Глава 2. Классификация ветроэнергетических установок

Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:

–использующие подъёмную силу – Y;

–использующие силу сопротивления X.

1. Использующие подъемную силу. Данные ВЭУ преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y), значительно больше скорость ветрового потока V. Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло представлен на рис.3. В аэродинамический каплевидный профиль сечения лопастей ветроколеса и ветроротора под воздействием ветрового потока обеспечивает подъемную силу на лопастях за счет возникновения разности скоростного течения ветровых струй вдоль их плоскостей. Преобразование подъемной силы лопастей и, соответственно, крутящего момента на приводном валу ветроколеса или ветроротора в механическую энергию обеспечивается редуктором-мультипликатором, а затем, при необходимости, электрогенератором в электроэнергию

Ветроколеса современных ветроагрегатов собираются из нескольких лопастей, закрепленных на втулке. Лопасти имеют аэродинамический профиль, при обтекании которого возникает подъемная сила, вращающая ветроколесо. Расчет и проектирование ветроколеса базируется на законах аэродинамики, изучающей движение воздуха и его взаимодействие с поверхностью крыла при его обтекании.

Рис. 3 Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло

Верхний и нижний контуры сечения крыла имеют различную конфигурацию. Проходя у нижнего контура крыла, поток воздуха замедляется из-за трения. В этой части создается зона повышенного давления. Огибая более протяженный верхний контур, поток ускоряется и над крылом создается зона пониженного давления. Разность давлений под крылом и над ним обуславливает возникновение подъемной силы R и вращающего момента на ветроколесе.

В свою очередь ВЭУ, использующие подъёмную силу, могут быть классифицированы по:

1.ориентации оси вращения ВК;

2.положению ВК относительно всей конструкции.

Большинство типов ветродвигателей делятся на две группы:

– ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5),

– ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)), рис.4.

Рис.4 Типы ветродвигателей

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями представлены на рис. 5.

2.1. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Ветроколесо в установках с вертикальной осью вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении, ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Рис.5 Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями

Такие установки появились в 30-х годах прошлого столетия. Наиболее известными из них являются ротор Дарье с изогнутыми лопастями, рис. 6 а, ротор Савониуса, рис.6 б, ортогональные ветроустановки с прямыми вертикальными лопастями (ротор Масгрува), рис.6 в.

Рис.6 Ветроустановки с вертикальной осью вращения

лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

– ветрогенератор с ротором Дарье,

– ортогональное устройство;

– генератор на роторе Савониуса;

– многолопастная конструкция с направляющими элементами;

– геликоидный ротор;

–вертикально-осевая конструкция ротора.

Ветрогенератор с ротором Дарье выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала, рис.7.

Рис.7 Схема работы ветровой турбины Дарье

Работа ветровой турбины Дарье основана на принципе вращения лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Принцип работы конструкции ротора Дарье основан на разности аэродинамических показаний. Благодаря этому обеспечивается вращение лопастей механизма. После того как образовалась циркуляция потоков воздуха, устройство начинает вращаться бесперебойно. На каждое крыло по отдельности воздействует сила подъема относительно воздушного потока. Показатели этой силы зависят от угла, который образовывается между лопастью и величиной скорости потока ветра. Момент силы, который образуется в момент запуска, носит переменный характер, а не постоянный. Существует три типа ротора Дарье, рис. 8: классический, лопасти имеют форму полумесяца, их размер достаточно большой, сравним с длиной основной оси; тип Н, три крыла его имеют прямую форму, которые расположены под прямым углом относительно горизонтальных опор, и находятся на верхнем отсеке конструкции; винтообразный тип, лопасти, которого изготовлены в виде изогнутых спиралей. Ротор Н-образного типа быстроходен, эффективен с полным отсутствием инфразвука, прост в сборке и ремонте, дешевле и, поэтому распространен в применении. Он надежней классической ветровой турбины Дарье. Лопасти винтообразного типа изготовлены в виде изогнутых спиралей, которые расположены на верхнем отсеке несущей оси вращения. Благодаря закрученной форме крыльев, вращение ротора происходит равномернее, поэтому нагрузка на несущие узлы снижается, а срок службы механизма увеличивается.

Рис.8 Типы ротора Дарье

Достоинством роторов Дарье являются самостоятельная ориентация на направление воздушного потока; основной вал привода располагается вблизи уровня земли, что создаёт удобство в его обслуживании; простая кинематическая схема конструкции. Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы, так как она самостоятельно запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю. Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна, поэтому он стоит дорого. Для обеспечения работы бытовых электростанций чаще всего используется ротор Савониуса-Дарье. Такое название носит ветровая турбина, совмещенная с ротором Савониуса, который выступает в роли стартёра (устройства запуска). Комбинированная конструкция отличается большей мощностью и производительностью по сравнению с «чистыми» типами. Область применения механизма не ограничивается только электростанциями – он может быть совмещен с тепло генератором и быть использован в системе теплоснабжения. А еще такой гибрид соединяют с насосами и применяют для закачки и откачки воды. Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы. Самостоятельно она запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю. Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна. 2.Генераторы с ротором Савониуса. Этот вид генератора имеет довольно широкое использование для качественного функционирования бытовых электростанций. По своей конструкции подобный ротор является ветроколесом с несколькими полуцилиндрами, которые непрерывно вращаются вокруг своей оси, рис.9

Рис.9 Генератор с ротором Савониуса

3.Генераторы на многолопастном роторе с направляющими элементами. Этот вид генератора считается самым функциональным из вертикальных роторов. Подобная производительность достигается путём использования дополнительного ряда лопастей. Надо признать, что они более сложны в изготовлении, но они и самые эффективные из всех рассмотренных ветрогенераторов. Их ротор состоит из двух рядов лопастей. Наружный ряд лопастей закреплен неподвижно, но с некоторым углом поворота к центру оси, рис.10.

Рис.10 Многолопастной ротор

Это создает постоянное направление ветра, проходящего сквозь наружный ряд лопастей. Щели между наружными лопастями уплотняют и усиливают поток воздуха, который давит на внутренний, движущийся ряд лопастей. За счет этой конструкции ВЭУ, она начинает крутиться от легкого ветерка со скоростью 0,2 метра в секунду. Его номинальная мощность достигается всего при 3 м/сек.4.Генераторы с геликоидным ротором, рис.11. Ветряки с геликоидным ротором, имеют второе свое название: ротор Горлова. Фактически это модификация ортогонального ветрогенератора с закрученными лопастями и их винтовым сечением. В этом случае механизм ВЭУ движется более плавно, а опорные подшипники генератора не испытывают вредных разнонаправленных сил. За счет этого вся механика становится более долговечной. Но производство сложных винтовых лопастей делает эту ВЭУ дороже чем простые ортогональные ветрогенераторы.

Рис.11 Геликоидный ротор

5. Вертикально-осевая конструкция ротора. Конструкция ветродвигателя, использует для создания крутящего момента комбинацию подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления. В установке, приведенной на рис.12, ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Дарье до необходимой быстроходности.