Перші промислові ВЕУ були сконструйовані в Данії в 1890 році. Вертикально-осьові ВЕУ були винайдені пізніше горизонтально-осьових пропелерних (ротор Савоніуса - в 1929 р, ротор Дарині був запатентований у Франції в 1925 р і в США в 1926 р) [1]. До недавнього часу головним недоліком вертикально-осьових вітроенергетичних установок (вітрогенераторів) помилково вважалася неможливість отримати бистроходность більше одиниці (для горизонтально-осьових пропелерних ВЕУ бистроходность може бути більше п'яти). До недоліків також відносили нерівномірність крутного моменту, залежність частоти обертання вітроколеса від швидкості вітру і велику пускову швидкість вітру (близько 15 м / с) [2].
Ці положення, вірні тільки для тихохідних роторів з різним опором лопатей руху, привели до неправильних теоретичних висновків про малий коефіцієнті використання енергії вітру (КВЕВ) у вертикально-осьових вітроенергетичних установок в порівнянні з горизонтально-осьовими вітроустановками. В результаті цей тип вітроенергетичних установок майже 40 років взагалі не розроблявся.
І тільки в 60-х - 70-х роках минулого століття спочатку канадськими, а потім американськими та англійськими фахівцями було експериментально доведено, що ці висновки не стосуються роторам Дарині, що використовують підйомну силу лопатей. Швидкохідність цих роторів досягає 6: 1 і вище, а коефіцієнт використання енергії вітру вже в даний час на рівні горизонтально-осьових пропелерних ВЕУ [2]. Разом з тим, експлуатація горизонтально-осьових вітроустановок виявила ряд невраховуваних раніше недоліків. Наприклад, горизонтально-осьові вітроенергетичні установки можуть значно зменшувати вироблювану електроенергію при частій зміні напрямку вітру [3]. При швидкій зміні напрямку вітру, вітроколесо має чітко відслідковувати ці зміни, але практично неможливо ефективно орієнтувати вітроколесо при зміні напрямку вітру через запізнювання дії механізмів орієнтації.
Вітроенергетичні установки з горизонтальною віссю обертання забезпечують стабільну потужність, що знімається з вітроколеса, при швидкості вітру не менше номінальної. Однак практика використання автономних електростанцій показує, що реально виробляється електроенергія виявляється менше розрахункової, втрати енергії можуть досягати 50% [3]. Причиною цього є зменшення потужності, а відповідно і енергії, переданої ветроколесом при зміні напрямку вітру навіть при достатній його швидкості.
Швидкість вітру 5,5 м / с, радіус вітроколеса 1м.
Залежність потужності, що знімається з вітроколеса від часу при одноразовому зміні напрямку вітру на 30о
Тобто, вітроколесо не може миттєво переорієнтуватися на новий (змінилося) напрямок вітру, і за період переорієнтації потужність, що знімається з вітроколеса, зменшується. При частій зміні напрямку вітру вертикально-осьові вітроенергетичні установки виявляються ефективнішими горизонтально-осьових вітроустановок незважаючи на те, що мають дещо менший коефіцієнт використання потужності вітру [3].
Вітроколесо з вертикальною віссю обертання внаслідок своєї геометрії при будь-якому напрямку вітру знаходяться в робочому положенні. Ефективність їх роботи принципово не залежить від напрямку вітру, в зв'язку з чим, немає необхідності в механізмах і системах орієнтації на вітер.
Теоретично доведено, що коефіцієнт використання енергії вітру ідеального вітроколеса горизонтальних пропелерних і вертикально-осьових установок дорівнює 0.593. До теперішнього часу максимально досягнутий на горизонтальних пропелерних вітроенергетичних установках коефіцієнт використання енергії вітру становить 0.48. Проведені експериментальні дослідження російських вертикально-осьових установок показали, що досягнення значення 0.4 - 0.45 цілком реальне завдання. Таким чином, коефіцієнти використання енергії вітру горизонтально-осьових пропелерних і вертикально-осьових вітроенергетичних установок близькі.
Перевагою вертикально-осьових вітроенергетичних установок є можливість розміщення генератора на фундаменті установки. Це дозволяє відмовитися від потужної, найімовірніше багатоступінчастої, кутовий передачі крутного моменту, спростивши вимоги до монтажепрігодності обладнання (виключити обмеження по габариту і масі) і до умов експлуатації (відсутність поштовхів і вібрацій). Спрощується передача електроенергії, що виробляється.
У горизонтально-осьових пропелерних вітроенергетичних установках уникають вводити кутову передачу і розміщують обладнання під обертається гондолі. При такому розташуванні значні труднощі викликає передача електроенергія від обертового разом з гондолою генератора. Для того щоб уникнути скручування силовий шини, необхідно обмежувати поворот гондоли, вводити колекторну передачу або від'єднувати і розкручувати шину. У всіх цих випадках в конструкцію вітроустановки вводяться додаткові пристрої, які ускладнюють її.
Передача крутного моменту на рівень фундаменту пов'язана з введенням довгого трансмісійного вала, однак обумовлене цим ускладнення конструкції цілком компенсується перевагами нижнього розміщення обладнання, навіть в тому випадку, якщо вал буде послередукторним, тобто, швидкохідних. При доредукторном (тихохідному) виконанні довгий вал особливих конструктивних ускладнень не вимагає.
У горизонтальних пропелерних вітроенергетичних установках вдало використовуються досягнення авіаційної техніки, зокрема в області проектування лопатей, систем управління кутами їх установки, трансмісій. Отже, є всі підстави вважати, що ці установки досить відпрацьовані і їх надійності можуть бути дані високі оцінки. Проте, очевидно, що після відпрацювання конструкції, вертикально-осьові вітроенергетичні установки обіцяють більш високу надійність. Це обумовлено відсутністю механізмів і систем управління поворотом гондоли на вітер, розміщенням генератора на фундаменті, відсутністю необхідності в пристроях і системах управління кутом установки лопатей, спрощеною системою передачі електроенергії, можливістю кріплення лопатей до ротора в декількох місцях, що знижує вимоги по міцності і жорсткості лопаті .
Вертикально-осьові вітроенергетичні установки з точки зору впливу на навколишнє середовище мають наступні переваги перед швидкохідними горизонтальними пропелерними:
- рівні аеродинамічних, інфразвукових шумів, теле- і радіоперешкоди набагато нижче; - менше радіус розкиду уламків лопатей в разі їх руйнування і менш ймовірно саморуйнування; - нижча ймовірність зіткнення лопатей з птахами.
Вертикально-осьові вітроенергетичні установки найбільш ефективні при малій (до 10кВт) потужності, що збігається з концепцією автономних і резервних систем енергопостачання. Розглянемо найбільш досконалі типи вертикально-осьових вітроустановок.
Ротор Савоніуса. Момент, що обертає виникає при обтіканні ротора Савоніуса потоком повітря за рахунок різного опору опуклою і увігнутою частин ротора Савоніуса. Перевагами вітроенергетичної установки цього типу є низький рівень шуму, займає невелику площу, відмінна робота на малих вітрах (3-5 м / сек). Вітроколесо відрізняється винятковою простотою, однак витрати на матеріали пропорційні ККД. Ця турбіна є самою тихохідної, і як наслідок, має дуже низький коефіцієнт використання енергії вітру - всього 0,18 - 0,24 і ККД 17-18%. Застосування цих турбін економічно і технічно недоцільно.
Ротор Горлова. Ротор складається з декількох лопатей аеродинамічного профілю. Турбіна є швидкохідної, коефіцієнт швидкохідності більше 3, ККД більше 38%. Виготовлення таких лопатей важко в зв'язку зі складною формою лопатей. Турбіна Горлова відрізняється підвищеним рівнем шуму та інфразвуку частотою 4-8 Гц, який утворюється за рахунок нахилу лопатей і зриву потоку з кінців лопатей. Застосування цих турбін економічно і технічно недоцільно.
Ротор Дарині. Являє собою симетричну конструкцію, що складається з двох і більше аеродинамічних крил, закріплених на радіальних балках. На кожне з крил, рухомих щодо потоку, діє підйомна сила, величина якої залежить від кута між векторами швидкості потоку і миттєвої швидкості крила. Максимального значення підйомна сила досягає при ортогональности даних векторів. З огляду на те, що вектор миттєвої швидкості крила циклічно змінюється в процесі обертання ротора, момент сили, що розвивається ротором, також є змінним. Оскільки для виникнення підйомної сили необхідно рух крил, ротор Дарині характеризується поганим самозапуску. Самозапуск поліпшується в разі застосування трьох і більше лопатей, але і в цьому випадку необхідне попереднє розгін ротора.
Ротор Дарині відноситься до ветропріемним пристроїв з існуючим підйомну силу, яка виникає на вигнутих лопатях, що мають в поперечному перерізі профіль крила. Ротор має порівняно невеликий початковий момент, але більшу швидкохідні, в силу цього - відносно велику питому потужність, віднесену до його масі або вартості.
Робота ротора Дарині не залежить від напрямку потоку. Отже, турбіна на його основі не вимагає пристрою орієнтації. Ротор Дарині характеризується високим коефіцієнтом швидкохідності при малих швидкостях потоку і високим коефіцієнтом використання енергії потоку, а площа, ометаєма крилами ротора, може бути досить великою.
До недоліків ротора Дарині також відноситься низька механічна міцність і підвищений шум, створюваний при роботі.
Найбільш технологічним є Н-образний ротор Дарині. Установка такого типу є швидкохідної (коефіцієнт швидкохідності ≥ 3), ККД досягає 0,38. Ротор Н-Дар'ї відрізняється зниженим рівнем шуму і повною відсутністю інфразвуку. Вітроенергетична установка цього типу має просту конструкцію і високу надійність.
Таким чином, вертикально-осьові вітроустановки є більш простими і володіють ще рядом переваг перед горизонтально-осьовими вітроустановками. Менший коефіцієнт використання потужності вітру і ККД компенсуються відсутністю втрат енергії при зміні напрямку вітру. У разі буферного акумулювання електроенергії, можна знизити вимоги до якості вихідної напруги і застосувати спрощені конструктивні рішення перетворення вітрового потоку в механічну енергію обертання валу (наприклад, нерегульовані лопаті і т.п.). При цьому необхідну якість електроенергії в каналі електропостачання може бути забезпечено стандартними пристроями перетворення електричної енергії (наприклад, джерелами безперебійного живлення типу UPS) з акумуляторною батареєю відповідної ємності.
Аспірантка Бабина Л.В., д.т.н. Воронін С.М. ФБГОУ ВПО «Азово-Чорноморська державна Агроінженерний академія», Росія
література
1. Дж. Твайделл, А. Уейр. Поновлювані джерела енергії: Пер. з англ. М .: Вища школа, 1990. 2. Соломін Е.В.Ветроенергетіческіе установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативна енергетика та екологія, 2010 року № 1.С. 10-15 3. Воронін С.М., Бабина Л.В. Робота вітроустановки при зміні напрямку вітру // Альтернативна енергетика та екологія, 2010 року № 1. С. 98-100 4. Бєляков П. Ю., Доільніцин В.В., Гончаров В.М., Сапронов Н.В. Математичне моделювання вітроенергетичної установки з ротором циклоїдного типу // Прикладні завдання електромеханіки, енергетики, електроніки: Праці міжвузівської студентської науково-технічної конференції; Воронезький державний технічний університет. Воронеж, 2001..
За матеріалами: vetrogenerator.com.ua
