Ветрогенератор с горизонтальными лопастями

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

Какие виды ветрогенераторов наиболее эффективны: особенности, достоинства и недостатки

Обновлено: 16 января 2021

Возрастающий интерес конструкторов к ветроэнергетике, стремление обеспечить автономность, независимость жилья от поставщиков ресурсов, вызвали появление множества разработок, функционально опережающих традиционные образцы. Обилие конструкций и разновидностей ветряков заставляет рассмотреть их внимательнее.

Основные виды ветрогенераторов

В первую очередь, ветрогенераторы принято разделять на вертикальные и горизонтальные. Эти группы называются так из-за расположения оси вращения крыльчатки. Горизонтальные конструкции напоминают пропеллер или вентилятор, а вертикальные по своему строению близки к карусели. Такое разделение условно, в настоящее время имеются конструкции, сочетающие в себе элементы и той, и другой группы. Есть также отдельные устройства, которые не могут быть причислены к этим категориям.

Горизонтальные конструкции, их особенности, достоинства и недостатки

Горизонтальные устройства имеют более высокую эффективность, поскольку энергия потока усваивается ими намного полнее. Все горизонтальные ветряки созданы практически по одной конструктивной схеме, есть некоторые отличия лишь в строении ротора. К недостаткам этой группы можно отнести необходимость настройки на ветер, которая хоть и производится автоматически, но требует наличия дополнительного шарнирного соединения, обеспечивающего вращение устройства вокруг вертикальной оси.

Кроме того, для горизонтальных устройств важно наличие высокой опоры — мачты, обеспечивающей оптимальный режим контакта с потоками ветра. Специфика работы требует наличия защиты от ураганного ветра, которая при увеличении силы потока отводит ротор от ветра, вследствие чего частота вращения резко падает.

Вертикальные генераторы, особенности, плюсы и минусы

Вертикальные ветрогенераторы менее эффективны вследствие наличия останавливающего воздействия потока ветра на обратные стороны лопастей. Этот недостаток практически единственный. Вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер, не требуют установки на высокие мачты, доступны для ремонта, обслуживания или самостоятельного изготовления.

Именно вертикальные конструкции обеспечивают такое разнообразие форм и моделей ротора, созданных профессиональными конструкторами и талантливыми любителями. Рассмотрим некоторые варианты конструкции вертикальных роторов:

Ротор Дарье

Отличается конфигурацией лопастей, которые расположены вертикально и по касательной к окружности вращения. Кроме того, форма лопасти имеет строение как у крыла самолета, поэтому при вращении создается подъемная сила, облегчающая движение и способствующая работе со слабыми потоками ветра.

Ветровая турбина Савониуса

Этот вид имеет две лопасти, установленные напротив друг друга. Форма лопастей напоминает желоб, при воздействии ветрового потока на обратную сторону происходит расщепление струи воздуха, которая частично уходит в сторону, а частично соскальзывает с обратной стороны одной лопасти на рабочую часть второй. Ветрогенератор Савониуса является одной из самых старых разработок, но до сих пор вполне успешно используется как в промышленных, так и в самодельных устройствах.

Выбор вертикального ветрогенератора

Для того, чтобы правильно подобрать конструкцию вертикального ветрогенератора, надо учесть размеры ротора, силу ветра в регионе, потребность в определенном количестве электроэнергии, и сопоставить эти величины. Чем больше ротор, тем он тяжелее и тем труднее ему начинать вращение. Способность начинать вращаться при слабых ветрах присуща не каждому виду вертикальных устройств, поэтому следует для больших ветряков использовать наиболее чувствительные конструкции.

Вариантов выбора много, их параметры мало отличаются друг от друга, но некоторая разница присутствует. Если рассматриваемая конструкция не способна обеспечить желаемое количество энергии, следует отказаться от нее и рассмотреть другой вариант.

Кроме указанных параметров надо помнить, что самодельное устройство во многих случаях выгоднее и надежнее, так как легче ремонтируется и не требует больших расходов, что при выборе может сыграть решающую роль.

Генераторы российского производства

Российские фирмы-производители ветряков пока не могут в полную силу конкурировать с зарубежными изготовителями. При этом, отечественные конструкторы учитывают специфику и потребности российского пользователя. Конструкции российских фирм рассчитаны на потребление в масштабах одного дома, или одной небольшой системы (освещение, водяной насос и т.д.). Такой подход позволяет создавать устройства, доступные по цене и удобные по параметрам.

Приобретение крупных образцов отечественному пользователю не по карману, а удовлетворить потребности одной усадьбы можно одним-двумя небольшими комплексами. Поэтому российские фирмы выпускают более привлекательные модели, что создает для них неплохие перспективы и повышает конкурентоспособность.

Необычные конструкции ветрогенераторов

Среди широкого ряда конструкций ветряков встречаются устройства весьма специфического вида. При этом, они полностью функциональны и выполняют свою работу на достаточно высоком уровне (для опытных или пилотных образцов). Некоторые конструкции совершенно выбиваются из общего ряда и обладают уникальными свойствами, другие намного ближе к традиционным формам. Рассмотрим их поближе:

Устройство на водяных каплях

Из необычных ветрогенераторов этот — самый необычный. Он не похож ни на одну известную конструкцию. Он даже не имеет вращающихся частей. Представляет собой раму, внутри которой расположены горизонтально трубки с водой. На поверхности трубок имеются сопла, из которых выпускаются капли воды, заряженной положительно при помощи электродов, находящихся внутри трубок. При порыве ветра капли попадают на противоположные электроды, изменяя их заряд, что вызывает возникновение электрического тока в системе.

Дизайнерский ветрогенератор revolution air

Этот ветрогенератор создан, по сути, с декоративными целями. Его свойства таковы, что пользоваться им как полноценным устройством вряд ли получится. Для запуска ему нужна скорость потока от 14 м/сек, а при минимальной цене в 2500 евро такие характеристики нельзя рассматривать как нормальные рабочие параметры. Устройство имеет оригинальный внешний вид, хотя, по сути, является переосмысленным в художественном смысле вариантом ветрогенератора ортогонального типа.

Парусный ветряк

Еще одна оригинальная конструкция ветряка, имеющего весьма широкие лопасти. Они изготовлены в виде рам, на которые натягивается плотное полотно, образующее парус. Такая конструкция способствует получению больших лопастей при малом весе.

Имеется также конструкция, где парус создает давление на систему поршней без вращения. Большая площадь позволяет эффективно использовать полученную энергию ветра, но имеется опасность выхода из строя мачты ветряка при сильном порыве. Конструкция практически не шумит, не имеет движущихся частей, что увеличивает срок службы и снижает расходы на обслуживание устройства.

Конструкция Третьякова

Ротор ветрогенератора Третьякова имеет довольно сложную конструкцию, хотя, по сути, он является разновидностью ротора с диффузором. Устройство имеет вертикальный ротор-крыльчатку. Вокруг нее располагается подвижный воздухоприемник со стабилизатором, автоматически устанавливающим конструкцию по ветру. Воздухоприемник имеет также ряд направляющих, организующих поступление потока в нужном направлении.

Воздух, попадая внутрь корпуса, обходит рабочее колесо снизу и направляется к лопаткам. Такой сложный путь потока способствует получению правильного направления струи и отсутствию противодействующего контакта с обратными сторонами лопастей. Ротор способен начинать вращение при ветре от 1,4 м/сек, что очень ценно в условиях нашей страны, не отличающейся сильными и ровными ветрами.

Летающий ветрогенератор-крыло

Идея создания такой конструкции опирается на тот факт, что на высоте потоки ветра более активны и имеют большие скорости. Разработчики используют приспособление, напоминающее гигантский воздушный змей, который поднимается на большую высоту и летает по заранее задуманной траектории, вырабатывая электрический ток. Устройство позволяет отказаться от создания высоких мачт, поднимать ветряк на большие высоты и обеспечивать максимально возможные скорости ветра.

Внимание! Большинство необычных разработок до сих пор не запущено в массовое производство. Причиной этого стали относительно невысокие показатели, которые демонстрируют конструкции, и сложности в осуществлении некоторых операций эксплуатационного характера (например, запуск ветряка-крыла).

Мощные генераторы электроэнергии

Мощные ветрогенераторы используются для выработки электроэнергии в промышленных масштабах. Их создание было необходимостью, вызванной полным отсутствием других возможностей. Созданные большие ветряки имеют большую мощность и действуют в составе ветроэнергетических станций (ВЭС).

В них входят десятки таких ветряков, обеспечивающих суммарную выработку 400-500 мВт энергии, что уже сопоставимо с возможностями ГЭС, хотя и не может перекрыть их. Размеры таких ветряков действительно огромны, размах лопастей турбины «Энеркон» составляет 126 м, а высота от земли до оси ротора — 135 м.

Такие габариты вызвали массу домыслов о вреде для здоровья человека, об опасности для пролетающих птиц и прочих небылицах. Использование этих гигантов дает возможность снабжать энергией целые регионы Германии, Дании и прочих государств, расположенных на побережье Атлантики и Балтики.

Возникающие слухи свидетельствуют лишь о неграмотности населения и не имеют ничего общего с реальной ситуацией. Эксплуатация крупных ветрогенераторов была бы попросту невозможной, если бы они имели какое-либо отрицательное воздействие на природу или человека. Европейские законы на этот счет весьма строги и не допускают исключений.

Источник