энергия ветра — одна из самых быстрорастущих технологий возобновляемой энергетики. Во всем мире их использование растет, отчасти потому, что снижаются затраты.Согласно последним данным IRENA, глобальная установленная мощность ветроэнергетики на суше и на море увеличилась почти в 75 раз, с 7,5 гигаватт (ГВт) в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году. В период с 2009 по 2013 год производство ветровой электроэнергии увеличилось вдвое, а в 2016 году на ветровую энергию приходилось 16% электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников. Во многих частях света сильный ветер, но лучшие места для выработки энергии ветра иногда находятся в удаленных местах. Оффшорная ветроэнергетика предлагает огромный потенциал.

Ветряные турбины впервые появились более века назад. После изобретения электрического генератора в 1830-х годах инженеры начали попытки использовать энергию ветра для производства электроэнергии. Производство энергии ветра имело место в Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах в 1887 и 1888 годах, но считается, что современная ветровая энергия была впервые разработана в Дании, где в 1891 году были построены ветряные турбины с горизонтальной осью и началась ветряная турбина высотой 22,8 метра. операция 1897 г.

Ветер используется для производства электроэнергии с использованием кинетической энергии, создаваемой движущимся воздухом.Она преобразуется в электрическую энергию с помощью ветряных турбин или систем преобразования энергии ветра. Ветер сначала поражает лопасти турбины, заставляя их вращаться и вращать присоединенную к ним турбину. Это изменяет кинетическую энергию на энергию вращения, перемещая вал, который подключен к генератору, и тем самым вырабатывает электрическую энергию за счет электромагнетизма.

Количество энергии, которое может быть получено от ветра, зависит от размера турбины и длины ее лопастей.Мощность пропорциональна размерам ротора и кубу скорости ветра. Теоретически, когда скорость ветра удваивается, потенциал энергии ветра увеличивается в восемь раз.

Мощность ветряных турбин со временем увеличивалась. В 1985 году типичные турбины имели номинальную мощность 0,05 мегаватт (МВт) и диаметр ротора 15 метров. Сегодняшние новые ветроэнергетические проекты имеют турбинную мощность около 2 МВт на суше и 3-5 МВт на суше.

Имеющиеся в продаже ветряные турбины достигли мощности 8 МВт с диаметром ротора до 164 метров.Средняя мощность ветряных турбин увеличилась с 1,6 МВт в 2009 году до 2 МВт в 2014 году.

По последним данным IRENA, производство ветровой электроэнергии в 2016 году составило 6% электроэнергии, произведенной с помощью возобновляемых источников энергии. Во многих частях света сильный ветер, но лучшие места для выработки энергии ветра иногда находятся в удаленных местах. Оффшорная ветроэнергетика предлагает огромный потенциал.

Национальные ветряные часы | Выход из промышленной ветряной электростанции

См. Также Wind Watch Wiki: Energy, Capacity factor

Что такое мегаватт или мегаватт-час?

Производители измеряют максимальную или номинальную мощность своих ветряных турбин по выработке электроэнергии в мегаваттах (МВт).Один МВт эквивалентен одному миллиону ватт.

Производство электроэнергии с течением времени измеряется в мегаватт-часах (МВтч) или киловатт-часах (кВтч) энергии. Киловатт — это тысяча ватт. Производство электроэнергии из расчета 1 МВт за 1 час составляет 1 МВтч энергии.

Какова мощность ветряных турбин?

General Electric (GE) выпускает когда-то широко использовавшуюся модель мощностью 1,5 мегаватта. 1,5 МВт — это его номинальная или максимальная мощность, при которой он будет вырабатывать мощность, когда скорость ветра находится в идеальном диапазоне для этой модели, от 27 до 56 миль в час.Турбины сейчас обычно в пределах 2-3 МВт.

От чего зависит, сколько энергии может производить ветровая турбина?

Энергия вырабатывается за счет энергии ветра, поэтому мощность турбины определяется ее способностью улавливать эту энергию и преобразовывать ее во вращающий момент, который может повернуть генератор и подтолкнуть электроны в сеть. Более высокая башня обеспечивает доступ к более устойчивым ветрам, а более крупные лопасти улавливают больше энергии ветра. Для более крупного генератора требуются большие лопасти и / или более сильный ветер.

Сколько энергии вырабатывают ветряные турбины?

Каждая ветряная турбина имеет диапазон скоростей ветра, обычно от 30 до 55 миль в час, при котором она будет работать с номинальной или максимальной мощностью. При более низких скоростях ветра производительность резко падает. Если скорость ветра уменьшается вдвое, выработка электроэнергии снижается в восемь раз. Поэтому в среднем ветряные турбины не вырабатывают почти своей мощности. По оценкам отрасли, годовой объем производства составляет 30-40%, но реальный опыт показывает, что годовой объем производства в размере 15-30% от мощности является более типичным.

При коэффициенте мощности 25% турбина мощностью 2 МВт будет производить

2 МВт × 365 дней × 24 часа × 25% = 4380 МВтч = 4380000 кВтч

в год.

Что такое «коэффициент мощности»?

Коэффициент мощности — это фактическая выработка за период времени как доля от максимальной мощности ветряной турбины или установки. Например, если турбина мощностью 1,5 МВт вырабатывает электроэнергию в течение одного года со средней мощностью 0,5 МВт, ее коэффициент мощности составляет 33% для этого года.

Каков типичный коэффициент мощности промышленных ветряных турбин?

Средний коэффициент использования для 137 U.Отчетность по проектам S. wind Энергетическому информационному агентству в 2003 г. составила 26,9%. В 2012 году он составил 30,4%. По данным EIA, общий коэффициент использования мощности для стран ЕС-27 в 2007 году составлял 13%.

В чем разница между коэффициентом мощности и доступностью?

Ветряная турбина может быть «доступной» 90% или более времени, по крайней мере, в первые годы эксплуатации, но ее мощность зависит только от ветра. Без ветра это как велосипед, на котором никто не ездит: доступен, но не крутится.

«Коэффициент мощности» турбины — это ее фактическая средняя мощность как часть ее полной мощности. Обычно это от 15% до 35%.

Ветровые турбины работают 30% времени или 90%?

Ни то, ни другое. Первая цифра — это теоретический коэффициент мощности, количество энергии, фактически произведенной за год, как часть максимальной мощности турбин. Вторая цифра — это доступность, количество времени, в течение которого турбина не останавливается. Ни одна из цифр не отражает количество времени, в течение которого ветряная турбина фактически вырабатывает электричество.

Сколько времени ветряные турбины вырабатывают энергию?

Ветровые турбины вырабатывают электроэнергию, когда они не отключены для обслуживания, ремонта или поездок, а скорость ветра составляет от 8 до 55 миль в час. Однако ниже скорости ветра около 30 миль в час количество вырабатываемой энергии очень мало. Ветровые турбины производят со средней скоростью около 40% времени или выше. И наоборот, примерно в 60% случаев они производят мало энергии или не производят ее совсем.

Одинаковы ли коэффициент мощности и эффективность?

№Эффективность — это мера того, какая часть кинетической энергии ветра преобразуется в электрическую. В процессе преобразования неизбежно происходит потеря энергии. Даже когда ветряная турбина вырабатывает электроэнергию на максимальной мощности, вырабатываемая электрическая энергия составляет лишь часть энергии ветра. (В лучшем случае это около 50%, что обычно достигается до выработки на полную мощность.) Эффективность — это вопрос инженерии и ограничений физики и обычно не имеет отношения к нормальному обсуждению.

Коэффициент мощности — это мера фактической мощности ветряной турбины, которая изменяется в зависимости от скорости ветра в течение определенного периода времени.

Сколько домов может приводить в действие ветряная турбина?

часто выражают прогнозируемую мощность как «достаточно для питания домов размером x ». По данным Агентства энергетической информации, среднее домашнее хозяйство в США использует 888 кВтч в месяц или 10 656 кВтч в год. Средняя турбина мощностью 1,5 МВт (коэффициент мощности 26,9%) будет производить столько же электроэнергии, сколько используется почти 332 домохозяйствами в течение года.

Однако следует помнить, что ветровая энергия является непостоянной и изменчивой, поэтому ветряная турбина вырабатывает мощность со среднегодовой скоростью или выше ее только в 40% случаев. То есть в большинстве случаев это , а не , обеспечивающее среднюю мощность для среднего количества домов. И времена сильного ветра редко совпадают со временем фактического спроса в сети.

Следует также помнить, что на бытовое использование приходится только треть нашего общего потребления электроэнергии.

Как изменчивость ветра влияет на надежность ветроэнергетики?

Производство ветряной турбины обычно выражается как среднегодовое значение, что скрывает ее весьма изменчивую мощность. Но поскольку производство резко падает при падении скорости ветра (в восемь раз на каждое уменьшение скорости ветра вдвое), большую часть времени ветряная турбина производит значительно ниже своего среднего уровня. Средняя скорость вывода или более наблюдается только около 40% времени.

Как переменная мощность ветра влияет на сеть?

Ветряная турбина вырабатывает энергию в ответ на ветер, который даже на «лучших» участках резко меняется от часа к часу и от минуты к минуте.Однако сетка должна отвечать требованиям пользователей. Поскольку сетевые диспетчеры не могут контролировать производство энергии ветра больше, чем они могут контролировать спрос пользователей, ветровые турбины в сети не способствуют удовлетворению спроса. Подавая мощность в сеть, они просто добавляют еще один источник колебаний, который сеть должна уравновесить.

См. Также периодичность в FAQ по сетке.

Что такое кредит мощности ветроэнергетики?

Ветровая энергия имеет очень низкий «кредит мощности», то есть ее способность заменять другие источники энергии.Например, в Великобритании, которая может похвастаться самой ветреной страной в Европе, Королевская инженерная академия прогнозирует, что 25000 МВт ветровой энергии сократят потребность в традиционной мощности на 4000 МВт, что составляет 16% кредита на мощность. Два исследования, проведенных в Германии, показали, что 48 000 МВт ветровой энергии позволят снизить обычную мощность всего на 2 000 МВт, что составляет 4% от мощности (как описано в «Wind Report 2005», Eon Netz). Аналогичным образом Irish Grid подсчитала, что 3500 МВт ветровой энергии могут заменить 496 МВт обычной энергии, что составляет 14% кредита, и что по мере добавления новых ветряных турбин их кредит мощности приближается к нулю.В марте 2005 года Управление энергетических исследований и разработок штата Нью-Йорк обнаружило, что ветроэнергетика на суше будет иметь 10% -ный кредит мощности, исходя из теоретического коэффициента мощности 30%. (См. Некоторые из этих и других документов здесь, в Национальной службе ветра.)

Сколько резервной мощности требуется для ветровой энергии?

По словам Эона Нетца, одного из четырех управляющих сетью в Германии, с установленной на его территории ветроэнергетической мощностью 7 050 МВт в конце 2004 г., объем необходимого резервного питания составил более 80%, что является максимальной наблюдаемой мощностью. от всех их ветроэнергетических установок вместе.То есть на каждые 10 МВт ветровой энергии, добавленной к системе, в этом случае также должно быть выделено не менее 8 МВт резервной мощности.

Другими словами, ветру требуется 100% резервирование максимальной мощности.

Разве единица электроэнергии, произведенной ветряными турбинами, не уменьшает единицу электроэнергии из другого источника?

Поскольку сеть должна постоянно уравновешивать спрос и предложение, да, она должна сокращать предложение откуда-то еще, когда ветер достаточно усиливается, чтобы начать производство электроэнергии.

Если в системе есть гидроэлектроэнергия, то это наиболее вероятный источник, который будет сокращен, потому что он может быть включен и выключен наиболее легко.Некоторые газовые установки также могут быстро включаться и выключаться (хотя и за счет повышения эффективности, т. Е. Сжигания большего количества топлива). В противном случае мощность установок сжигания топлива снижается или она переключается с генерации на резерв. В любом случае он по-прежнему сжигает топливо.

Могут ли ветряные турбины помочь избежать отключений электроэнергии?

Нет. Сами ветровые турбины для работы нуждаются в электроэнергии. Их тоже вырубает затемнение. Если они обеспечивали электроэнергию в то время, эта потеря усугубляет эффект затемнения.

В чем разница между большими и маленькими турбинами?

Малые турбины предназначены для непосредственного питания дома или другого здания. Их регулируемая мощность уравновешивается аккумуляторной батареей и дополняется сетью или резервным генератором на месте.

Большие турбины предназначены для питания самой сети. Переменная мощность больших ветряных турбин усложняет балансирование спроса и предложения, поскольку в сети нет крупномасштабного хранилища.

Как работает ветряная турбина?

Что такое ветряная турбина?

Ветряная турбина — это самая современная версия ветряной мельницы.Проще говоря, он использует силу ветра для производства электричества. Наиболее заметны большие ветряные турбины, но вы также можете купить небольшую ветряную турбину для индивидуального использования, например, для обеспечения энергией каравана или лодки.

Что такое ветряная электростанция?

Ветряная электростанция — это группа ветряных турбин. Довольно впечатляет мысль о том, что электричество, которое так сильно влияет на нашу жизнь — от зарядки наших телефонов до того, что позволяет нам приготовить чашку кофе и, все чаще, заправлять наши автомобили — могло начаться с простого порыва ветра. .

Как работает ветряная турбина?

Сначала давайте начнем с видимых частей ветряной электростанции, которые мы все привыкли видеть — этих высоких белых или бледно-серых турбин. Каждая из этих турбин состоит из набора лопастей, коробки рядом с ними, называемой гондолой, и вала. Ветер — а это может быть просто легкий ветерок — заставляет лопасти вращаться, создавая кинетическую энергию. Лопасти, вращающиеся таким образом, также заставляют вращаться вал в гондоле, а генератор в гондоле преобразует эту кинетическую энергию в электрическую.

Что будет дальше с электричеством, вырабатываемым ветряной турбиной?

Для подключения к национальной сети электрическая энергия затем пропускается через трансформатор на объекте, который увеличивает напряжение до уровня, используемого в национальной электроэнергетической системе. Именно на этом этапе электричество обычно направляется в передающую сеть National Grid, готовую к передаче, чтобы в конечном итоге ее можно было использовать в домах и на предприятиях. В качестве альтернативы, ветряная электростанция или отдельная ветряная турбина могут вырабатывать электроэнергию, которая используется частным образом отдельным лицом или небольшой группой домов или предприятий.

Ветровые турбины обычно бывают либо белыми, либо очень бледно-серыми — идея состоит в том, чтобы сделать их визуально ненавязчивыми, насколько это возможно. Обсуждается, следует ли их перекрашивать в другие цвета, особенно в зеленый, в некоторых условиях, чтобы помочь им лучше вписаться в окружающую среду.

Насколько сильным должен быть ветер для работы ветряной турбины?

Ветровые турбины могут работать при любых скоростях ветра — от очень слабого до очень сильного.Они генерируют около 80% времени, но не всегда на полную мощность. При очень сильном ветре они отключаются, чтобы предотвратить повреждение.

Где расположены ветряные электростанции?

Ветряные электростанции, как правило, располагаются в самых ветреных местах, чтобы максимально использовать энергию, которую они могут производить — вот почему вы с большей вероятностью увидите их на склонах холмов или на побережье. Ветряные электростанции, расположенные в море, называются оффшорными ветряными электростанциями, а расположенные на суше — наземными ветряными фермами.

Где была первая ветряная турбина и первая ветряная электростанция?

Самая первая ветряная турбина, вырабатывающая электричество, была создана профессором Джеймсом Блайтом в своем доме отдыха в Шотландии в 1887 году.Он был 10 метров в высоту и имел парусину.

Первая в мире ветряная электростанция открылась в Нью-Гэмпшире в США в 1980 году.

Дело в том, что изменение климата представляет собой самую серьезную долгосрочную угрозу для птиц и других диких животных. А возобновляемые источники энергии, ключевым компонентом которых являются ветряные турбины, необходимы для сокращения парниковых газов .

Королевское общество защиты птиц Великобритании ( RSPB ) признает эту более широкую картину, заявляя: «Переход на возобновляемые источники энергии сейчас, а не через 10 или 20 лет, необходим, если мы хотим стабилизировать выбросы парниковых газов в атмосфера на безопасном уровне.

Разработчики ветряных электростанций работают в тесном сотрудничестве с RSPB и местными экологическими группами в рамках процесса консультаций по выбору ветровых электростанций, чтобы продолжить рост наземной и морской ветроэнергетики, одновременно компенсируя любой потенциальный вред птицам из-за потери среды обитания, нарушения и столкновение.

В отчете США делается вывод о том, что влияние энергии ветра на популяции птиц относительно невелико по сравнению с падением жертвой кошек и столкновениями с высотными зданиями.

Сколько энергии в Великобритании вырабатывается ветром?

Узнайте, сколько энергии в Великобритании вырабатывается ветром, с помощью приложения National Grid ESO для Google Play или Apple iOS .

Оптимизация мощности ветровой электростанции за счет управления следом

Значение

Эффект следа в ветряных электростанциях может значительно снизить выработку электроэнергии и повысить ее стоимость. Здесь мы разработали схему управления следом для увеличения выработки энергии ветряными электростанциями.Метод управления в спутном следе был протестирован на группе из шести турбин коммунального масштаба, где он увеличил выработку энергии для скоростей ветра около средней годовой скорости на участке от 7% до 13% и уменьшил изменчивость до 72% для выбранных направлений ветра в ночное время. . Эти улучшения могут способствовать повышению способности ветряных электростанций обеспечивать надежную, недорогую и эффективную базовую энергетическую нагрузку.

Реферат

Мировое производство электроэнергии все больше полагается на ветряные электростанции в качестве источника энергии с низким содержанием углерода.В недавнем специальном отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) прогнозировалось, что производство возобновляемой энергии должно вырасти с 20% мирового энергобаланса в 2018 году до 67% к 2050 году, чтобы глобальные температуры не повысились на 1,5 ° C по сравнению с доиндустриальными уровнями. Это увеличение требует надежного и недорогого производства энергии. Однако ветряные турбины часто размещаются в непосредственной близости от ветряных электростанций из-за ограничений, связанных с землей и линиями электропередачи, что приводит к снижению эффективности ветряной электростанции до 40% для направлений ветра, совпадающих с колоннами турбин.Чтобы увеличить выработку энергии ветряной электростанцией, мы разработали схему управления следом. Такой подход максимизирует мощность ветряной электростанции за счет смещения по рысканью, которое отклоняет следы от расположенных ниже по потоку турбин. Оптимизация проводилась с помощью аналитического градиентного подъема для конкретного участка на основе исторических операционных данных. Протокол был протестирован на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада, что привело к статистически значимому (P <0,05) увеличению мощности на 7–13% для скорости ветра вблизи средней площадки и направлений ветра, которые происходят менее чем в 10% ночной работы. и 28–47% для малых скоростей ветра при тех же направлениях ветра.Управление в спутном следе также снизило изменчивость выработки энергии ветряной электростанцией на 72%. Хотя результирующий прирост годового производства энергии на этой ферме был незначительным, эти статистически значимые результаты управления следом демонстрируют потенциал повышения эффективности и предсказуемости производства энергии за счет сокращения потерь в следе.

Специальный доклад 15 Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК) о глобальном потеплении (1) обнаружил, что нынешние темпы выбросов приведут к повышению температуры с доиндустриального уровня, равного 1.5 ° C к 2040 г. Между тем недавние исследования предсказали, что Парижское соглашение по климату (2) не сможет удержать потепление ниже заявленной цели 2 ° C (3, 4). В Специальном отчете 15 установлено, что производство электроэнергии на основе угля должно снизиться с нынешних 40% мирового производства энергии до 1–7%. В результате возобновляемые источники энергии должны компенсировать этот переход, увеличившись с 20% выработки энергии в 2018 году до 67% к 2050 году (1). Ветровая и солнечная энергия, вероятно, составят основную часть этих добавленных мощностей из-за снижения стоимости электроэнергии (5).Хотя недавние исследования (5) показали, что береговая ветровая энергия является экономически выгодной по сравнению с углем и природным газом с комбинированным циклом, такие оценки относятся к объектам с надежными и надежными ветровыми ресурсами. Чтобы достичь целей Парижского климатического соглашения, ветряные фермы должны значительно увеличиться в количестве и плотности, а также распространиться на участки с менее определенным ветровым ресурсом (6). В результате методы повышения эффективности ветряных электростанций по-прежнему имеют первостепенное значение для сокращения выбросов углерода.

Хотя основной причиной снижения эффективности ветряных электростанций является изменчивость скорости ветра, аэродинамические потери в больших массивах турбин также являются ключевой проблемой при эксплуатации ветряных электростанций (7).Из-за процесса извлечения энергии из пограничного слоя атмосферы ветровые турбины обязательно создают область следа с пониженным импульсом непосредственно ниже по потоку (8). Этот след снизит выработку энергии турбинами, расположенными ниже по потоку в группе. Потери мощности в следе внутри ветряной электростанции зависят от скорости и направления падающего ветра.

Потери в следе возникают, когда скорость ветра ниже номинального значения (9) и турбины, по крайней мере, частично выровнены по углу набегающего ветра.Средняя скорость ветра на большинстве ветряных электростанций значительно ниже расчетного значения (10). Направления ветра в турбулентном пограничном слое атмосферы по своей природе изменчивы и будут меняться в зависимости от времени суток, сезона и других геофизических параметров (11). Компоновки ветряных электростанций предназначены для извлечения максимальной прибыли с учетом исторически наблюдаемых распределений направления и скорости ветра, что обычно приводит к увеличению продольного расстояния между турбинами в наиболее распространенных направлениях ветра. Однако для других направлений ветра ветровые турбины расположены ближе друг к другу (12).В наихудших сценариях размещения ветряных турбин и направлений притока в современных ветряных электростанциях происходит потеря более 40% эффективности, когда ветер смещается в направлении, совмещенном с колоннами турбин (13).

Чтобы свести к минимуму аэродинамические потери между турбинами в условиях преобладающего ветра, было найдено оптимальное продольное расстояние 10–15D, где D — диаметр турбины (14⇓ – 16). Современные турбины увеличиваются в размерах, при этом морские турбины теперь имеют диаметр ротора более 200 м (17).Соответствующее расстояние между турбинами в несколько километров значительно увеличивает стоимость линий электропередачи и землепользования (18). В результате проектировщики ветряных электростанций сталкиваются со сложной многокритериальной задачей оптимизации, которая обычно приводит к рабочему расстоянию между турбинами 6-10D (18). На этом расстоянии в современных ветряных электростанциях сохраняются значительные аэродинамические потери в следе, когда поток направлен вдоль колонн турбин, а скорость ветра ниже номинального значения (13).

В то время как влияние потерь в спутной струе на эффективность ветряной электростанции может быть большим для некоторых направлений притока, совокупное влияние на годовое производство энергии меньшими ветряными электростанциями обычно ниже, поскольку турбины хорошо разнесены в направлениях с высокой скоростью ветра.Тем не менее, влияние потерь в следе может быть значительным, как в морской ветряной электростанции Хорнс Рев, где было обнаружено, что они снижают годовую выработку энергии примерно на 20% (13, 19). С увеличением размера и количества ветряных электростанций (20) потери в следе становятся все более важным фактором эффективности ветряных электростанций (21). В то время как масштабы снижения эффективности, вызванного следом, будут зависеть от конкретной площадки ветряной электростанции, методы, которые могут снизить потери в следе, после разработки, вероятно, будут широко применимы к глобальному парку ветроэнергетики.Таким образом, потенциальные методы смягчения последствий следа были в центре внимания многолетних исследовательских инициатив, проводимых Министерством энергетики США, таких как кампания от атмосферы к электронам (A2e) и объект Scaled Wind Farm Technology (SWiFT) (22). Учитывая широкое потенциальное влияние метода уменьшения потерь в следе, мы разработали схему управления и протестировали ее на шести турбинах коммунального масштаба на ветряной электростанции в Альберте, Канада, для скоростей ветра и направлений, где потери в следе наблюдались исторически.Наш метод увеличил выработку энергии для этих направлений ветра от 7% до 13% для умеренных скоростей ветра вблизи площадки и до 47% для низких скоростей ветра, что представляет собой статистически значимую демонстрацию оптимизации мощности рулевого управления в спутной струе для ветряной электростанции с несколькими турбинами. .

Помимо средней выработки электроэнергии, следы от ветряных турбин способствуют прерывистой работе. Прерывистое производство электроэнергии вызывается как ветровыми колебаниями в турбулентном пограничном слое атмосферы, так и внутренней нелинейностью выработки энергии ветровыми турбинами в зависимости от скорости ветра (23).Кроме того, следы турбин вносят свой вклад в отсутствие точной управляемости производства энергии ветряной электростанцией. Прерывистые возобновляемые источники энергии увеличивают потребность в дорогостоящих системах резервирования энергии, чтобы гарантировать надежность сетевых услуг (24). При низкой скорости ветра ветряные турбины могут колебаться примерно со скоростью включения в результате порывов ветра и динамического меандрирования следа (25). Методы управления, которые уменьшают изменчивость производства энергии ветряными электростанциями, измеряемую здесь как SD временной записи выработки электроэнергии, могут снизить потребность в дополнительных услугах для энергосистемы (26).Наш метод, примененный на ветряной электростанции в Альберте, Канада, снизил SD производства энергии ветряной электростанцией до 72% для рассматриваемых ветровых условий.

Управление рулевым управлением по следу

В последнее время внимание было сосредоточено на уменьшении потерь в следе за счет использования протоколов управления турбиной и оптимизации систем, которые приносят в жертву индивидуальные характеристики турбины для улучшения производительности коллективной ветровой электростанции. В нескольких исследованиях была предпринята попытка оптимизировать выработку электроэнергии ветряной электростанцией за счет работы турбины, расположенной выше по потоку, в неоптимальном состоянии для повышения эффективности турбины ниже по потоку (27, 28), но результаты еще не привели к окончательному решению, которое может можно экстраполировать на произвольные конфигурации ветряных электростанций (29).

Современная работа турбины сводит к минимуму угол несоосности рыскания, который представляет собой угол между осью гондолы турбины и направлением набегающего ветра. В то время как ветряные турбины обычно демонстрируют небольшое отклонение от курса из-за ошибок управления, шума и неопределенности датчиков (30), цель промышленных алгоритмов управления состоит в том, чтобы минимизировать этот поворот. Когда ветровые турбины смещены относительно набегающего ветра, они создают боковое усилие, которое отклоняет область следа (31), как показано на рис.1 А . Несмотря на то, что смещенная турбина вырабатывает неоптимальную мощность, след больше не может напрямую попадать на турбину, расположенную ниже по потоку, в результате рулевого управления в следе. Применение управления в спутной струе для ветряной электростанции с шестью турбинами показано на рис. 1 B и C . Такая стратегия управления оказалась полезной для турбин с подветренной стороны в ряде экспериментов в аэродинамической трубе (32, 33) и вычислительных исследованиях (34–37). Управление по спутной струе также использовалось в полевом эксперименте с двумя турбинами, который продемонстрировал увеличение выработки энергии турбиной по ветру в зависимости от стабильности атмосферы (38).Влияние рулевого управления в спутном следе на сумму выработки энергии турбинами по ветру и по ветру было безрезультатным в отдельном полевом эксперименте с двумя турбинами (39). Здесь мы демонстрируем статистически значимый эффект следящего управления в полевых исследованиях с шестью турбинным агрегатом.

( A ) Ветряная турбина диаметром D наклонена под углом γ относительно набегающего ветра и вид сверху. Набегающий ветер со скоростью u∞ падает слева. Центральная линия стандартного рабочего следа без отклонения от курса будет следовать по пунктирной синей линии.Центральная линия следа по рысканию следует за сплошной красной линией. ( B и C ) Продольное поле скорости модели в спутной струе для управления отслеживанием базовой точки максимальной мощности ( B ) и оптимального управления рысканием ( C ). Скорость набегающего ветра на самой верхней турбине составляет u∞ = 7,5 м⋅с-1, и моделируются шесть турбин. След за шестой турбиной не показан, поскольку модель следа автоматически игнорирует калибровку параметров шестой турбины для повышения эффективности вычислений.

Из-за сложности экспериментов и вычислительных затрат параметрические исследования и оптимизация мощности ветряных электростанций в реальном времени ограничены предыдущими подходами (29). Таким образом, для облегчения управления с обратной связью в реальном времени требуется разработка точной и эффективной с вычислительной точки зрения модели выработки энергии ветряной электростанции в зависимости от срабатывания рулевого управления в следе (40).

Оптимизация мощности для конкретного объекта

Мощность ветровой турбины, P, является функцией компоновки ветряной электростанции и условий притока.Кроме того, выработка энергии ветряной турбиной является функцией угла смещения по рысканью, а также смещения по рысканью турбин, расположенных выше по потоку, которое проявляется в виде отклонений в следе. Мы разработали аналитическую формулировку для прогнозирования выработки энергии ветровыми турбинами в зависимости от атмосферных условий и решений о несоосности ветровых турбин по рысканью. Управление в спутной струе фиксируется с помощью недавно разработанной модели подъемной линии (41). Хотя величина поворота в спутном следе (42), а также скорость и направление ветра (43) являются функциями вертикального размера, измерения, доступные на месте в настоящем исследовании, были ограничены точечными датчиками на высоте ступицы.В то время как включение трехмерности изогнутого следа (42) может улучшить точность модели в определенных атмосферных условиях, 2D-модели достаточно, чтобы уловить основные физические аспекты нынешнего эксперимента ветряной электростанции. Подробная информация об аналитической модели прогнозируемого следа приведена в Приложении SI . Максимизация выработки энергии ветряной электростанцией за счет использования следящего управления позиционируется как оптимизация, максимизация γ → ∑i = 1NtPis при условии γi∈ [γmin, γmax], [1] где γi — угол рыскания для турбины i, Nt — количество турбин, а γmin и γmax являются границами несоосности рыскания для каждой турбины.Уравнение 1 не является выпуклым, но может быть оптимизирован с помощью ряда алгоритмов. Подобные исследования ранее использовали генетические алгоритмы (44) или дискретные градиенты (35). Поскольку мы разработали аналитическую функцию для прогнозирования производства энергии ветряной электростанцией, уравнение. 1 можно эффективно оптимизировать, используя аналитические градиенты в сочетании с общей стратегией подъема градиента, называемой оптимизацией Адама (45).

Калибровка модели следа для конкретной площадки

Модель ( SI, приложение ) откалибрована с использованием исторических полевых данных в масштабе предприятия из пяти 1.Ветряные турбины Vestas V80 мощностью 8 МВт и одна турбина Vestas V80 мощностью 2,0 МВт на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада. Шесть турбин в ветряной электростанции выровнены под углом ∼335 °, где север равен 0 °, а угол продолжается по часовой стрелке до 360 ° на севере. При ветре от 335 ° турбины разнесены на ∼3,5D в преобладающем направлении ветра. Условия ветрового притока задаются установленными на гондоле системой диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), измеряющей скорость ветра и направление гондолы.В настоящем исследовании интенсивность турбулентности не измерялась из-за ограничений оборудования ветряной турбины. Детали измерений ветровой обстановки обсуждаются в Приложении SI . Пять лет усредненных за 1 минуту эксплуатационных данных SCADA, включая мощность, направление гондолы и скорость ветра, были использованы для калибровки константы пропорциональности предполагаемого гауссова следа и коэффициента распространения следа. Последний параметр определяет диаметр следа, который является функцией продольного расстояния после ветряной турбины.Эта модель позволяет каждой турбине иметь независимые значения для двух параметров модели, поскольку эти параметры, как известно, являются функцией условий атмосферного пограничного слоя (46), а также количества турбин против ветра (47). Параметры модели были определены с помощью аналитического градиентного спуска ( SI Приложение ). Результирующая откалиброванная модель с использованием ночных исторических фоновых данных показана на рис. 2 для притока 330 ° ± 5 ° при u∞ = 5-6 м⋅с-1 и u∞ = 7-8 м⋅с-1. Выработка электроэнергии нормирована на мощность самой ветреной турбины.Вторая турбина в среднем вырабатывает около 30% и 40% мощности предшествующей турбины при низкой и умеренной скорости ветра соответственно. Потери в спутной струе больше при более низких скоростях ветра из-за более высокой относительной тяги, которую турбина передает полю скоростей при низких скоростях ветра.

( A и B ) Калибровка модели следа с использованием 5-летних исторических данных о мощности турбины SCADA для притока от 330 ° ± 5 ° для ( A ) u∞ = 5-6 м⋅с −1 и ( B ) u∞ = 7−8 м⋅с − 1.Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение в данных. Турбина 4 — это Vestas V80 мощностью 2,0 МВт, а остальные — Vestas V80 мощностью 1,8 МВт. Нормализация выработки мощности турбиной осуществляется самой противоточной турбиной Р1.

Модель, подходящая для умеренной скорости ветра, имеет среднюю абсолютную ошибку 0,02, в то время как модель для низкой скорости ветра имеет среднюю абсолютную ошибку 0,09 (выраженную как отношение, нормированное на мощность первой турбины). Менее точная подгонка в интервале низкой скорости ветра ожидается из-за присущей ему нелинейности при эффективной скорости включения 5 м⋅с-1 для турбин Vestas V80 на интересующем участке.В частности, выше точки включения турбина вырабатывает мощность и оказывает сопротивление жидкости, создавая зону следа. Ниже точки включения вырабатывается нулевая мощность и нет значимой области следа. Из-за динамического меандрирования следа турбины, расположенные ниже по потоку, будут колебаться между включением и отключением при очень низких скоростях ветра, а статические модели, которые учитывают только усредненное по времени поведение, также не могут уловить эту динамику (48). Это проиллюстрировано на рис. 2 A , где производство нулевой мощности происходит в пределах 1 стандартного отклонения от среднего.Поскольку контроллер рыскания на турбинах Vestas V80 не позволял выполнять динамические маневры рыскания, такие динамические расширения не применялись в рамках моделирования. Калибровки модели спутного следа для других направлений и скоростей притока северо-западного ветра для краткости не показаны.

План полевого эксперимента

В то время как ветряная электростанция в Альберте была спроектирована для высокоскоростного потока с юго-запада, ночные ветра с низкой и средней скоростью с северо-запада происходят летом и осенью. Настоящий эксперимент направлен на оптимизацию углов отклонения от курса для этих скоростей ветра с северо-запада, для которых существуют значительные эффекты следа.

Оптимизация несоосности рыскания была проведена с откалиброванной моделью для притока от 315 ° до 355 °, для которого наблюдаются потери в следе. Эти углы составляют ~ 8% от ночной работы ветряной электростанции, при этом почти все пробы приходятся на летний и осенний сезоны. Роза ветров с историческими данными представлена ​​в приложении SI , рис. S1 A . Оптимизация угла рыскания привела к смещению рыскания на ~ 20 ° по часовой стрелке по отношению к набегающему ветру для каждой из первых пяти турбин в колонне и нулевому смещению для турбины, которая находилась дальше всего по ветру.Из-за аппаратных ограничений систем управления рысканием ветряных турбин, только один набор углов отклонения от рыскания мог быть выбран для диапазона северо-западного притока. Следовательно, смещенные турбины постоянно смещались на 20 ° для всех северо-западных направлений притока, от 315 ° до 355 °. Хотя измерения интенсивности турбулентности не были доступны на площадке ветряной электростанции, ночная работа обычно приводит к довольно низкой интенсивности турбулентности и, следовательно, к большим потерям в следе из-за подавления перемешивания в следах (11).Подробная информация об оптимизации несоосности по рысканью приведена в Приложении SI . Другие углы смещения по рысканью не тестировались из-за экспериментальных ограничений реализации и увеличения количества уникальных дней экспериментов с одним набором смещений. Более длительная продолжительность эксперимента была необходима для достижения статистической достоверности.

Настоящая стратегия оптимизации, основанная на управлении, была протестирована в полномасштабном полевом эксперименте на шести промышленных турбинах с 15 по 25 октября 2018 года.Фотография смещенных по рысканию турбин представлена ​​на рис. 3 A . Эскиз вида сверху оптимальных углов рыскания для эталонного притока с северо-запада можно увидеть на рис. 3 B .

( A ) Фотография шести турбин Vestas V80 на действующей ветряной электростанции в Альберте, Канада. ( B ) Оптимизированный перекос шести турбин, вид сверху. Поток возникает с северо-запада, что представляет интерес для данного эксперимента по оптимизации.Турбины с первой по пятую смещены на 20 ° по часовой стрелке относительно набегающего ветра. Турбина шестерка не смещена. Координаты в метрах. ( C и D ) Мощность как функция количества турбины сравнивается для базовой работы с историческими данными SCADA за 5 лет (синие кружки), экспериментальной кампанией по рысканию (зеленые треугольники) и прогнозами модели (красные ромбы). ) на основе калибровок, представленных на рис. 2. Условия притока показаны для 330 ° ± 5 ° при ( C ) u∞ = 5-6 м⋅с-1 и ( D ) u∞ = 7− 8 м⋅с − 1.Планки погрешностей представляют 1 стандартное отклонение в данных.

Результаты полевых экспериментов

Значительное увеличение мощности по сравнению с базовой линией наблюдалось для скорости ветра от низкой до умеренной с северо-запада. Влияние наведения в следе на среднее и стандартное отклонение выработки энергии для условий северо-западного притока показано в таблице 1. Показаны направления и скорости ветра с более чем 15 усредненными за 1 мин выборками данных.

Шесть эффектов управления следом от ветряных турбин в масштабе коммунальных предприятий на среднее (Δm), стандартное отклонение (Δs) и скорость отклонения выработки электроэнергии по сравнению с базовой работой

Для низких скоростей ветра u∞ = 5-6 м⋅с − 1 и приток 325 ° ± 5 °, общая мощность шести турбин увеличилась со среднего временного значения 390 кВт до 570 кВт, что на 47% больше.Между тем, для притока 330 ° ± 5 ° при u∞ = 5-6 м⋅с-1 увеличение мощности составило 28% (рис. 3 C ). Большое процентное увеличение в этих случаях происходит из-за низкой выработки электроэнергии при низких скоростях ветра и близости скоростей ветра к скорости включения 5 м⋅с-1. Значительное улучшение в этих двух случаях можно объяснить отклонением восходящего следа. Частичное перекрытие в следе происходит, когда часть области ротора ветряной турбины находится в следе за турбиной, находящейся против ветра, в то время как другая часть находится в невозмущенном набегающем потоке.Такой случай имеет место для шести турбин с потоком от 325 ° до 330 °. Во время сценария частичного следа небольшое отклонение от курса для турбины против ветра может привести к тому, что турбина, расположенная ниже по потоку, будет работать исключительно в условиях набегающего потока. Уменьшение частичного пробуждения полезно для выработки электроэнергии и значительно снижает усталость и отказы турбины (49). Модель учитывает влияние несоосности рыскания в сценарии частичного следа, как показано на Рис. 1 B и C , где следы турбин выше по потоку отклоняются от турбин ниже по потоку.Следы воздействуют на турбины, расположенные ниже по потоку, более непосредственно при 330 °, чем при 325 °. В результате для отклонения следа от турбин, расположенных ниже по потоку, требуются большие отклонения следа при 330 °, чем при 325 °. Следовательно, ожидаемое увеличение мощности выше для 325 °, где сценарий частичного следа наиболее заметен.

При более высокой скорости ветра u∞ = 7-8 м⋅с-1 с ​​330 ° ± 5 ° общая мощность увеличилась с 1,86 МВт до 2,11 МВт, что на 13% больше (Рис. 3 D ). Процентное увеличение меньше в случаях с более высокой скоростью ветра в результате уменьшения эффекта следа на этих скоростях.

Поток, непосредственно падающий вдоль оси колонны ветряной электростанции под углом 335 ° ± 5 °, имел место в значительной степени только при скорости ветра между u∞ = 7-8 м⋅с-1. В этих условиях выработка электроэнергии шести турбин увеличилась на 7%. Ветряные электростанции обычно располагаются в местах со средней скоростью ветра около 8 м⋅с-1 (10). Таким образом, для ветряных электростанций с аналогичным шагом в продольном направлении и прямым выравниванием в среднем ожидается увеличение мощности на 7%, наблюдаемое в этих ветровых условиях.

Рулевое управление по кильватерному следу также значительно уменьшило изменчивость суммы выработки энергии шестью турбинами, измеренной здесь как стандартное отклонение во временном ряду данных, усредненных за 1 минуту (таблица 1).Уменьшение SD суммы мощности связано с уменьшением эффекта следа между турбинами. Это проявляется в заметном уменьшении процента времени, в течение которого турбины не производят мощность (сбой) при всех ветровых условиях. Стоит отметить, что все рассматриваемые здесь ветровые условия превышают скорость включения турбин Vestas V80 и, следовательно, без эффектов следа скорость отключения будет 0% для всех случаев ветровых условий. Высокие коэффициенты отключения в случае базового управления являются результатом падения скорости столкновения с данной турбиной ниже скорости включения.В результате рулевого управления в следе процент времени, в течение которого скорость снижается ниже значения включения для турбин по ветру, заметно снизился.

Модель низкого порядка способна предсказать влияние рыскания на тенденции выработки энергии в полевом эксперименте на основе калибровки с использованием только исторических данных (Рис. 3 C и D ). Как и ожидалось, выработка мощности турбинной (т. Е. Самой наветренной турбины) была снижена из-за работы с несоосностью рысканья.Однако выработка энергии турбинами со второй по пятую, и особенно шестой турбиной, находящейся дальше всего по ветру, значительно увеличилась. Имеются расхождения в случае низкой скорости ветра, показанном на рис. 3 C , в результате нелинейности скорости включения и динамического меандрирования следа, не зафиксированных в модели. Тем не менее, качественное согласие с тенденциями прогнозирования модели способствует использованию данной модели для управления в реальном времени произвольными ветряными электростанциями в масштабе коммунальных предприятий.

Самым большим источником ошибок в существующей структуре моделирования является функциональная зависимость мощности от угла несоосности рысканья.В настоящем подходе предполагалось, что производство мощности как функция рыскания соответствует экспериментальному результату в аэродинамической трубе cos2 (γ) (50). Хотя эта модель достаточно хорошо работает в случае низкой скорости ветра, показанном на рис. 3 C , она неточна для случая более высокой скорости ветра, показанного на рис. 3 D . В результате, вероятно, существует функциональная зависимость показателя косинуса от скорости набегающего ветра, а также ранее сообщавшаяся зависимость от типа турбины (44) и сдвига и поворота в пограничном слое атмосферы.

Результаты увеличения мощности статистически значимы (P <0,05) по двухвыборочному критерию Колмогорова – Смирнова. Подробности статистических экспериментов приведены в документе Materials and Methods . Однако статистический тест не исследует доминирующие причины неопределенности, которыми являются условия притока атмосферного пограничного слоя, включая скорость и направление ветра, а также ограниченное количество уникальных дней экспериментальной кампании по рысканью. Полный набор данных доступен по адресу https: // purl.stanford.edu/rn821pp7681.

Обсуждение

Мы демонстрируем статистически значимый полевой эксперимент по управлению в следе, увеличивающий выработку энергии многотурбинной ветровой электростанцией для ветровых условий, которые демонстрируют потери в следе. В то время как влияние управления в спутном следе на годовое производство энергии зависит от конкретной площадки (например, ниже 0,3% на этой ветряной электростанции), этот эксперимент служит доказательством концепции потенциала управления в спутном следе для значительного снижения потерь в спутном следе, которые сокращают годовое производство энергии. ветропарков (13).Управление рулевым управлением в спутной струе также уменьшило прерывистость выработки мощности. Поскольку вспомогательные услуги по регулированию частоты требуются в масштабе времени в минутах (26), SD в отношении временных рядов производства электроэнергии с усреднением за 1 минуту имеют отношение к планированию энергосистемы. Это демонстрирует, что управление в спутном следе может снизить непостоянство ветровой энергии и, таким образом, повысить надежность этого компонента энергосистемы. Прогресс в нашем понимании физики ветряных электростанций в сочетании с улучшениями в моделировании, проектировании и оптимизации управления еще больше повысит ценность этой технологии возобновляемых источников энергии и ее способность обеспечивать недорогую и надежную энергию для устойчивой сети.

Для достижения такого потенциального увеличения мощности глобального парка ветряных электростанций требуется эффективная вычислительная модель. Данная формулировка аналитической модели была выбрана из-за ее вычислительной эффективности, которая облегчает ее использование для управления ветряными электростанциями в масштабе коммунальных предприятий в реальном времени. Вычислительная стоимость предыдущих методов масштабируется как O (NxNy), где Nx и Ny — количество точек сетки, используемых в расчетной области, тогда как стоимость настоящего метода масштабируется как O (Nt), где Nt — количество турбин. .Обычно для каждой турбины ветряной электростанции (34) используется O (10) точек сетки, что приводит к приблизительному масштабированию O (100Nt2). Следовательно, настоящий метод имеет вычислительное сокращение, по крайней мере, на два порядка. Это масштабирование обеспечивает калибровку модели в реальном времени и управление ветровой фермой с помощью только стандартного персонального компьютера. Учитывая, что все ветряные турбины коммунального масштаба построены с контроллерами рыскания, настоящая схема управления может быть напрямую реализована в любой действующей ветряной электростанции, таким образом, немедленно увеличивая выработку энергии с этих площадок без дополнительных затрат.

Недавнее моделирование отметило потенциальное влияние направления несоосности рыскания на выработку энергии в упрощенном, выровненном сценарии управления в следе с двумя ветряными турбинами (51, 52). Это наблюдение не было подтверждено во всех других исследованиях управления движением в спутном следе и, вероятно, во многом зависит от компоновки турбины (53). Потенциальная асимметрия выработки мощности в зависимости от направления несоосности рыскания, вероятно, вызвана изогнутым трехмерным следом (42), а также изменением и сдвигом скорости ветра.Недавняя работа предполагает, что эта асимметрия связана с эффектом Кориолиса (37). Эти эффекты являются предметом продолжающейся работы по моделированию (36, 43, 54, 55) и поэтому не были включены в настоящую структуру.

Помимо наблюдаемого здесь эффекта перекоса по рысканью на выработку мощности, управление в спутном следе также влияет на неустойчивую нагрузку ветряной турбины и, следовательно, на механическую усталость. Теоретические и численные исследования предсказали, что смещение по рысканью может уменьшить или увеличить механическую усталостную нагрузку на лопасти ветряной турбины в зависимости от направления смещения по рысканью (56).Однако влияние перекоса по рысканью на усталостную нагрузку является функцией конкретной ветряной турбины и системы управления, поскольку недавние исследования показали разные результаты в зависимости от интересующей ветряной турбины (49, 57). Кроме того, смещение по рысканью может уменьшить частичное перекрытие спутного следа, которое, как известно, значительно увеличивает усталостную нагрузку (58). В описанном здесь эксперименте на ветряной электростанции в Альберте частичное перекрытие следа значительно уменьшилось. Хотя усталостная нагрузка ветряной турбины не измерялась в текущем полевом эксперименте, она является предметом будущих работ и контрольно-измерительных приборов на этом полевом участке.В более общем плане, точные прогнозы влияния перекоса по рысканью на усталостную нагрузку всех ветряных турбин в ветряной электростанции, вероятно, потребуются до широкого внедрения управления в спутном следе в качестве оптимальной схемы управления для ветряных электростанций промышленного масштаба. Это является предметом текущей работы в рамках программы A2e Министерства энергетики с использованием инструмента моделирования FAST Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (59).

Материалы и методы

Статистические тесты.

Статистическая значимость результатов экспериментальной оптимизации мощности рыскания проверялась с помощью двухвыборочного теста Колмогорова – Смирнова. Был выбран критерий Колмогорова – Смирнова, поскольку наборы данных являются ненормальными распределениями. Нулевая гипотеза состоит в том, что сумма выработки электроэнергии шестью турбинами из исходных исторических данных и экспериментальных измерений рыскания является одним и тем же распределением. Статистический тест проводится для конкретных условий притока, показанных в Таблице 1. Существует более чем на порядок больше выборок из набора исторических базовых данных, чем для кампании рыскания из-за ограниченной продолжительности полевого эксперимента.Таким образом, значения P вычисляются с использованием случайной выборки из полного распределения, так что базовый набор данных имеет то же количество точек данных, что и данные эксперимента по несовпадению рыскания. Значения P затем усредняются вместе как метод Монте-Карло. Полученные значения P показаны в таблице 2. Все результаты статистически значимы (P <0,05), за исключением притока под углом 320 ° ± 5 ° со скоростью 5–6 м⋅с − 1. Образцы во время экспериментальной кампании по смещению по рысканью не являются строго независимыми, поскольку они могут возникать в аналогичных условиях атмосферного пограничного слоя.Результаты будут аналогичными, если для расчета условных средних используются меньшие интервалы скорости или направления ветра. Полный набор данных доступен по адресу https://purl.stanford.edu/rn821pp7681.

Двухвыборочный статистический тест Колмогорова – Смирнова для нулевой гипотезы о том, что базовые исторические данные о мощности SCADA и экспериментальные данные о мощности отклонения от вертикали являются образцами одного и того же распределения

Благодарности

Мы благодарим TransAlta Corporation и TransAlta Renewables за любезно предоставив исторические эксплуатационные данные ветряной электростанции и для проведения экспериментальной кампании по смещению рыскания на действующих турбинах.М.Ф.Х. финансируется через стипендию для аспирантов Национального научного фонда в рамках гранта DGE-1656518 и стипендию для аспирантов Стэнфордского университета.

Сноски

• Автор: M.F.H. и J.O.D. спланированное исследование; М.Ф.Х. проведенное исследование; M.F.H., S.K.L. и J.O.D. предоставил новые аналитические инструменты; M.F.H., S.K.L. и J.O.D. проанализированные данные; и M.F.H., S.K.L. и J.O.D. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Размещение данных: данные из этой статьи были депонированы в Стэнфордском цифровом репозитории, https://purl.stanford.edu/rn821pp7681.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1

  0116/-/DCSupplemental.

• Copyright © 2019 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

Физика ветряных турбин | Основы энергетики

Более тысячи лет назад ветряные мельницы работали в Персии и Китае, см. TelosNet и Википедия.Почтовые мельницы появились в Европе в XII веке, а к концу XIII в. башенная мельница, на которой вращалась только деревянная крышка вместо всего корпуса мельницы. В США развитие ветряная мельница, перекачивающая воду, была важным фактором, позволившим заниматься земледелием и разводить скотоводство на обширных территориях. в середине девятнадцатого века. Эти ветряные помпы (иногда называемые западными мельницами) все еще распространены в Америке и Австралии.У них есть ротор с около 30 лопастей (или лопастей) и способность медленно поворачиваться. Из 200 000 ветряных мельниц, существующих в В Европе середины девятнадцатого века через столетие остался только один из десяти. С тех пор старые ветряные мельницы были заменены паровыми двигателями и двигателями внутреннего сгорания. Однако поскольку В конце прошлого века количество ветряных турбин неуклонно растет, и их начинают принимать играет важную роль в производстве электроэнергии во многих странах.

Сначала мы покажем, что для всех ветряных турбин энергия ветра пропорциональна скорости ветра в кубе. Энергия ветра — это кинетическая энергия движущегося воздуха. Кинетическая энергия массы м с скорость v составляет

Массу воздуха m можно определить из плотности воздуха ρ и объема воздуха V согласно

Затем,

Мощность — это энергия, разделенная на время. Рассмотрим малое время Δ t , за которое частицы воздуха пройти расстояние с = v Δ t для протекания.Умножаем расстояние на площадь ротора ветряной турбины, A , в результате получается объем

, который приводит в движение ветряную турбину на короткое время. Тогда мощность ветра дается как

Сила ветра увеличивается пропорционально скорости ветра. Другими словами: удвоение скорости ветра дает в восемь раз больше энергии ветра. Поэтому для ветряка очень важен выбор «ветреного» места.

Эффективная полезная энергия ветра меньше, чем указано в приведенном выше уравнении.Скорость ветра позади ветряк не может быть нулевым, так как воздух не может следовать. Следовательно, только часть кинетической энергии можно извлечь. Рассмотрим следующую картину:

Скорость ветра перед ветряной турбиной больше, чем после. Поскольку массовый расход должен быть непрерывным, площадь A ₂ после ветряной турбины больше площади A ₁ до. Эффективная мощность — это разница между двумя ветровыми мощностями:

Если разница обеих скоростей равна нулю, у нас нет чистой эффективности.Если разница слишком велика, поток воздуха через ротор слишком затруднен. Коэффициент мощности c _p характеризует относительная мощность рисования:

Для вывода приведенного выше уравнения было принято следующее: A ₁ v ₁ = A ₂ v ₂ = A ( v 1+ v 2) / 2. Обозначим соотношение v 2/ v 1 с правой стороны. уравнения с x .Чтобы найти значение x , которое дает максимальное значение C _P , мы берем производную по отношению к x и устанавливаем ее равной нулю. Это дает максимум, когда x = 1/3. Максимальная мощность рисования получается для v ₂ = v ₁ /3, а идеальный коэффициент мощности равен

Другая ветряная турбина, расположенная слишком близко сзади, будет приводиться в движение только более медленным воздухом. Таким образом, ветряные электростанции в Преобладающее направление ветра требует минимального расстояния, в восемь раз превышающего диаметр ротора.Обычный диаметр ветряков составляет 50 м с установленной мощностью 1 МВт и 126 м с ветроэнергетической установкой мощностью 5 МВт. Последний в основном используется на шельфе.

Установленная мощность или номинальная мощность ветряной турбины соответствует выходной электрической мощности со скоростью между 12 и 16 м / с, при оптимальных ветровых условиях. По соображениям безопасности установка не вырабатывает большую мощность при сильном ветре. условия, чем те, для которых он разработан. Во время грозы установка отключается.В течение года загруженность из 23% можно добраться вглубь страны. Это увеличивается до 28% на побережье и 43% на море.

Более подробную информацию можно найти на Интернет-страницах wind-works.org и в страницы Американской ассоциации ветроэнергетики.

Установленная мощность ветроэнергетики в США в апреле 2020 года составляла около 107,4 ГВт. Эта мощность была превышена. только Китай (более 200 ГВт). Центр ветроэнергетики Альты в Калифорнии — крупнейшая ветряная электростанция в Соединенных Штатах с 2013 года мощностью 1.6 ГВт. Электроэнергия, произведенная с помощью энергии ветра в Соединенных Штатах, составила в 2019 году около 300 ТВт-ч (тераватт-часов), или 7,3% всей вырабатываемой электроэнергии. Подробную информацию о нынешнем состоянии в США можно найти в Википедия.

Ключевым моментом в ветроэнергетике является то, что время пикового спроса на электроэнергию и время оптимальных ветровых условий совпадают редко. Таким образом, другие производители электроэнергии с короткими сроками выполнения заказа и хорошо развитой системой распределения электроэнергии. системы необходимы для дополнения выработки энергии ветра.

Почему современные ветряные турбины потеряли одну лопасть по сравнению со старыми четырехлопастными ветряными мельницами?
Мощность ротора P _мех = 2π M n пропорциональна крутящему моменту M , действующему на вал и частота вращения n . На последнее влияет передаточное число наконечников λ , который рассчитывается согласно λ = v _u / v ₁ из отношения окружная скорость (конечная скорость) v _u ротора и скорость ветра v ₁ .Крутящий момент M увеличивается с количеством лопастей. Поэтому он является самым большим для мельниц западного производства с множеством лопастей, меньшего размера для ветряных мельниц с четырьмя лопастями и самого маленького на сегодняшний день ветряных турбин с 3 лопастями. Однако каждое лезвие, по мере вращения снижает скорость ветра для следующих лопастей. Этот эффект «ветровой тени» увеличивается с увеличением количества лопастей. Оптимальное передаточное число концевых скоростей около 1 для мельницы Western, чуть более 2 для четырехлопастной мельницы и 7-8 для мельницы с четырьмя лопастями. трехлопастные роторы.Трехлопастные роторы при оптимальном передаточном числе конечных скоростей достигают значения c _p . 48% и приближается к идеальному значению 59%, чем ветряные турбины с 4 лопастями. Для ветряных турбин с двумя лопастями или уравновешенных по весу конфигураций ротора с одной лопастью выходная мощность меньше, несмотря на более высокое передаточное отношение конечной скорости из-за меньшего крутящего момента M . Таким образом, ветряные турбины сегодня имеют три лопасти.