Кольская ветроэлектростанция. Фото «ЭЛ5-Энерго»
Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ), хоть и произошли от ветряных мельниц, сильно отличаются от своих предшественников. Самое заметное отличие — количество лопастей. Если у старинных мельниц их могло быть четыре, шесть или даже восемь, то у подавляющего большинства современных ветряков — всего три. Это не случайность, а результат инженерных расчётов, направленных на поиск оптимального баланса между эффективностью, надёжностью и стоимостью. Интересно, что принципы проектирования этих гигантов перекликаются с олимпийским девизом «Быстрее, выше, сильнее».
Выше: гонка за высотой
Современные ветрогенераторы — это настоящие небоскрёбы. Инженеры стремятся сделать их как можно выше, потому что на большой высоте ветер сильнее и стабильнее. Чем мощнее и постояннее воздушный поток, тем больше электроэнергии может выработать установка. Экономическая целесообразность — единственное, что ограничивает рост этих конструкций ввысь.
Китайский ветряк-рекордсмен MingYang Smart Energy MySE 16-260. Фото China Three Gorges Corporation / ctg.com.cn
Мировым рекордсменом по размерам сегодня является китайский ветрогенератор MingYang Smart Energy MySE 16-260, установленный в Тайваньском проливе. Цифры в названии раскрывают его мощь: 16 МВт мощности и 260 метров в диаметре ротора. Высота ступицы (центральной части с оборудованием) составляет 152 метра, а с учётом лопастей длиной 123 метра общая высота конструкции достигает ошеломляющих 275 метров. Это выше многих известных небоскрёбов. Китайские инженеры не останавливаются на достигнутом и уже работают над ещё более мощными моделями на 18 и 20 МВт. Для сравнения, средний ветряк имеет мачту высотой около 70 метров и лопасти длиной 50 метров.
Сильнее: улавливая энергию ветра
Задача ветрогенератора — преобразовать кинетическую энергию ветра в электричество. Ключевую роль здесь играет крутящий момент, который создаётся, когда ветер давит на лопасти. Физически этот момент равен силе ветра, умноженной на длину лопасти (радиус вращения). Таким образом, чем длиннее лопасть, тем больше энергии можно «снять» с воздушного потока. Казалось бы, логично сделать и лопастей как можно больше. Однако здесь вступает в силу следующий олимпийский принцип.
Чем лопасти длиннее и чем их больше, тем больше общий крутящий момент.
Обратите внимание: Почему смартфон быстро разряжается, что делать.
Однако на итоговую выработку энергии влияет не только сила, но и скорость вращения ротора.Быстрее: поиск идеального баланса
Скорость вращения — критически важный параметр. Чем быстрее вращается ротор, тем больше механической энергии передаётся на генератор и тем выше выработка электричества. Но здесь возникает противоречие: увеличение количества и длины лопастей делает ротор тяжелее и инертнее, и ветру становится сложнее его раскрутить. В результате скорость падает.
Многолетние исследования и практика показали, что оптимальным компромиссом является конструкция с тремя лопастями. Двухлопастные ветряки вращаются очень быстро, но создают недостаточный крутящий момент, что снижает их эффективность. Четырёхлопастные и многолопастные конструкции, наоборот, увеличивают момент, но существенно проигрывают в скорости вращения, что также негативно сказывается на выработке энергии. Три лопасти — это «золотая середина», обеспечивающая и хороший момент, и высокую скорость.
Проектирование ветрогенератора — это сложная инженерная задача, где учитываются десятки параметров: от аэродинамического профиля лопасти и угла её атаки до материала изготовления и климатических условий конкретной местности. Как отмечает Андрей Бритвин, эксперт по технологическому развитию в сфере энергетики «Газпром нефти», всегда существуют ограничения по высоте, мощности и размерам, которые необходимо соблюдать.
— Андрей Бритвин. Эксперт по технологическому развитию в сфере энергетики «Газпром нефти».
Защита от самого ветра: парадокс безопасности
Одно из ключевых требований к ВЭУ кажется парадоксальным: её необходимо защищать от слишком сильного ветра. Причина в огромной площади, которую описывают лопасти при вращении. Давление ветра на эту площадь может стать настолько мощным, что способно опрокинуть гигантскую конструкцию. Поэтому при экстремальных погодных условиях ветряк нужно остановить. В неподвижном состоянии ветер воздействует только на узкую проекцию самих лопастей, а не на весь огромный круг, что снижает нагрузку в десятки раз.
Стандартным порогом срабатывания буревой защиты является скорость ветра 25 метров в секунду. По шкале Бофорта это соответствует «сильному шторму» (10 баллов). При достижении этой скорости автоматика блокирует вращение лопастей, чтобы сохранить целостность установки. Более сильные ветра, классифицируемые как «жестокий шторм» или «ураган», представляют для ветрогенераторов серьёзную опасность.
Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/vse-publikatsii/
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Почему у ветрогенератора три лопасти, зачем защищать его от ветра и при чем здесь Олимпиада.