Главная → Новости → 10 фактов о лопастях ветряных турбин

10 фактов о лопастях ветряных турбин

Ветряная турбина (ветроэлектрическая установка) представляет собой механическое устройство, которое преобразует кинетическую энергию, создаваемую ветром, в электрическую энергию. Лопасти ветряной турбины играют важную роль, и их форма, угол наклона, вес и используемые материалы могут иметь большое влияние на эффективность турбины для производства электроэнергии.

Лопасти должны иметь аэродинамический профиль, чтобы создавать подъёмную силу и генерировать максимальный крутящий момент для вращения турбины и привода генераторов. Таким образом, форма лопасти ветряной турбины имеет жизненно важное значение для основного функционирования машины.

1. Длина лопастей влияет на ветроэлектрическую установку

Ветроэлектрическая установка с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для использования энергии ветра.

2. Длина у лопастей ветряной турбины

Лопасти таких ветряных турбин в среднем имеют длину около 50 метров, что позволяет им охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии. На данный момент, рекордсменом по этому параметру считаются ветряные турбины Siemens Gamesa Renewable Energy мощностью 14 МВт, в которых используются 108-метровые лопасти.

На сегодняшний день наиболее распространённые промышленные ветряные турбины имеют высоту около 70 метров. Их выходная мощность зависит от размера и высоты, но обычно она колеблется от одного до пяти мегаватт.

3. Лучшие формы лопасти ветряка

Чем быстрее дует ветер, тем больше подъёмная сила создаётся на лопасти, следовательно, тем быстрее вращение. Преимущества изогнутой лопасти ротора по сравнению с плоской лопастью заключаются в том, что подъёмная сила позволяет концам лопастей ветряной турбины двигаться быстрее, чем движется ветер, создавая большую мощность и более высокую эффективность.

Оптимальной формой лопасти ветряной турбины является изогнутая лопасть с аэродинамическим профилем, поскольку эта форма обеспечивает более высокие скорости вращения, что идеально подходит для выработки электроэнергии. Такие лопасти турбины могут улавливать на 5–10 % больше энергии ветра. Изогнутые лопасти также более эффективно работают в районах с более низкой скоростью ветра.

Изогнутая форма лопасти создаёт подъёмную силу за счёт низкого давления воздуха, создаваемого на стороне с наибольшей кривизной, и сил воздуха высокого давления на другой стороне аэродинамического профиля в форме лопасти. Эти две силы создают подъёмную силу, перпендикулярную потоку воздуха над лопастями турбины. Хорошо спроектированная лопасть ротора турбины создаст точное количество подъёмной силы и тяги, обеспечивающее оптимальное воздушное замедление для повышения эффективности лопасти.

4. Лопасти ветрогенераторов должны ли быть лёгкими

Лопасти ветрогенераторов должны быть лёгкими, так как они более эффективны, когда они легче. Это облегчает сборку и разборку ветряных турбин, а также облегчает их вращение, повышая их производительность. Большие ветрогенераторы с тяжёлыми лопастями также могут негативно повлиять на местную дикую природу, особенно на стаи перелётных птиц, которые попадают под лопасти и погибают.

5. Лучший угол для лопастей ветрогенератора зависит от скорости ветра

Для каждой скорости ветра существует оптимальный угол наклона лопастей, при котором мощность, вырабатываемая ветрогенератором, максимальна. Этот оптимальный угол зависит от скорости ветра. Так, например, угол наклона 5° является оптимальным для ветрогенератора при рабочей скорости 7 м/с для оптимальной выработки электроэнергии, 20° при 15,1 м/с и 30° при 25,1 м/с. Работа ветрогенератора под другими углами приводит к снижению мощности.

Тяга увеличивается с увеличением скорости набегающего потока воздуха из-за большей передачи импульса. Тяга уменьшается с увеличением угла наклона лопасти из-за уменьшения лобовой площади и, следовательно, уменьшения сопротивления лопасти.

6. У ветрогенераторов всего три лопасти

Лопатки ветрогенератора соединены с центральной ступицей. Эта сборка лопастей и ступицы называется ротором турбины, который генерирует аэродинамический крутящий момент от ветра. Почему же именно всего три лопасти

Во-первых, использование более трёх лопастей мало влияет на КПД ветрогенератора, который увеличивается очень незначительно, если используются четыре лопасти, а не три, но вес ротора при этом увеличивается, а скорость вращения, при которой достигается пиковая мощность, снижается.
Во-вторых, больше лопастей означает более высокие материальные и производственные затраты. Больше лопастей требуют более трудоёмкого обслуживания. При увеличении количества лопастей они должны быть тоньше, что приводит к потере жёсткости и аэродинамической эффективности. Большое количество лопастей могут увеличить давление и привести к опрокидыванию всей конструкции турбины.
В-третьих, три лопасти позволяют хорошо сбалансировать динамическую ветровую нагрузку на вращающийся ротор. С тремя лопастями угловой момент остаётся постоянным, потому что, когда одна лопасть поднята, две другие направлены под углом. Таким образом, ветряная турбина может плавно вращаться против ветра.

По всем этим причинам три лопасти стали стандартом в ветроэнергетике.

7. Оптимальная скорость вращения лопастей ветряной турбины

Скорость ветряной турбины определяет количество электроэнергии, которую она может произвести. Если лопасти вращаются слишком медленно, большое количество ветра будет проходить беспрепятственно, ограничивая количество энергии, которое потенциально может быть произведено. С другой стороны, если лопасти вращаются слишком быстро, они действуют как большой плоский вращающийся диск на ветру, что создаёт огромное сопротивление и ограничивает количество энергии, которое может быть произведено.

Оптимальное отношение скорости кончиков лопастей определяется как отношение скорости кончиков лопастей к скорости ветра. Этот показатель зависит от нескольких факторов, включая формы, количества и конструкции лопастей турбины.

Стандартные скорости вращения ветряных турбин варьируются от 5 до 25 оборотов в минуту. Современные ветряные турбины, проектируют так, чтобы они могли вращаться с различной скоростью, а высокоэффективные трехлопастные турбины имеют оптимальное соотношение скоростей лопастей от шести до семи.

8. Материал лопастей современных ветроэлектрических установок

Материал лопастей турбины играет решающую роль в эффективности машины для выработки электроэнергии. Лопасти ветрогенератора должны иметь малый вес, высокую прочность, высокую жёсткость, высокую усталостную прочность и высокое сопротивление к разрушениям, позволяющие выдерживать удары молнии, град, влажность и большие перепады температур.

В настоящее время коммерческие лопасти ветряных турбин изготавливаются из армированных волокном полимеров, которые представляют собой композиты, состоящие из полимерной матрицы и волокон. Длинные волокна в этих материалах обеспечивают прочность и продольную жёсткость, в то время как матрица обеспечивает прочность вне плоскости, прочность на расслоение, вязкость разрушения и жёсткость.

Армированные стекловолокном и углеродным волокном пластмассы — стеклопластики и углепластики — также являются хорошими материалами для изготовления лопастей, поскольку они обладают высокой вязкостью разрушения, сопротивлением усталости и термической стабильностью.

9. Лопасти ветряной турбины могут вращаться в обе стороны

Точно так же, как крыло самолёта создаёт подъёмную силу за счёт воздуха, протекающего под ним, так и лопасти ротора ветряной турбины вращаются, приводимые в движение потоком ветра над его поверхностью. Лопасти ротора ветряной турбины могут быть спроектированы так, чтобы они вращались в обоих направлениях для производства электроэнергии — по часовой стрелке или против часовой стрелки.

Большинство турбин вращаются по часовой стрелке по причинам, связанным с удобством и единым мировым стандартом. Однако направление вращения ротора может иметь значение, когда две или более ветряных турбин размещаются одна за другой.

10. Обслуживание и ремонт лопастей

Существует два вида технического обслуживания: профилактическое и корректирующее. Первое заключается в проведении периодических осмотров для определения состояния лопастей и поиска возможных повреждений. Эти проверки осуществляются разными способами: с земли, путём залезания на лопасти с помощью канатов, кранов или подъёмных платформ.

Корректирующее же обслуживание состоит из ремонта или реконструкции лопастей для устранения повреждений, которые появляются как на поверхности, так и в её конструкции. Лопасти ветряных турбин могут иметь трещины, повреждения, вызванные ударами молнии и птиц, или отверстия в передней или задней кромке, а также другие повреждения.

В настоящее время изучаются альтернативные системы ремонта и очистки, такие как дистанционно управляемые дроны, чтобы операторам не приходилось взбираться на ветроэлектрические установки.