Повишаване на ефективността при вятърните генератори

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 2, 2010

Съвременни конструктивни и технологични нововъведения

Вятърните електроцентрали са най-бързо развиващият се отрасъл в световната енергетика през последните години. Сред предпоставките за това са изчерпването на конвенционалните природни ресурси, безплатната вятърна енергия, екологичните предимства и намаляващите цени на вятърните генератори. Динамиката в сектора стимулира непрекъснатото разработване на иновативни решения, които оптимизират работата на съществуващите и новоизграждащите се вятърни централи и повишават тяхната ефективност. Създават се различни видове управляващи и измервателни устройства, следящи посоката на вятъра, изработват се аеродинамични структури около турбините и се правят подобрения в конструкцията на роторите.

Сензор повишава ефективността на турбините с 10-15%

Наскоро бе разработен лазерен сензор, който предвижда посоката на приближаващия порив на вятъра и дава възможност на ротора да се преориентира преди вятърът да е достигнал роторните лопатки. Устройството представлява овална капсула, която съдържа фиброоптичен лазерен модул, процесор, управляваща система и оптичен обектив (фиг. 1).

На практика, устройството разпръсква лазерни лъчи и измерва незначителното изменение в цвета на преминаващите въздушни частици. При наличие на приближаващ вятър, устройството изпраща сигнал до системата, управляваща завъртането на генератора. Системата променя ъгъла на роторните лопатки или завърта цялата гондола в посоката, от която се очаква вятърът. Според създателите на изобретението, вятърните дефлектори и анемометърът, с които са снабдени повечето от съвременните турбини, не са достатъчно ефективни при определянето на посоката и скоростта на вятъра. Причината е, че са разположени в задната част на гондолата и вятърът, който достига до тях е аеродинамично нестабилен и с нарушена структура, тъй като е „нарязан” от лопатките. Невъзможността турбината да бъде оптимално ориентирана според посоката и скоростта на вятъра оказва сериозно влияние върху ефективността й (фиг. 2). За всеки градус неподходящ ъгъл на роторните перки, турбината губи 1% от енергийната си ефективност.

С използването на новия сензор вятърният генератор може да “предвиди” посоката на приближаващия вятър на разстояние 300 m. Дори и при силен вятър (30 m/s), остават около 10 секунди, в които турбината да отреагира. Това е съществен период от време за генераторите, тъй като турбината обикновено се завърта със скорост 1 градус в секунда.

През август 2009 г. сензорът е инсталиран върху работеща вятърна турбина. Анализът показва, че благодарение на новата технология, генераторът е повишил ефективността си с 12,3%.

Аеродинамична конструкция около турбината

Сред новите методи, оптимизиращи работата на вятърните генератори, е изграждането на кръгла конструкция около основата на турбината (фиг. 3), чиято основна задача е да моделира въздушното течение така, че най-високата му скорост да попадне в обсега на роторните лопатки. Съоръженията се изработват от пластмаса и стомана и са приложими за всички модели турбини. Конкретните размери зависят от височината на кулата на вятърния генератор, от дължината на перките му и от специфичните условия на терена като обичайна посока на вятъра, сила и интензитет. Оптимизацията се състои в промяната на средата, а не в работата на самата турбина. Чрез увеличаване на скоростта на въздушното течение се повишава и ефективността на ветрогенератора, твърдят създателите на пасивната структура. Резултатите при полеви тестове сочат увеличаване на ефективността на вятърните турбини с от 15% до 30%. Според изобретателите, съоръжението осигурява и допълнителни предимства за операторите на вятърните паркове, тъй като стабилизирането на въздушния поток намалява нуждата от поддръжка и ремонт на съоръженията, като балансира натоварването на ветрогенераторите и стабилизира добива на енергия при различни скорости на вятъра.

Върху конструкцията има възможност да се монтират фотоволтаични панели и да се получи хибридна ветро-фотоволтаична система, която би произвеждала не само по-равномерни в ежедневен и сезонен план, но и по-големи количества електроенергия.

Принудително ускоряване на въздушния поток

Сред техническите решения, които спомагат за ускорението на ветровия поток и съответно за увеличаването на мощността на турбината, са и фуниеобразно разширяващите се тръби (дифузори). Инсталират се зад роторните лопатки. В центъра на дифузора, по надлъжната ос на турбината, има дюза, инжектираща флуид, което може допълнително да увеличи мощността на турбината. Според мнението на специалисти от бранша, с използването на дифузорно усилени турбини годишното производство се увеличава с около 30% при средни ветрови условия в сравнение с конвенционалните турбини. Освен това използването на дифузорно усилени турбини с въртящи се гондоли, може да намали до четири пъти необходимата площ за вятърни паркове при запазване на една и съща инсталирана мощност и до шест пъти - при запазване на едно и също годишно електропроизводство. Подобни турбини, но с фиксирани гондоли, позволяват конструирането на понтонни ветропаркове с десетки пъти по-малка заемана площ и много по-ниски капиталови разходи.

Увеличаване на дължината на роторните лопатки

Повишаването на мощността на турбините може да се постигне и чрез увеличаване на дължината на лопатките им. Тя расте с квадрата на диаметъра на ротора, но пък с увеличаването на периферната скорост се увеличават и периферните загуби. Увеличените диаметри налагат монтирането на осите на роторите високо над терена - 50-70 и повече метра, което утежнява и съответно оскъпява цялата конструкция, въпреки че във височина скоростта на вятъра е чувствително по-висока. Наред с оскъпяването на самите компоненти на ветрогенератора се утежнява и неговото изграждане и монтаж.

Въпреки това, производителите на ротори се придържат към тенденцията за увеличаване на дължината на роторните лопатки, опитвайки да се справят с все още нерешените докрай физически, технологични, механични и аеродинамични проблеми с високите периферни скорости, поради големите роторни диаметри, при което и загубите на енергия са големи.

В опит да решат някои от тези проблеми, конструкторите намаляват оборотите на турбината до няколко десетки в минута, изработват стесняващи се периферии на лопатите, за да се намаляват загубите, но по този начин и въртящият момент става по-малък. Това може да се компенсира чрез увеличаване на мощността за сметка на ограничено повишаване на оборотите, но това на свой ред увеличава периферната скорост. Като възможно решение на тази проблем специалистите посочват двуроторните вятърни турбини

Двуроторната турбина (фиг. 4) се включва при невисоки скорости на вятъра - около 3 м/с. Мощността й се увеличава с около 35% при ниски скорости на вятъра и с около 20% при по-високи, в сравнение с еднороторна турбина в същите ветроусловия. Ефективността на двуроторната технология се основава на подходящото насочване на ветровия поток от първия ротор към втория. Единият ротор се явява едновременно и генератор, и въртящ се направляващ апарат за втория. При това, производителността на втория ветроелектрогенератор значително се увеличава, а ветровата енергия, „загубена” при завъртането на потока от първия ротор, се оползотворява.

При еднакви ветрови условия двуроторната турбина има значително по-висока ефективност от еднороторна със същия диаметър, като в същото време заема същия терен и е на същите отстояния от съседните във ветропарковете.

Сред останалите й предимства е ниският шум при работа, който се дължи не само на по-ниските обороти на роторите, но и на факта, че генерираните звукови вълни от лопатите на всеки ротор се срещат пряко и в значителна степен взаимно се неутрализират. Този факт увеличава възможностите за инсталация на турбините и в близост до населени места. В годишен план, двуроторната турбина работи по-продължително време от еднороторната, макар че при ниски ветрови скорости мощността й не е висока. Освен това има по-малки амплитудни и режимни колебания на отдаваната към мрежата мощност.

Вертикална вихрова турбина

Сред иновативните технически решения, насочени към повишаване на ефективността на вятърните генератори, са вертикалните вихрови турбини. Предназначени са предимно за градски условия, но могат да се използват и навсякъде другаде. Поради вертикалното отклонение на посоката на вятъра, причинено от сградите и вследствие на въртенето на турбината, се получава и завъртане на въздуха вътре между лопатите. Въртящият се въздух има по-голяма кинетична енергия (за сметка на пониженото му налягане и температура) и поради тази причина вихровите турбини имат възможност да бъдат по-производителни от останалите модели.

За да може обаче да се преобразува в полезна, увеличената енергия на въртящия се въздух, е необходимо да се конструират специални турбини. Сред предложенията в тази посока са турбините с хеликоидално (спирално) усукани лопати, които допълнително завихрят въздуха. Проблемът в тези конструкции е, че вертикалната централна зона на турбината не е свободна и така се възпрепятства ефективното преразпределение на енергията - от потенциална и термична в кинетична. Затова те са по-малко ефективни от вихровите турбини със свободна централна зона.

Като по-ефективен вариант специалистите посочват периферно монтираните реактивни вертикални или усукани лопати, които освобождават централната роторна зона. Те са кухи и имат странични отвори във вътрешната страна (към вертикалния вал) на турбината, през които влиза въртящият се от вихъра въздух. Той се ускорява в радиално стесняващи се към периферията канали вътре в лопатите и излиза с увеличена скорост от процеп в периферния им заден ръб. Допълнителното ускоряване на въздуха в каналите става за сметка на центробежната сила. Затова изходящият въздух образува силна реактивна струя, която създава обратна по посока на изтичането реактивна сила, завъртаща лопатката. Именно тази допълнителна сила, заедно с другите сили, които въртят турбините с криловидни лопатки, правят този модел по-производителен.

Роторни лопатки с различна дължина

Друго конструктивно решение при вятърните генератори, което има за цел да повиши тяхната ефективност, са роторите с различни по дължина лопатки. Според създателите му, роторът с каскадно увеличаващ се диаметър във височина по-добре улавя въртящия се въздух, който, поради центробежните сили увеличава радиуса на вихровата спирала във височина. Лопатките на турбината имат различни основни функции. Долните имат доминираща функция да въртят въздуха и второстепенна функция да преобразуват кинетичната му енергия във въртеливо движение. Самите те се въртят от вятъра и от въртенето на горните лопати, защото са монтирани към общ вал. Обратното - доминиращата функция на горните лопати е да преобразуват енергията на въртящия се въздух в механична и втората им функция - да подпомагат въртенето на долните лопати. Поради увеличаващия се във височина диаметър на ротора, горните лопати са енергийно по-производителни, защото въртящият им момент е по-голям.

Вместо каскадно монтирани лопати с различна дължина, може роторът да бъде и с еднакви лопати, но монтирани не вертикално, а наклонено, така, че долните им части да са на по-къси конзоли, а горните - на по-дълги. В тези конструкции е важно да се изчислят дължините на конзолите така, че всяка точка от лопатата да се върти със същата ъглова скорост (обороти) като всяка друга. По този начин се избягват механичните напрежения вътре в лопатите и се редуцират вибрациите в тях.

Ветроенергиен

одит

Подобренията в конструкцията и ветродинамичните характеристики на турбините имат определящо значение за тяхната енергийна ефективност. Достигането на по-високи производствени мощности, обаче, е в пряка зависимост и от конкретните ветроусловия на избраното за инсталация място. Те следва да се анализират и да се прецени доколко са оптимални, в зависимост от характеристиките на вятъра, топографския профил на мястото, както и профила на района около него, ландшафта и други особености на терена. Проучването, детайлният анализ и оценката на енергийните качества на вятъра и на други климатични параметри, имащи отношение към плътността на вятърната мощност за определено място, се извършват в рамките на т.нар. ветроенергиен одит. Всяка допусната грешка по време на този етап може да доведе до драстични отклонения в очакваната годишна електропроизводителност на вятърната турбина.

Така например, ако турбината се фундира на малък хълм с височина спрямо околния терен около 50 метра, скоростта на вятъра на хълма е 2-2,5 пъти по-висока, отколкото в равнинен терен. Т.е. подценяването или надценяването на годишното електропроизводството на вятърен електрогенератор в разглеждания случай може да бъде в граници от 8 до 14 пъти. Ето защо са необходими специални ветроизмервания на всяко конкретно място, които да дадат достоверна информация за ветроусловията и професионален анализ на реално измерените данни. Само така може да се достигне до реално постижимата електропроизводителност за статистически представителен ветрови годишен цикъл. На такава основа технико-икономическите анализи и инвестиционни оценки имат висока степен на достоверност и са добра база за избор на инвестиционно решение.

Прототип на високоефективна вятърна турбина

Сред най-иновативните разработки в сферата на вятърната енергетика е този нов модел вятърна турбина, чийто прототип бе официално представен в края на миналата година. Турбината се предлага в различни варианти с мощности от 1 до 10 kW. Конструкцията й е вдъхновена от принципа на летене на земните пчели и повтаря движенията на крилете им. Създателите на прототипа смятат, че уникалната конструкция на ротора ще подобри значително годишната енергийна производителност на вятърните турбини.





Top