Рис 2 схема ветрогенератора с горизонтальной осью вращения

Улучшенная конструкция ВЭУ с горизонтальной осью вращения: исследования, схемы, виды и преимущества ветрогенераторов

Обновлено: 16 января 2021

Ветроэнергетика за последнее время значительно усилила свои позиции среди прочих направлений отрасли. Ее доля в общем количестве выработанной энергии постоянно возрастает, уже есть целые государства, использующие ветроэнергетические установки как базовые устройства для производства электричества.

Нынешние ветроэнергетические станции пока не в состоянии тягаться с гидроэлектростанциями, но для большинства стран, активно развивающих ветроэнергетику, такой способ получения энергии является единственным. Поэтому перспективы у этого направления вполне обнадеживающие. Мало того, даже в энергоизбыточных странах, список которых возглавляет Россия, интерес к ветроэнергетике возрастает с каждым годом.

Исследования и разработки

Проблемы с энергообеспечением, особенно актуальные для стран с ровным рельефом и отсутствием возможности построить ГЭС, требуют иных способов решения.

Использование дизельных или бензиновых электростанций невыгодно из-за постоянного удорожания углеводородов и значительного ущерба, который наносится окружающей природе при использовании этого способа производства энергии. При этом, ветроэнергетика использует абсолютно бесплатную и неиссякаемую энергию, не нанося вреда окружающей среде и не изменяя рельеф поверхности, как это приходится делать при создании ГЭС.

Перемещение воздушных потоков имеет высокий энергетический потенциал и должно использоваться для производства электротока. В регионах, не имеющих возможностей для применения других способов, производятся интенсивные исследования и разработки в этой области, уже имеющие свои результаты в виде крупных ветроэнергетических станций (ВЭС). Они состоят из отдельных ветрогенераторов, обладающих большой мощностью и объединенных в единую энергосистему.

Размеры каждого агрегата впечатляют — они имеют более 100 м высоты и размах лопастей от 120 м. Мощность достигает 9 МВт, с каждым годом создаются все более крупные модели. Для прибрежных стран такой вариант является выгодным, а нередко — единственным.

Кроме того, широко ведутся разработки небольших ветрогенераторов, дающих возможность обеспечивать электроэнергией частный дом, усадьбу или отдельную группу потребителей. Использование такого комплекта позволяет самостоятельно обеспечивать свои потребности, не зависеть от поставщиков энергии, а зачастую еще и немного заработать на этом, поставляя излишки энергии в сеть.

Виды ветрогенераторов

Из ныне существующих конструкций ветрогенераторов принято выделять две основные группы:

Соответственно, ось вращения установок первой группы расположена вертикально, а у второй группы она находится в горизонтальной плоскости. Этот принцип разделения отражает наиболее существенную разницу между типами ветряков, имеющими своеобразные признаки, особенности и условия эксплуатации.

По уровню эффективности однозначно лидируют горизонтальные устройства, так как они получают полную энергию потока, приходящуюся на площадь лопастей. Ограничение их количества — вынужденная мера, вызванная необходимостью снижать фронтальную нагрузку на мачту. При больших размерах ветряка давление на крыльчатку, оборудованную большим числом лопастей, превысит допустимые пределы и мачта попросту переломится. Поэтому на крупных промышленных турбинах устанавливают лишь по 3 лопасти.

Кроме того, для горизонтальных устройств является критичным параметром возможность наведения на ветер. Поскольку над земной поверхностью направление воздушных потоков отличается нестабильностью, то ось вращения должна иметь возможность постоянной быстрой корректировки. При этом, для больших устройств эта возможность сильно ограничена, так как они устанавливаются в местах с преобладанием одного направления ветра.

Вертикальные роторы не нуждаются в наведении, поскольку для них направление ветра не имеет значения. При этом, существуют конструкции, нуждающиеся в этой функции. У таких устройств имеется защитный кожух, отсекающий поток, воздействующий на обратные стороны лопастей и создающий противодействующее усилие. Наведение производится путем установки хвостового стабилизатора, представляющего собой вертикальную пластину, расположенную ребром к потоку. Изменение ветра тут же вызывает поворот хвоста, автоматически устанавливающий кожух в нужное положение.

Вертикальные конструкции обладают большим числом видов ротора. Они используются для относительно мелких ВЭУ, способных питать ограниченное количество потребителей.

Большинство самодельных ветрогенераторов имеют вертикальную конструкцию, так как они могут быть установлены на небольшом возвышении и допускают более удобное обслуживание и ремонт. Кроме того, расходы на создание таких устройств намного ниже.

Конструктивные схемы

Все конструкции ветряков созданы на основе нескольких базовых схем. Они основаны на специфике расположения оси вращения или на использовании дополнительных элементов, усиливающих эффективность приема ветровой энергии. Примечательно, что различия существуют только в механической части комплекса, вся электроника совершенно одинакова и соответствует только мощности генератора независимо от типа конструкции турбины.

Для горизонтальных конструкций относительно небольших размеров характерно использование диффузоров — своеобразных воронок, конусообразных приспособлений, улавливающих поток, уплотняющих его и направляющих на лопасти. В результате достигается большая скорость вращения, возрастает выработка энергии при неизменных скоростях ветра. Эта схема используется при эксплуатации летающих ВЭУ (генератор-крыло). Они имеют обширный надувной диффузор, дающий большую площадь захвата потока, уплотняющегося в несколько раз.

Вертикальные конструкции имеют разные варианты конфигурации лопастей. Так, широко известны:

• ротор Дарье
• ротор Савониуса
• ротор Третьякова
• ортогональный устройства
• гиперболоидные конструкции
• гелиоцентрические ВЭУ и т.д.

Сколько всего имеется разработок на сегодняшний день подсчитать сложно, так как разработкой занимаются как профессиональные, так и самодеятельные конструкторы. Причем, наиболее удачные результаты достигаются, как правило, именно независимыми изобретателями. Основной упор делается на достижение максимальной производительности и чувствительности ротора, стабильности вращения и устойчивости к перегрузкам.

Ветрогенераторы: вертикальные против горизонтальных

Споры о превосходстве горизонтальных конструкций над вертикальными (или наоборот) ведутся с первых дней использования ВЭУ для выработки электроэнергии. Аргументами сторон являются, в основном, вопросы эксплуатации, эффективности и мощности устройств. При этом, однозначного определения наилучшего варианта так и не найдено.

Каждое устройство имеет свои достоинства и недостатки, оценить которые можно только при достаточно плотном использовании. На практике каждый владелец ветряка имеет опыт работы с каким-либо одним типом, поэтому необходимой корректности мнений достичь не удается.

Горизонтальные конструкции обладают более высокой эффективностью. Это утверждение не совсем соответствует действительности, потому что оно имеет расчетное происхождение, где рассматривались старые модели роторов (конструкция Савониуса), тестировавшиеся в определенных условиях.

С развитием ветроэнергетики и появлением множества новых, более удачных конструкций, соотношение КПД горизонтальных и вертикальных устройств практически сравнялось. Кроме того, оба вида понемногу поделили между собой нишу — горизонтальные установки преимущественно используются для выработки энергии в промышленных объемах, тогда как вертикальные ВЭУ чаще всего работают на небольших участках и производят небольшое количество электротока.

На сегодняшний день создалась ситуация, при которой вертикальные устройства чаще используются для самостоятельного изготовления, обеспечивают энергией отдельные дома или участки.

Горизонтальные конструкции преимущественно служат для промышленного производства энергии в региональных масштабах.

Конструкции с вертикальной осью вращения

Вертикальные устройства имеют важное преимущество: они не нуждаются в установке на ветер. Это значительно упрощает конструкцию, снижает количество подвижных узлов, что повышает надежность ветряка и продлевает срок службы. Кроме того, для этих устройств не существенно, стабильно направление потока, или нет, поэтому они не нуждаются в установке на высокие опорные конструкции.

Единственная цель разработок, активно ведущихся в области усовершенствования вертикальных ветряков, состоит в увеличении чувствительности конструкции к слабым и неустойчивым ветрам.

Усилие, приложенное потоком ветра к лопастям вертикальных ветряков, имеет более удачный вектор приложения, но в значительной степени компенсируется противодействующим усилием, приложенным к обратным сторонам лопастей.

Установка отсекающих колпаков снижает противодействие, но значительно усиливает фронтальную ветровую нагрузку на конструкцию. Эти причины ограничивают размеры установок и, соответственно, мощность. При этом, для небольших потребителей в пределах частного дома или усадьбы, вертикальные устройства являются оптимальным выбором.

Ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения

Горизонтальные ветряки имеют меньше вариантов конструкции, так как принято считать, что они устроены достаточно удачно. При этом, большинство из таких устройств нуждается в наличии двух точек вращения — крыльчатка и узел поворота для установки на ветер. Это усложняет конструкцию, выдвигает к ней повышенные требования по прочности, устойчивости к нагрузкам. Ветряки нуждаются в периодическом обслуживании, что непросто, учитывая высоту подъема над землей.

Конструкция

Промышленные образцы, вырабатывающие большие объемы энергии, в большинстве имеют одинаковую конструкцию, состоящую из высокой мачты, крыльчатки, оборудованной тремя продолговатыми лопастями и комплекта сопутствующей аппаратуры. Установки меньшей мощности устроены подобным образом, но, в дополнение к перечисленному, имеют узел поворота вокруг своей оси и хвостовой стабилизатор, позволяющий автоматически ориентировать крыльчатку по ветру.

Кроме перечисленных узлов горизонтальные ветряки часто оборудуются устройствами защиты от сильного ветра. Шквальные порывы создают скачки напряжения, выводят из строя крыльчатку. Для экстренного торможения используются устройства, отводящие ось крыльчатки от направления ветра при резком увеличении скорости ветра.

Крупные промышленные установки, работающие в составе ВЭС и снабжающие энергией большое количество потребителей, имеют весьма крупные размеры и массу. Это служит аргументом для противников ветроэнергетики, утверждающих, что ВЭУ создают сильную вибрацию, шумят, мерцающая тень приводит к различным психическим расстройствам. В целом, эти особенности имеются, но их наличие не способно вызвать сколько-нибудь серьезные последствия для людей или животных.

Особенности эксплуатации

Работа горизонтальных ветрогенераторов совершается только при наличии ветра, способного заставить лопасти крутиться с определенной скоростью. Когда параметры потока не достигают минимальных значений, устройство бездействует, а питание потребителей производится от аккумуляторных батарей, которые отдают накопленный заряд через инвертор.

Обслуживание и ремонт установок является необходимостью, периодически возникающей при появлении признаков затруднения вращения, падения производительности или иных видимых неполадок. Для обеспечения возможности качественного и быстрого производства работ надо заранее продумать технику демонтажа мачты и опускания механизма вниз на удобную ремонтную площадку.

В обязательном порядке надо оборудовать устройство молниеотводом и создать качественный заземляющий контур. Эти позиции необходимо учитывать в первую очередь тем, кто самостоятельно изготавливает свои ветрогенераторы, чтобы защитить конструкцию и потребители от поражения молнией.

Источник

Эффективная ветроэнергетика. Часть 1

Порохня А. В., г. Краснодар

Отрасль ветроэнергетики находится в состоянии интенсивного развития. Но использование энергии ветра сопряжено с определенными трудностями, связанными, в частности, со слабым и непостоянным напором ветра. Рассматриваемая далее конструкция позволяет повысить эффективность работы ветрогенератора.

На сегодняшний день создано множество разновидностей ветрогенераторов. Предлагаемая конструкция содержит ряд усовершенствований и обладает более высокими характеристиками в условиях использования при слабом и непостоянном ветре.

Все существующее множество ветрогенераторов можно условно разделить на два типа. Первый использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения), второй – силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения). Предлагаемая конструкция совмещает в себе черты обоих типов. Рассмотрим ее подробнее.

На Рисунках 1 и 2 показана схема ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Ветрогенератор необходимо строго ориентировать по ветру. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в сторону, противоположную направлению вращения ветряка, таким образом, что за время поворота ветряка на 360 градусов лопасть поворачивается на 180 градусов. При соблюдении такого соотношения угловых скоростей, мы получим, что во время движения по направлению ветра лопасть перпендикулярна потоку движения ветра (1). В момент обратного хода, когда лопасть движется против ветра, она повернута к потоку ребром и имеет наименьшее лобовое сопротивление (3). В промежуточном положении лопасть расположена под углом к направлению ветра, и на нее действует подъемная сила, вектор которой совпадает с вектором вращения ветрогенератора (2, 4). Считаем, что ветряк крутится со скоростью движения ветра.

Рисунок 1.	Ветрогенератор с вертикальной осью вращения.	Рисунок 2.	Вид сверху на ветрогенератор с вертикальной осью вращения.

Лопасть в положении 1 (Рисунок 3) расположена перпендикулярно потоку ветра и движется со скоростью ветра. Она не выполняет никакой работы, ее КПД равен нулю. В положении 2-3 лопасть, двигаясь по направлению движения ветра, начинает смещаться перпендикулярно потоку ветра, и, в соответствии со скоростью вращения ветряка и скоростью ветра, набегающий поток, обтекая ее, создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. Силы изображены стрелками, длина которых условно пропорциональна подъемной силе ветра. В положении 4 лопасть незначительно смещается по направлению ветра. Основное ее движение перпендикулярно потоку, набегающий поток создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. В положении 5 лопасть движется перпендикулярно потоку, так же, как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на них. В положениях 6-7-8 лопасть движется не только перпендикулярно потоку, но и начинает движение навстречу ему. Поэтому подъемная сила ветра растет, но ее вектор теперь постепенно отклоняется в сторону от направления вращения ветряка. В положении 9 лопасть повернута к потоку ветра ребром и движется навстречу ему с такой же скоростью. Поэтому подъемная сила вдвое больше, но направлена перпендикулярно направлению движения ветряка. Перейдя через условный ноль, подъемная сила меняет свое направление на противоположное, сохраняя величину. В положениях 10-11-12 лопасть постепенно замедляет движение навстречу потоку и увеличивает движение перпендикулярно ему. Поэтому вектор подъемной силы уменьшается, но зато направление вектора постепенно выравнивается и начинает совпадать с направлением вращения ветряка. Необходимо отметить, что положение лопасти остается оптимальным для набегающего потока, который обтекает ее, и срыва потока не происходит. В положении 13 лопасть движется перпендикулярно потоку, так же, как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на классический ветряк. В положениях 14-15-16 лопасть постепенно замедляет свое движение перпендикулярно потоку ветра и ускоряет движение по направлению ветра. Подъемная сила ветра постепенно уменьшается. Вектор подъемной силы теперь совпадает с направлением вращения ветряка. Поскольку скорость вращения ветряка равна или близка скорости движения ветра, мы не можем получить никакой пользы от силы напора потока. Но в статическом положении, когда ветряк остановлен, возможность конструкции использовать силу напора потока является огромным плюсом. Это дает конструкции высокий стартовый порог при малой скорости ветра, позволяя раскрутить конструкцию до момента, пока лопасти сориентируются относительно набегающего потока и зацепятся за подъемную силу ветра.

Рисунок 3.	Стрелками показано направление возникающей подъемной силы ветра; длина стрелок условно иллюстрирует величину подъемной силы.

Сравним только что описанную конструкцию с чашечным анемометром, изображенным на Рисунке 4. Воздушный поток давит на левую и правую сторону анемометра одинаково, но за счет того, что с одной стороны чашка повернута к потоку выпуклой стороной, а с другой вогнутой, создается разница в давлении на левую и правую стороны. Устройство поворачивается. Эта разница составляет 5…10%. В авторской конструкции (Рисунок 3) лопасть в положении 1 повернута плоскостью к потоку, а в положении 9 – ребром. При таком расположении лопастей разница давлений на левую и правую половину будет гораздо больше, чем у чашечного анемометра. Отсюда вывод: стартовый порог конструкции, показанной на Рисунке 3, выше стартового порога традиционных ветряков с вертикальной осью вращения, ну и, конечно, с горизонтальной тоже.

Рисунок 4.	Чашечный анемометр.

У конструкции есть недостатки. В частности, по фронту и тылу ветряк использует подъемную силу ветра наиболее полно, но по флангам подъемная сила ветра или стремится к нулю, или ее вектор отклоняется от направления вращения ветряка.

Посмотрим теперь на классический ветряк с горизонтальной осью вращения (Рисунок 5). Условно разделим ометаемую поверхность на три области А, Б и В. В области А лопасть движется быстрее скорости ветра, выполняет небольшую работу и создает неприятный низкочастотный шум. В области Б лопасть движется со скоростью ветра и производит максимальную работу. В области В лопасть движется гораздо медленнее скорости ветра, вследствие чего производит меньше работы. В силу особенности конструкции лопасти в основании имеют большой размер и вес, что приводит к излишней парусности и инерционности ветряка. Из рассмотренного выше видно, что лопасть ветряка с горизонтальной осью вращения работает фрагментарно. В конструкции автора лопасти работают всей своей поверхностью, и если вспомнить теорию, гораздо ближе к идеалу. Идеальный ветряк имеет бесконечно длинные и бесконечно тонкие лопасти.

Рисунок 5.	Условное изображение фрагментирования энергоотдачи лопасти при работе.

Рассмотрим устройство нашей конструкции подробнее. На первый взгляд, кажется, что она довольно сложна, требует строгой ориентации по направлению ветра и соблюдения угловых скоростей вращения лопастей. Но это не так.

Рисунок 6.	Условная схема одного плеча ветрогенератора.

На Рисунке 6 изображена схема одного плеча варианта реализации конструкции ветрогенератора с заданными параметрами. Цифрами на схеме обозначены:

1. Лопасть ветрогенератора.
2. Зубчатый ремень (подобный ремню ГРМ) для передачи вращения от редуктора к лопасти.
3. Элемент ориентации по ветру (флюгер, хвостовое оперение).
4. Редуктор.
5. Шестерня ориентации ветрогенератора по ветру.
6. Основание ветрогенератора.
7. Мачта ветрогенератора.

Ветрогенератор закреплен на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Необходимое соотношение скоростей и направлений вращения ветрогенератора и лопастей достигается с помощью редуктора 4 и передается на лопасть 1 с помощью ремня 2. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению ветрогенератора (ветрогенератор вращается по часовой стрелке, лопасти – против) таким образом, что за время поворота ветрогенератора на 360° лопасть поворачивается на 180°. Ориентация ветрогенератора относительно ветра определяется положением лопастей, которое, в свою очередь, зависит от шестерни 5 ориентации ветрогенератора. Положение шестерни 5 определяется флюгером 3 (хвостовое оперение), который жестко закреплен на шестерне 5 и поворачивает ее вокруг оси в зависимости от направления ветра. Таким образом, мы видим, что для организации нужного вращения лопастей достаточно несложного механизма, состоящего из редуктора 4 и ремня 2. Эти детали достаточно просты и не могут существенно увеличить стоимость ветрогенератора. Для ориентации ветрогенератора нет необходимости поворачивать всю конструкцию, как это делается в случае ветряка с горизонтальной осью вращения; достаточно повернуть шестерню 5, с чем легко справится флюгер 3 без дополнительных затрат энергии.

При небольших размерах ветрогенератора и малом количестве лопастей флюгер без затруднений ориентирует генератор по направлению ветра, однако при увеличении размеров ветряка и количества лопастей на шестерню 5 будет действовать значительный крутящий момент, который будет поворачивать шестерню по ходу вращения ветрогенератора. Флюгер будет противодействовать этой силе и возвращать шестерню в исходное состояние, оптимальное для правильной ориентации. В результате взаимодействия этих противоположно направленных сил возникнут колебания шестерни, которые будет передаваться через редуктор 4 и ремень 2 на лопасть 1, что приведет к ненужной вибрации. Для того чтобы исключить возможность возникновения вибрации, конструкцию флюгера необходимо изменить.

На Рисунке 7 изображена схема ветрогенератора, у которого система ориентирования по ветру состоит из вращающейся крыльчатки 9, поворотного кожуха 10 и понижающего редуктора 11, передающего крутящий момент на шестерню 5. Рассмотрим принцип действия этой системы ориентирования.

Рисунок 7.	Условное изображение конструкции ветрогенератора, у которого флюгерная система ориентирования по ветру заменена на редукторную.

На Рисунке 8а схематично изображены крыльчатка и экран, заслоняющий крыльчатку от ветра. В таком положении крыльчатка находится в покое. Когда направление ветра меняется (Рисунок 8б), экран уже не закрывает крыльчатку полностью, и поток ветра давит на незакрытые экраном лопасти, приводя их в движение. Крыльчатка 9 вращается, передавая это вращение через понижающий редуктор 11 шестерне 5, на которой закреплен экран 10. Экран вращается в ту же сторону, что и крыльчатка, но с заданным редуктором замедлением, и закрывает крыльчатку от потока ветра, вследствие чего крыльчатка останавливается. Когда направление ветра меняется на противоположное (Рисунок 8в), все происходит точно так же, только крыльчатка крутится в другую сторону, и экран вращается в одном направлении с крыльчаткой, закрывая ее. Размер экрана влияет на чувствительность конструкции. Если он составляет четверть длины окружности, конструкция становится более чувствительной к смене направления ветра.

а) б) в)
Рисунок 8.	Принцип действия редукторной системы ориентирования.

Применение редуктора дает нам возможность более четко фиксировать положение шестерни 5, исключая возможность возникновения колебаний и вибраций. С другой стороны, меньшее противодействие повороту крыльчатки делает конструкцию более чувствительной к изменению направления ветра. Чем больше понижающий коэффициент редуктора, тем большее поворотное усилие удерживает шестерня 5, и выше чувствительность конструкции к изменению направления ветра. Но большой понижающий коэффициент увеличивает время реакции, что нежелательно в условиях частой смены направления ветра.

Компромисс между жесткостью положения шестерни 5, размерами крыльчатки 9 и экрана 10, чувствительностью конструкции к изменению направления ветра и временем отработки поворота необходимо определять экспериментально с учетом особенностей эксплуатации в конкретных условиях.

Источник