20-12-2014 / 10-08-2018

Для начала, давайте посмотрим, как обычно движется воздушный поток в зависимости от рельефа. Конечно, траектория движения зависит от многих составляющих, например, от скорости ветра и т.п., но данная схема поможет представить общую картину.

На схеме слева изображено удачное расположение ветряка, справа – не удачное.

По мнению экспертов, нижняя часть лопастей ветрогенератора должна быть как минимум на 10 метров выше самого высокого препятствия в пределах 150 метров, будь то дерево, здание, или холм.

Например, если в 90 метрах от вашего предполагаемого места установки растут деревья высотой 10 метров, то минимальная высота до нижней части ротора должна составлять не менее 20 метров. Если диаметр лопастей ветряка 2 метра, то минимальная высота башни составит 22 метра (2 + 22).

Это правило применимо к большинству местностей, но не ко всем. Исключением является случай, когда вы планируете установку вблизи резкого изменения высоты непрерывного препятствия, такого как скала или густой лес рядом с полем. В этом случае, следует рассматривать препятствия не в 150 метрах, а в пределах 1 км.

Ваша башня должна быть достаточно высокой, чтобы, по крайней мере, соответствовать правилу 10/150. Нарушив это правило, вы рискуете разместить ветряк в турбулентной зоне с низкой скоростью ветра, что приведет к снижению производительности и увеличению износа ветрогенератора.

Градиент ветра

Ветровые генераторы с горизонтальной осью вращения устанавливают на высоких башнях, потому что вверху скорость ветра всегда больше, а турбулентность меньше. Это происходит из-за снижения трения между движущейся массой воздуха и поверхностью земли. С увеличением высоты поверхностные эффекты уменьшаются, а скорость ветра возрастает. Это увеличение скорости с высотой называют градиент ветра. Наиболее часто используемое уравнение, представляющее данное отношение:

Формула увеличения скорости ветра:

V2/V1 = (H2/H1) α

V - скорость ветра,
H - высота
α – коэффициент увеличения скорости ветра с увеличением высоты

Размещение ветряных генераторов на высоких башнях подвергает их более высокой скорости ветра, а также снижает износ, вызванный турбулентностью и связанные с этим затраты на обслуживание. Так же, как ковер создает больше трения, чем полированный паркет, пересеченная местность вызывает больше трения с воздухом, чем гладкое поле. Гладкий, ровный участок (открытое поле, водоемы) имеет низкий коэффициент градиента (α = 0,1 - 0,15), в то время как холмистый, лесистый, или с большим количеством зданий регион будет иметь более высокий коэффициент (α = 0,3 - 0,6). Кроме того, ваш генератор будет испытывать более высокие сдвиги ветра, если вы не придерживаетесь правила размещения 10/150.

Знание коэффициента градиента является ключом к оценке оптимального размера башни.

Коэффициент градиента ветра:

0,1 - Идеально гладкая поверхность (спокойная вода)
0,2 - Плоские пастбища, низкие кустарники
0,3 - Деревья, холмы, здания в районе
0,4 - Недалеко от деревьев или зданий
0,5 - Рядом с деревьями или зданиями
0,6 - Окружение высокими деревьями или зданиями

Пример расчета скорости ветра на заданной высоте

Предположим, я хочу установить ветряк на достаточно ровном лугу, для которого коэффициент градиента составляет 0,2. Я измерил скорость ветра анемометром - на высоте 10 м она составила 6 м/с. Как изменится скорость на высоте башни 22 м, на которой я планирую установить ветряк?

Имеется формула: V2/V1 = (H2/H1) α

Из которой вытекает, что: V2 = V1 (H2/H1) α

Наши данные:
V1 = 6 м/с
H1 = 10 м
H2 = 22 м
α = 0,2

Подставляем значения в формулу: V2 = 6 (22/10) 0,2

Проще всего высчитать это уравнение поисковиком google.ru, для этого достаточно ввести его в строку поиска. Степень обозначается знаком ^, т.е. вводить нужно в таком виде: 6(22/10)^0,2. Ответ получите моментально, даже без нажатия кнопки «искать».

В нашем примере V2 = 7 м/с. На высоте башни скорость ветра будет на целый метр больше. А если еще увеличить высоту башни? Посчитайте!

Как рассчитать прочность башни?

Я пытаюсь вычислить давление силы ветра на лопасти ветряка 6 метрового диаметра, для определения требуемой прочности башни. Я знаю, что скорость ветра 22 м/с оказывает давление 279 кг/м² (для плоской поверхности), но понятия не имею, как это соотносится к лопастям. Как вести расчет?

Вы можете использовать эти расчеты поверхностного давления для определения ветровых нагрузок на саму башню, но лопасти ветрогенератора вовсе не являются статической плоской поверхностью. Лопасти скользят по ветру, как крылья самолета, создавая подъемную силу, которая толкает обратно поток воздуха, замедляя его. Замедление ветра создает энергию и приводит в действие генератор. Можно рассчитать идеальный объем прочности для достижения этой цели, но реальность, вероятно, все-таки будет отличаться, поэтому желательно включить разумный фактор безопасности.

Когда ветер становится сильнее, чем необходимо для полной мощности, включается защита ветряка от перегрузки одним из нескольких возможных способов. Например, некоторые установки тормозят вращение лопастей. Это ухудшает их способность захватывать энергию, но не может сильно уменьшить тягу. Другие поворачиваются боком к ветру, уворачиваясь от напора, но это занимает время и резкий порыв может создать высокую нагрузку.

Если генератор работает при скорости 22 м/с он может производить до 50 кВт. Расчетное давление будет около 132 кг/м², примерно половина от указанного вами, плюс до 740 кг на площадь ротора. Маловероятно, что ветряк будет работать при такой скорости. Скорее всего, сработает защита и он увернется, снизив примерно в четыре раза нагрузку. Фактическая рабочая тяга может быть около 180 кг, но по разным причинам, ее пик будет немного выше. Поэтому, было бы целесообразно применять коэффициент безопасности, где-то раз в пять больше номинального пика, т.е. ближе к 1000 кг.

Проектирование башни действительно является задачей инженеров. Расчеты основываются для самой высокой скорости ветра, которую будет испытывать установка. Они включают в себя элемент давления на саму башню, а также направленность на турбину. Критической нагрузкой, как правило, является давление на изгиб в самой высокой точке поддержки. Для вантовой башни - это верхний уровень, для автономной - изгиб нагрузки на уровне земли. Изгибающий момент - это сила, умноженная на радиус действия, поэтому высокие конструкции должны быть очень крепкими.

Целесообразно также учитывать гироскопический эффект, возникающий, когда ветряной генератор резко поворачивается вокруг башни в верхних турбулентных условиях. Во многих случаях, конструктор будет учитывать собственные частоты башни по отношению к скорости лопастей так, чтобы избежать резонанса.

Дополнительная литература: "Нагрузки на элементы ветроэнергетической установки, на ее фундамент и основание", В. В. Елистратов, И. А. Константинов, А. А. Панфилов, 1999 г.

Видео: самый высокорасположенный ветропарк.