Сравнение вертикального и горизонтального ветрогенератора

Для примера я хочу сравнить два вида самых простых и распространенных видов ветрогенераторов. Первый вертикальный типа Савониус, и обыкновенный пропеллерный. Почему-же мощность этих типов и их обороты существенно отличаются. А дело в том что вертикальный ветрогенератор использует силу напора ветра, а пропеллер так называемую подъемную силу, которая возникает в силу возрастания давления в точке где проходит прямой поток воздуха сквозь лопасти, и тот, что отражается от лопасти.

Принцип работы вертикального ветрогенератора типа Савониус

Но обо всем по порядку, и так как-же работает вертикальный ветрогенератор самого простого типа. Его можно назвать по разному, но это по сути будет Савониус. Вращение ротора основано на разности давлений ветра на лопасти. Можно себе представить ротор подобного ветрогенератора. Ветер налегает на лопасти и давит, вогнутая лопасть задерживает поток воздуха и его кинетическая энергия давит на эту лопасть, а та лопасть что возвращается имеет выпуклую форму по отношению к ветру и поток ветра просто с нее сваливается. Поэтому возникает разность давления.

Чем сильнее ветер тем больше разность давления и следовательно мощность ротора растет и обороты тоже. Но обороты не могут превысить скорость ветра, так-как толкать тогда ветер не сможет лопасть. Самые большие обороты могут только приблизится к скорости ветра, но не могут достигнуть ее так-как возвращающиеся лопасти тоже испытывают давление. И при максимальных оборотах ротор имеет КПД 0% , так-как вся энергия уходит на раскрутку ротора. Но при нагрузке обороты ротора падают и пропорционально падению оборотов растет и мощность на валу. Максимальная мощность достигается при скорости вращения в два раза меньшей скорости ветра. Например если скорость ветра 10м/с то максимальная мощность будет на валу при скорости движения конца лопасти 5м/с. Если-же обороты увеличиваются, то мощность падает, а если обороты под нагрузкой падают, то ветер просто не успевает проваливаться и набегает как ком на лопасть, этот ком ветра быстро увеличивается, и новые порции ветра натыкаясь на ком расходятся в стороны, так отражается большая часть энергии ветра и в итоге на роторе существенно падает крутящий момент.

Ветер действующий на ротор ветрогенератора

Линиями показано направление ветра действующее на лопасти

Принцип работы горизонтального ветряка («пропеллера»)

Принцип работы классического винта в корне отличается от работы вертикального ротора. Можно так-же представить себе вращающийся винт и набегающий поток ветра на лопасти. Когда ветер набегает на лопасть, то этот ветер отражается от нее и под углом выбрасывается в сторону позади лопасти. Но в это -же время сквозь лопасти так-же идет и прямой поток воздуха. При столкновении двух потоков образуется давление, которое и выталкивает лопасть. Чем больше образуется давление тем сильнее оно выталкивает лопасть. Таким образом обороты лопасти не привязаны к силе ветра, а зависят от давления созданного на стыке двух потоков ветра.

Таким образом скорость вращения кончика лопасти может превышать в разы скорость ветра. И так-же здесь кроется ответ «Почему маленькие лопасти работают лучше чем огромные». А все потому что в создании давления участвует весь поток ветра попадающий в плоскость вращения винта. И через узкие лопасти может проваливаться больше воздуха не задерживаясь а лишь отработав доли секунды. Так-же аэродинамически тонкие лопасти дают меньшее лобовое сопротивление потоку в плоскости вращения.

Здесь получается наоборот, мощность винта растет с ростом оборотов, чем быстрее лопасть вращается тем больше ветра она отражает за единицу времени. Давление растет еще больше и сильнее выталкивает лопасть. Теоретически этот рост оборотов давления и мощности бесконечен если бы не другие факторы, которые все ограничивают.

Так например когда ветровой поток не успевает проваливаться то спереди винта нарастает воздушная подушка, с которой сваливается основной поток ветра в стороны, следовательно мощность ветра просто сваливается с подушки в стороны и винту перепадает очень мало энергии.

Например у много-лопастных винтов предел давления наступает очень быстро, поэтому они менее оборотистые. Так-же кроме превышения давления лопасть вращаясь попадает в зону повышенного давления созданного впереди идущей лопастью и это давление тормозит лопасть, поэтому чем больше лопастей тем сильнее происходит торможение.

Самые эффективные одно-лопастные винты, так-как лопасти при вращении не мешает повышенное давление от впереди идущих лопастей, а только сопротивление потока, но конечно до того момента пока лопасть не упирается в давление созданное ей самой. Поэтому обороты у этих винтов самые большие, но тоже имеют свой придел. Так-же этот придел наступает когда давление достигает большой величины и поток воздуха не успевает проваливаться через винт и нарастает воздушной шапкой на винте, в следствие чего новые порции воздуха натыкаясь на эту подушку расходятся в стороны.

Ветер действующий лопасть

На рисунке показано как дует ветер и где образовывается зона давления на лопасть

Подгонка ветроколеса к генератору

По вышеописанным принципам и причинам вертикальный и горизонтальный винты работают по совершенно разным принципам. Но самое главное это когда винт хорошо подогнан к генератору. Например если в случае вертикального ветрогенератора поставить слишком мощный генератор, то ротор не выйдет на обороты с максимальным КПД и будет большой недобор мощности из-за того что сильно заторможенный ротор не будет успевать переваривать поток ветра и спереди винта образуется ветровая шапка, которая будет отражать основной поток ветра.

Если-же поставить слабый генератор, то ротор будет набирать большие обороты и в следствии чего мощность будет падать, так-как чем быстрее лопасть вращается тем меньше на нее давит напор ветра, она же уходит от него. В итоге небольшой прирост оборотов, но дальше мощность падает и даже под небольшой нагрузкой обороты все равно не растут.

Так-же, но наоборот с горизонтальным винтом. Если генератор слишком мощный, то винт не сможет выйти на максимальные обороты и следовательно не сможет от ветра получить всю возможную мощность. Обороты даже при усилении ветра не будут дальше расти, а набегающий поток будет просто срываться с медленно вращающейся лопасти. А если генератор слабый, то обороты винта будут всегда на пределе, а значит точка максимального давления будет превышена и лобовое сопротивление вращающихся лопастей не позволят оборотам расти и мощность винта упадет, в итоге из-за предела по оборотам мощности не будет расти.

Поэтому в обоих случаях нужно чтобы мощность генератора четко соответствовала мощности и о оборотам винта при разной скорости ветра. Например если пропеллер диаметром 1,2м при 5м/с имеет 500 об/м, и мощность на валу около 40 ватт, то генератор нужен чтобы на 500 об/м нагружал винт не более 35ватт, и не менее 30 чтобы впустую не тратить энергию винта. Так-же при больших оборотах, к примеру тот-же винт при 10м/с выдаст около 400 ватт энергии на валу при оборотах где-то 1200об/м, значит и генератор должен на этих оборотах нагружать не более 350 ватт. Если учесть что КПД генератора где-то 0,8 то реально электрическую мощность можно ожидать около 300 ватт на 10 м/с.

Вертикальный ветрогенератор — плюсы и минусы

22.04.2015

Вертикальная ветровая электроустановка

 не так давно появилась у нас на рынке. Этот ветряк больше используется для бытовых нужд чем для промышленных. Это обусловлено его конструктивными особенностями, позволяющими достичь бесшумности работы, надежности системы и простоте в эксплуатации.

Конструкция:

Для работы ротора вертикального ветрогенератора используется эффект магнитной левитации, что позволяет осуществлять старт работы системы при минимальном ветре. Также отсутствие большого количества механических частей позволяет работать такому ветряку практически бесшумно (уровень шума до 20 дБ) и значительно повышает надежность и срок службы всей конструкции.

Особенности лопастей (в виде паруса) позволяет ветроустановке работать при любом направлении ветра.

Особенности:

При приобретении ветрогенератора часто покупателей волнует вопрос недостаточной ветровой активности в регионе и, как следствие, остановка устройств на длительные промежутки времени. К примеру горизонтальный ветряк стартует при скорости ветра от 6 м\с. В этом аспекте вертикальные станции выигрывают за счет старта работы при ветре от 0,17 м\с и достижения номинальной мощности при 3 м\с. Также за счет конструкции лопастей им не важно направление ветра, в то время как горизонтальным ветрогенераторам это условие весьма значимо.

Существуют вертикальные электростанции которые имеют модульную конструкцию, что позволяет добавлять мощность уже существующей установке, без дополнительных изменений в схеме.

Также стоит отметить, что за счет строения генератора на магнитах (без щеток) вертикальные ветрогенераторы практически не требуют технического обслуживания, в то время как горизонтальные необходимо обслуживать один раз в полгода.

Преимущества вертикальной ветровой установки:

• Возможность работать при совсем небольших порывах ветра от 0,17 м\с
• Бесшумность работы и отсутствие вибрации, позволяет устанавливать ветряк в непосредственной близости от дома, или даже на крышу;
• Работа системы не зависит от направления ветра
• Возможность дорастить мощность не разбирая полностью систему
• устойчивость даже к сильным, ураганным порывам ветра
• надежность и долговечность установки

Недостатки:

• низкий КПД 15-25% по сравнению с горизонтальными ВЭУ 35-45%
• большой вес конструкции

Выводы:

Применение вертикальных ВЭУ актуально для частных домов, в стесненных условиях где ограничено место для установки, на яхтах, и других местах где не возможно установить более громоздкую и шумную конструкцию.

В остальных случаях при грамотном выборе и установке горизонтальной системы с комплексом мер по шумоизоляции, возможно достижение лучших показателей по КПД и соответственно цене электроэнергии.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов с вертикальной и горизонтальной осью вращения

Малый ветряных турбин с вертикальной осью отличаются футуристическим дизайном и часто привлекают внимание зрителя. Но все же о фактах, какие технические отличия от обычной ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения?

Для больших ветрогенераторов в мегаваттном класса развивающихся на протяжении десятилетий, преобладает тип конструкции  с горизонтальной осью и тремя лопастями.

Для малых ветровых турбин, есть гораздо более широкий диапазон конструкций. Совершенно иной тип конструкции представляют так называемые вертикальные ветровые турбины, вал ротора расположен вертикально к земле. Но каковы технические различия между горизонтальными ветрогенераторами, каковы преимущества и недостатки?

Основным недостатком вертикальных ветровых турбин является их низкой эффективности.Однако растения с вертикальной осью также имеют преимущества, которые объясняются в первую очередь.

Преимущества вертикальных ветровых турбин

Нет необходимо ориентации на ветер:
Вертикальные ветряные турбины не должна быть снабжена управления, который поворачивало бы ротор на ветер. Горизонтальные установки имеют обычно флюгер и системы слежения.

Больше подходит для турбулентных ветровых условий:
На участках с сильной турбулентностью воздуха системы работают с вертикальной осью зачастую более надежны, чем горизонтальные конструкции. При длительных турбулентных ветровых условиях, ставит под вопрос установку малого ветрогенератора с горизонтальной осью вращения.

Скорость ветра при которой ветрогенератор запускается и производит энергию:

Вертикальная установки уже работает на низких скоростях ветра и способны  производить электроэнергии.

Простота в обслуживании:
Техническое обслуживание подвижных компонентов, такие как генератор расположены на уровне земли. В горизонтальных сооружений, детали машин находятся в гондоле. Когда мачта не может быть наклонена, нужен подъемник или кран.

Низкая скорость вращения и низкий уровень загрязняющего шума:
Вертикальные ветряные турбины тише и поэтому подходят для жилых районов и городов.

Тени и отрицательный визуальный эффект:
Растения с горизонтальной осью ротора может вызвать солнце находится низко неприятные тени в вертикальной системы могут быть практически исключены.

Недостатки вертикальной небольших ветровых турбин

Низкая эффективности:
Основным недостатком вертикальной небольших ветровых турбин связано с низкой эффективностью. В то время как горизонтальные системы способны забирать у ветра до 50% энергии, значение для вертикального ротора составляет максимум 40%.Горизонтальное часто производят значительно больше энергии, чем вертикальные установки.

Высокие вибрации и нагрузки:
Вертикальная установка может вызвать сильные резонансы.

Низкая высота:
Роторы, как правило, близко к земле. Ветрогенераторы с Горизонтальная ось  расположены на  мачты или башнях в более высоких слоях атмосферы.

Проникновение строительство типов

Исследование, проведенное Университетом Касселя и института Фраунгофера для ветроэнергетики и технологии Энергетические системы IWES даже при небольших ветрогенераторы имеет горизонтальный ротор с тремя лопастями в настоящее время является наиболее распространенным. Из в общей сложности 118 видов конструкций рассмотрено 88% горизонтальной оси и 12% вертикальной оси.

Прогноз

Снижение эффективности вертикальной системы не означает, что концепция не в долгосрочной перспективе может утратиться. В фотоэлектрической промышленности  технология относительно низкой эффективностью может преобладать в течение длительного времени. Производитель солнечных модулей  First Solar может претендовать на лидирующие позиции на рынке, хотя эффективность ее тонкопленочных модулей была значительно ниже, чем у обычных модулей с кремниевых солнечных элементов. Причиной сильные позиции на рынке были существенной экономии издержек производства, так что конкретные инвестиционные расходы и связанные с этим расходы производства электроэнергии более низкие.

В настоящее время большинство малых ветрогенераторов  реализованы с горизонтальной осью вращения, поскольку более высокая эффективность будет иметь положительное влияние на экономику. Вертикальная установка может принести свои сильные стороны, чтобы опереться на конкретные достоинства конструкции, такие как низкий уровень шума.

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

Солнечные системы ГВС и отопления. Ветрогенераторы, вопросы-ответы

В каких случаях уместно использовать ветровую установку?

Ветряную электростанцию следует использовать в местах, где имеются перебои в обеспечении электроэнергией или отсутствует централизованное электроснабжение при условии достаточного ветрового потенциала (среднегодовая скорость ветра не менее 3,5 м/с) и отсутствия высоких зданий или деревьев.

Как определить среднегодовую скорость ветра в том месте, где будет установлен ветряк?

Чтобы получить подобную информацию, требуется проведение исследования. Репрезентативные результаты можно получить только через 1 год. Имейте ввиду то, что большинство ветровых электростанций достигают своей номинальной мощности при скорости ветра около 7-10 м/с.

Необходимо ли разрешение для установки ветряка для частных лиц?

Никаких разрешений или лицензий получать не нужно. Вы ведь не получаете разрешение на установку дизельного генератора.

Как должна быть расположена ось ветроколеса: горизонтально или вертикально? Какое оптимальное количество лопастей должен иметь ветрогенератор?

Существует множество вариантов конструкции ветровых установок, но в настоящее время 95% всех выпускаемых в мире ветрогенераторов – трехлопастные с горизонтальной осью.

Каковы основные критерии для объективного сравнения ветрогенераторов, выпускаемых различными производителями?

К таким критериям относятся:
— безопасность эксплуатации ветрогенератора
— коэффициент использования ветра
— годовое количество энергии, вырабатываемое в год при заданной среднегодовой скорости ветра, и, соответственно, соотношение стоимости ветрогенератора к годовой выработке электроэнергии
— необходимая периодичность сервисного обслуживания
— надежность работы, характеризуемая, в частности, сроком гарантийного обслуживания
— срок эксплуатации ветрогенератора
— время выполнения заказа
— продолжительность серийного выпуска

Чем Ваш ветрогенератор лучше других? Почему мы должны отдать предпочтение именно ему перед другими?

1. Наши ветрогенераторы успешно эксплуатируются уже свыше 11 лет, показывая надежную работу.
2. Коэффициент использования ветра составляет 51% (Для сравнения: у лучших зарубежных образцов этот коэффициент составляет 49 – 52%, отечественных – 38%)

Можно ли приобрести ветроустановку отдельно без мачты? Мачту изготовить на месте.

Да, такой вариант возможен. Но в этом случае мачта должна соответствовать требованиям нашей конструкторской документации. И в этом случае контроль за изготовлением лежит на покупателе и мы не предоставляем гарантии на ВЭУ.

Что означает следующая формулировка: «Мощность генератора составляет 800 Вт, а мощность ветроустановки – 3 кВт»?

Установленная мощность генератора ветроустановки «ВЭУ-08» — 800 Вт. Благодаря энергоблоку, содержащему в себе интеллектуальное зарядное устройство (которое в свою очередь заряжает блок аккумуляторных батарей от ветрогенератора и солнечных фотоэлектрических панелей) и инвертор, максимальная выходная мощность одной системы составляет 5кВт. Системы могут быть объединены, что позволит увеличить выработку электроэнергии.

Чем нужно руководствоваться при выборе мощности ветрогенератора для загородного дома?

Для загородного дома будет достаточно ветрогенератора мощностью 1,5-6 кВт. Многое зависит от того, при какой скорости ветра ветроустановка выдает заявленную мощность, а также от скорости ветра в данном регионе. Если один ветрогенератор выдает мощность 2кВт при скорости ветра, например, 8м/с, а другой 5кВт при 12м/с, то в регионах со среднегодовой скоростью ветра до 7м/с первая установка будет вырабатывать больше электроэнергии за год. Это происходит из-за больших потерь мощности на втором ветрогенераторе при малых скоростях ветра.

Как происходит регулирование мощности ветрогенератора и что происходит с ВЭУ при высоких скоростях ветра?

Регулирование мощности ветрогенератора при скоростях ветра выше расчетной, происходит наиболее прогрессивным способом, за счет изменения угла установки лопастей с помощью компактного регулятора оборотов аэродинамического типа. Остановка ветроколеса осуществляется с помощью системы автоматического перевода лопастей во флюгерное положение. Эти системы являются ноу-хау и были запатентованы.

Почему скорость вращения ветроколеса Вашего ветрогенератора 320 об/мин? У других производителей этот показатель выше.

При данной скорости вращения ветроколеса энергия малых ветров используется наиболее полно. На малых оборотах аэродинамический шум от лопастей значительно ниже. Существуют ВЭУ с частотой вращения ветроколеса 400…500 об/мин и диаметром ветроколеса 4-5 м, в этой ситуации стартовая скорость работы ВЭУ значительно выше. Уровень шума также существенно возрастает.

Что означает тихоходное ветроколесо Вашего ветрогенератора?

Одной из характеристик ветрогенераторов является быстроходность ветроколеса. Она определяется соотношением скорости движения конца лопасти к расчетной скорости ветра. Для современных ветроколес эта цифра лежит в пределах от 4 до 12. При прочих равных условиях, чем больше скорость вращения ветроколеса, тем выше эта цифра. Преимущество наших ветрогенераторов, более тихоходных ветроколес, состоит в том, что они начинают работать при малых ветрах, создают меньше шума, а также износ деталей таких ВЭУ минимален.

Что происходит с ветрогенератором при штормовом ветре?

При скорости ветра более 25 м/с ветроколесо останавливается с помощью системы автоматического перевода лопастей во флюгерное положение, таким образом нагрузка на ветроколесо снижается. Это наиболее безопасный вариант защиты ВЭУ. Другие варианты уменьшения скорости вращения, связанные с созданием противодействующего момента за счет торможения генератором являются потенциально опасными как для ВЭУ, так и для жизни.

Как осуществляется грозовая защита?

Установка имеет соответствующее стандартам и нормативам заземление.

Какими аккумуляторными батареями Вы рекомендуете комплектовать Вашу ветроустановку?

Мы рекомендуем герметичные необслуживаемые аккумуляторные батареи с емкостью не менее 200А*час. Тип и емкость аккумуляторных батарей определяются ветровым потенциалом местности и пожеланиями заказчика.

Существуют ли какие-либо требования к месту установки аккумуляторных батарей?

Для установки аккумуляторных батарей необходимо отапливаемое вентилируемое помещение с температурой выше 0оС площадью 1 м2. Такой шкаф (по желанию заказчика) может поставляться совместно с ветрогенератором. В нем так же может быть размещен дизельный, бензиновый или газовый генератор.

Можно ли комбинировать ветрогенераторы с другими источниками энергоснабжения?

Ветрогенераторы могут быть сопряжены с солнечными батареями, а также с дизельными, бензиновыми или газовыми генераторами.

Зачем нужен инвертор?

Инвертор служит для преобразования постоянного тока с аккумуляторов в переменный 220(380)В 50 Гц, пригодный для подключения электроприборов.

Почему Ваши установки не имеют мультипликатора?

Мультипликатор увеличивает скорость вращения ветроколеса до скорости вращения быстроходного электрогенератора – от 1500 об/мин. Нашему электрогенератору на постоянных магнитах достаточно той скорости, с которой вращается ветроколесо – 300 об/мин.

Каков уровень шума, производимого Вашими установками?

Шумовые характеристики ветряной установки 10 кВт — примерно 40 дБА непосредственно под установкой во время работы на средних оборотах, что отвечает требованиям европейских нормативных документов. Для сравнения, шум городских дорог 70-80 дБА, а звук от работающего дизель-генератора — 90-110 дБА.

Безопасно ли жить рядом с работающим ветрогенератором?

Да, малые ветряные установки (до 100 кВт) совершенно безопасны для окружающих. Только кротов отпугивают.

Нуждается ли установка в сервисном обслуживании?

ВЭУ-08 является необслуживаемым ветрогенератором и в сервисном обслуживании не нуждается.

Какой уход требуется ветряной установке для нормальной работы?

Наши ветряные установки довольно надежны. Потребуется минимальный уход: проверка надежности закрепления лопастей, смазка движущихся частей. Проверка, не повреждены ли соединительные кабели.

Можно ли приобрести ветрогенератор в кредит?

Такая возможность имеется, обращайтесь за консультациями к менеджеру по работе с клиентами.

Какие сроки поставки ветряной установки?

Стандартные сроки поставки ветряных установок: 60 рабочих дней после внесения предоплаты. Если продукция имеется на складе, сроки поставки сокращаются до 5 дней.

Как производится монтаж ветроустановки, какое оборудование необходимо, нужен ли подъемный кран?

Для монтажа ветрогенератора применяется специальное устройство подъема оборудования (принцип «лебедки»). Данное приспособление упрощает монтаж ветроустановки, т.к не требуется подъемный кран. Установка монтируется двумя специалистами в течении 2-3 часов. Возможны два варианта монтажа:
1. Монтаж производителем
2. Шеф-монтаж.

Какая стоимость монтажа ветряной установки (ветряной электростанции)?

Стоимость монтажа ветряного генератора зависит от многих факторов и составляет 10-20% от суммарной стоимости.

Можно ли смонтировать ветряную установку самостоятельно?

Малые ветряные установки (до 2 кВт) вполне можно смонтировать и подключить самостоятельно. Для больших ветряных электростанций, от 5 до 20 кВт, потребуется участие бригады монтажников. Чаще всего монтаж ветряной электростанции проводит организация, осуществляющая продажу ветряных электростанций.

Каков порядок проектирования места для установки ветрогенератора?

Для определения подходящего участка для установки ветрогенератора возможен выезд наших специалистов на место. Данные по ветру обычно определяются по справочникам, а также анализом измерений ближайших метеостанций.

Существует ли демонстрационная площадка для практического ознакомления с работающими ветрогенераторами?

Работающие ветрогенераторы можно увидеть и получить исчерпывающую консультацию по техническим вопросам позвонив нам по телефону

Какая площадь необходима для установки ВЭУ?

Монтаж опоры осуществляется на фундамент, состоящий из трех бетонных блоков по 1.2 м3 каждый (высота 1,2 м, диаметр 0.9 м). В дно ям забиваются уголки — заземлители, соединяющиеся с закладными с помощью шины.

Каким образом Ваша ветроустановка ориентируется на ветер?

Горизонтальные ветряки ориентируются за счет флюгера. Ветер сам доворачивает ветрогенератор в нужную сторону. Вертикальные ветрогенераторы не нуждаются в ориентации по ветру и работают при любом и даже резко изменчивом ветре. Данная разработка защищена патентным свидетельством.

Каков расчетный срок службы ветряных генераторов?

Срок службы ветряного генератора в зависимости от условий эксплуатации составляет от 15 до 25 лет.

Сказывается ли работа ветрогенераторов на работе ТВ и радиоприемников?

Нет

Чем отличается ветрогенератор с вертикальной осью вращения (вертикальный ветрогенератор) от ветрогенератора с горизонтальной? Каковы преимущества и недостатки вертикальных ветрогенераторов?

Основные плюсы вертикальных ветрогенераторов по сравнению с горизонтальными это их бесшумность. Так же надо учитывать повышенную долговечность механизмов из за отсутствия нагрузки на вал. Следует так же учесть более слабый ветер необходимый для старта турбины (1.2м/с по сравнению с 2.5м/с у горизонтальных)
Недостаток ветрикальных ветряков один — это цена. Цена вертикальных ветряных генераторов выше примерно в полтора-два раза. Вертикальные ветряные генераторы могут использоваться в городских условиях и крепиться непосредственно на здания и жилые помещения.

Atmosfera™. Альтернативные источники энергии. Солнце. Ветер. Вода. Земля.Что лучше

(по материалам специалистов по ветроэнергетике КБ «Южное»: д.т.н. М.И.Галась, инж. Ю.П.Дымковец, Н.А.Акаев, И.Ю.Костюков)

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок (ВЭУ) горизонтально-осевые или так называемые пропеллерные установки составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько тысяч предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье — в 1931 г., ротор Масгроува — в 1975 г.). Кроме этого, до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ВЭУ ошибочно считалось, что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости рабочих органов (лопастей) к скорости ветра больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ это отношение достигает более 5:1).

 

Эта предпосылка, верная только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привела к неправильным теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-х – 70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных.
Вертикально-осевые ВЭУ стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании и Румынии в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения. Наибольших успехов добилась фирма VAWT (Великобритания). С 1986 г. на о-ве Сардиния была испытана ВЭУ этой фирмы с ротором диаметром 14 м и мощностью 40 кВт. В том же году была введена в промышленную эксплуатацию ВЭУ VAWT-450 с ротором диаметром 25 м мощностью 130 кВт. Сейчас фирма работает над созданием установки VAWT-850 мощностью 500 кВт. Фирма приступила к разработке более крупной установки VAWT -2400 с ротором диаметром 67 м мощностью 1.7 МВт.

В России разработкой вертикально-осевых ВЭУ с прямыми лопастями занимаются КБ “Радуга”, ООО «ГРЦ-Вертикаль», Объединение «Гидропроект», ЦАГИ, ВНИИ электроэнергетики, ООО “Электросфера” и многие другие. Созданы опытные установки ВЛ-2М, ВДД-16 и др., которые при испытаниях показывают неплохие результаты.

Почему для разработки все больше выбирают вертикально-осевые ВЭУ с прямыми лопастями?
Встречающиеся в литературе сопоставления ВЭУ вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем обычно ограничиваются упоминанием о предпочтительности вертикально-осевых ВЭУ в связи с их основной особенностью — нечувствительностью к направлению ветра и, следовательно, возможностью значительного упрощения конструкции установки. Более того, прогнозируется наибольшее применение вертикально-осевых ВЭУ в развивающихся странах, не владеющих современными технологиями. В обоснование такого прогноза выдвигается именно конструктивная простота вертикально-осевых установок, не требующих поворотных устройств и систем.

Однако опыт проектирования и эксплуатации ветрогенераторов (ветроэлектрических или ветроэнергетических установок) показывает, что отсутствие поворотных устройств и систем — не единственный оценочный параметр для сравнения их с горизонтально-осевыми пропеллерными. Вертикально-осевые и горизонтально-осевые ВЭУ — принципиально разные решения, многие характеристики этих установок не повторяются.

Поэтому кроме независимости работы вертикально-осевых ВЭУ от направления ветра, как явно положительной характеристики, обусловливающей многие другие достоинства, существует целый ряд других их принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые можно рассматривать как не менее важные.

Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем, проведенные с разных точек зрения. Сравнениям будет подвергаться пропеллерная установка в традиционном исполнении и вертикально-осевая типа Дарье с прямыми лопастями.

ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭУ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА

Наибольшая эффективность горизонтальных пропеллерных ВЭУ достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении. Наличие в конструкции ВЭУ системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроагрегат и снижает его надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ этого типа до 13% общего количества отказов приходится на системы ориентации).

Кроме того, практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса а оптимальное направление ориентации. Из-за этого снижаются выработка электроэнергии (вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока) и экономическая эффективность ветроустановки.

К конструктивным недостаткам можно отнести то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветро-агрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.

Эффективность же работы вертикально осевых ВЭУ принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.

КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен, 0.593. Это объясняется тем, что роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0.4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0. 4-0.45 — вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

ЗАПУСК ВЭУ

Считается, что момент трогания горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ не равен 0, поэтому для их запуска не требуются внешние источники энергии. Однако на практике ветроколесо этого типа самозапускается только в том случае, если оно с той или иной точностью направлено на ветер. При боковом же ветре мощное ветроколесо может и не самозапуститься и необходим внешний источник энергии для разворота гондолы с ветроколесом на ветер.

Долгое время считалось, что момент трогания вертикально-осевых ВЭУ равен 0, т. е. считалось, что они не самозапускаются.
Однако ученые ГРЦ-Вертикаль разработали ветро-ротор H-Дарье, который самозапускается при скорости ветра 3.5-4 м/с в зависимости от мощности (массы) ветро-турбины. Момент трогания этих ветроустановок гораздо больше 0, а для самораскрутки достаточно лишь небольшого порыва ветра.

Тем не менее, крупные ветроэнергетические установки обычно оснащают дополнительными турбинами типа Савониуса для гарантированного старта.
Усложнение конструкции ВЭУ приводит к снижению надежности, а введение дополнительных аэродинамических устройств — к снижению мощности ветровой турбины, что хуже, чем наличие источника мощности для запуска. Это учитывается на современном этапе и при проектировании новых конструкций горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Так, разработчики установки серии МОД мощностью 4.4 МВт отказались от одного из важнейших преимуществ этого типа ВЭУ — возможности самозапуска, выполнив лопасти ротора с фиксированным шагом, рассчитанным на наиболее эффективную работу в номинальном диапазоне скоростей ветра. Для запуска был использован прием, заимствованный у вертикально-осевых ВЭУ, — кратковременное переключение генератора на двигательный режим и разгон ротора.

РАЦИОНАЛЬНОСТЬ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ВЕТРОТУРБИНЫ

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ направлены вдоль лопасти, т. е. наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла компактны и малогабаритны. Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ВЭУ направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Ступица и опорно-подшипниковый узел имеют большие габариты. Таким образом, ветротурбина (ветро-ротор) вертикально-осевой ВЭУ в меньшей степени удовлетворяет требованию рациональности силовой схемы, чем ветротурбина горизонтально-осевой пропеллерной. Как результат этого ветотурбина с вертикально-осевой ВЭУ оказывается тяжелее горизонтально-осевой пропеллерной.

Между тем при переходе к ВЭУ мегаваттных мощностей необходимо учитывать значительно меняющийся характер нагружения. Во-первых, аэродинамические нагрузки на лопасть горизонтально-осевой ВЭУ в верхнем в нижнем положении неодинаковы из-за разницы скоростей ветра по длине размаха лопастей. Лопасть работает в разных быстроходностях и передает ступице пульсирующий крутящий момент. Во-вторых, возрастает значение сил гравитации. Пульсирующие аэродинамические и гравитационные нагрузки существенно снижают виброживучесть лопасти, ступицы и опорно-трансмиссионной системы. Возрастают также силы Кориолиса при поворотах турбины на ветер.

КОНСТРУКЦИЯ ЛОПАСТИ

Все сечения лопасти горизонтальной пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях из-за различия в них окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти одно относительно другого. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямоугольная, симметричная относительно хордовой плоскости лопасть вертикально-осевой ВЭУ. С другой стороны, сборка стеклопластиковой лопасти вертикально-осевой ВЭУ из отдельных секций представляет значительную трудность ввиду необходимости организации фланцевых стыков.

ПОВОРОТ ЛОПАСТЕЙ

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможении ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его в разнос.

Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей. С точки зрения предотвращения опасности выхода на аварийный режим вращения ветроколеса поворотные системы и устройства для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ совершенно необходимы.

Поворот лопастей вертикально-осевой турбины был бы весьма эффективен не только для торможения, но и для поддержания оптимального угла атаки при всех положениях лопасти на окружности вращения. Установки с таким принципом работы в настоящее время применения не находит по следующим соображениям: массивная лопасть за время одного оборота вокруг оси вращения должна сделать несколько качаний, сориентированных на направление ветра. Не говоря уже о сложности создания самих систем и устройств для таких поворотов, установка становится зависящей от направления ветра, а ее конструкция будет значительно усложнена. Однако главным соображением по этому поводу остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевой ВЭУ находится на уровне эффективности горизонтально-осевой пропеллерной.

ОМЕТАЕМАЯ ПОВЕРХНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ, СНИМАЕМАЯ С ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ ЛОПАСТИ

Ометаемая поверхность горизонтальных пропеллерных определяется площадью круга, образуемого вращающимися концами лопастей. Для вертикально-осевой ВЭУ эта поверхность определяется как площадь прямоугольника со сторонами, равными длине лопасти и диаметру ветротурбины (ветро-ротора). Таким образом ометаемая поверхность вертикально-осевой ВЭУ образуется более выгодным образом, так как прямоугольная поверхность может изменяться не только за счет изменения длины лопастей, но и за счет диаметра их вращения, что расширяет тактические возможности варьирования параметрами ветротурбины при ее проектировании и отработке.

Энергия, снимаемая с единицы длины лопасти горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, несмотря на кручение лопасти сильно изменяется от комля к концу лопасти, главным образом вследствие увеличения быстроходности (от 0 в районе комля лопасти до максимального значения на конце лопасти).

Если говорить о вертикально-осевой ВЭУ, то значение снимаемой энергии незначительно изменяется по длине лопасти, причем это изменение зависит только от изменения качества энергии ветрового потока: наличия порывов ветра, непостоянства скорости ветра по высоте. Однако здесь есть другие причины потерь снимаемой энергии — неоптимальные углы атаки, в разных положениях лопасти на окружности вращения, падение моментов вращения ветротурбины в положениях, когда лопасть движется вдоль потока, и снижение моментов вращения от лопасти, проходящей аэродинамическую тень башни. Таким образом, надо ожидать, что эффективность съема энергии ветра лопастями установок обоих типов будет примерно одинаковая.

Необходимо отметить, что у малых (до 5 кВт) ветроустановок ГРЦ-Вертикаль угол атаки выставляется оптимальным образом, в зависимости от ветровой обстановки региона, в котором будет работать ВЭУ.
В крупных установках угол атаки может регулироваться в зависимости от режима работы. При трогании угол атаки должен быть больше, а по мере увеличения угловой скорости уменьшаться. Такая система серьезно повышает эффективность, хотя и ведет к соответствующему удорожанию.

СТЕПЕНЬ БЫСТРОХОДНОСТИ

Среди горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ наибольшее распространение получили быстроходные (до 5-7 модулей) установки с числом лопастей менее четырех. Они обеспечивают наивысший коэффициент использования энергии ветра, т. е. наиболее эффективны. Высокая степень быстроходности предполагает использование значительно усложняющих конструкцию ВЭУ специальных устройств и систем для ограничения угловой скорости вращения в определенных жестких пределах и предотвращения разноса ветроколеса и трансмиссии. Постоянство довольно высокой рабочей скорости вращения обусловливает упрощение трансмиссионных связей ветроколеса с генератором и достаточно высокое качество электроэнергии без усложнения преобразующих электрических схем.

В то же время постоянство рабочей скорости вращения, ограниченной прочностью лопастей на инерционную нагрузку, означает ограничение рабочих скоростей ветра (обычно в пределах 12—15 м/с) и работу ветроустановки в оптимальном режиме только при определенном ветре, что, естественно, несколько снижает эффективность установки.

Для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ с турбинами больших диаметров возрастает влияние некомпланарности скорости ветра по высоте и воздействия гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки в материале лопасти, в опорных устройствах трансмиссий и в самих трансмиссиях. Эти влияния и воздействия тем ощутимее, чем выше быстроходность, предопределяющая повышенное внимание к динамической устойчивости работы всех вращающихся элементов, повышенные требования к прочности конструкции и точности ее изготовления, к качеству сборки, смазке и балансировке вращающихся деталей и узлов.

С этой точки зрения трудно переоценить вертикально-осевую схему, принципиально обеспечивающую ВЭУ тихоходную работу. Во всех известных экспериментах, в том числе и в тех, которые были направлены на поиск средств достижения максимально возможного коэффициента использования энергии ветра, быстроходность не превышала 2.5-2.8 модулей. Значение этого обстоятельства станет особенно понятным, если учесть, что все энергетические характеристики (в том числе и коэффициент использования энергии ветра) вертикально-осевых ВЭУ остаются на уровне этих характеристик горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Снижение быстроходности (в 2-3 раза) — это резкое улучшение условий эксплуатации механизмов благодаря снижению уровня динамичности, упрощения требований к опорно-трансмиссионным элементам, исключение необходимости в механизмах и системах, обеспечивающих постоянство скорости вращения. Снижение быстроходности позволяет работать с оптимальным коэффициентом использования энергии ветра при всех значениях скорости ветра, входящих в рабочий диапазон, т.е. повысить эффективность ВЭУ при довольно простой конструктивной схеме лопасти. Рабочий диапазон скоростей ветра на тихоходных ветроустановках расширяется до 20—25 м/с. Однако при всем этом необходимо иметь в ввиду, что при тихоходности повышаются крутящие моменты, что приводит к увеличению материалоемкости лопастей ветротурбины в целом за счет длинных траверс, габаритной ступицы и массивных трансмиссий. Необходимо также учитывать, что переменность частоты вращения ветротурбины предполагает введение в электрическую схему преобразователей в целях повышения качества вырабатываемой электроэнергии и согласования ее качества с качеством сетевой энергии.

Принципиально вертикально-осевая ВЭУ с прямыми лопастями может быть быстроходной, ограничением является прочность лопастей па поперечные инерционные нагрузки и вибронагрузки. Тенденция разработки все более и более прочных, легких и дешевых композиционных материалов открывает перспективы создания быстроходных прямолопастных ветродвигателей типа Дарье.

РАЗМЕЩЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА И МУЛЬТИПЛИКАТОРА

Бесспорно большим преимуществом вертикально-осевых ВЭУ является возможность размещения генератора и мультипликатора на фундаменте установки, исключения угловой передачи крутящего момента. Это позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многопоточной угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепригодности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). При размещении оборудования на фундаменте резко улучшаются условия его монтажа и эксплуатации, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.

В горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле. При этом неизбежны сложности в связи с повышением требований к монтажепригодности оборудования, условиям его эксплуатация, а также при организации подъема оборудования и его эксплуатации в верхнем положении. Немало трудностей вызывает и передача электроэнергия от вращающегося вместе с гондолой генератора. Для того, чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.

Необходимо отметить, что передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередукторным, т. е. быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не вносит.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль редуктор (мультипликатор) отсутствует, что дает выигрыш в эффективности (при его наличии уменьшается КПД). Генератор и часть силовой электроники расположены непосредственно в корпусе ступицы, что, с одной стороны, усложняет обслуживание, а с другой стороны улучшает эффективность.

НАДЕЖНОСТЬ

В горизонтальных пропеллерных ВЭУ удачно используются достижения авиационной техники, в частности в области проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий. Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности могут быть даны далеко не низкие оценки. Тем не менее, очевидно, что после отработки вертикально-осевые ВЭУ, особенно агрегаты большой мощности, обещают более высокую надежность. Основанием для такого суждения являются значительное упрощение их конструкции, снижение уровня требований к изготовлению трансмиссий, упрощение условий монтажа и эксплуатации и т. д., что обусловлено следующими особенностями этих установок: отсутствие механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещение генератора и мультипликатора на фундаменте, отсутствие необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, отсутствие проблем с передачей электроэнергии от генератора.

Необходимо отметить, что высокий уровень надежности сложной конструкции предполагает высокий уровень развития технологии. Этот фактор очень важен для оценки оптимальности вариантов кооперации различных предприятий по изготовлению отдельных узлов и агрегатов установок. Если учесть сказанное, трудно предположить, что значительно более простая и надежная конструкция ветроустановки окажется более дорогостоящей, несмотря на ее несколько большую материалоемкость.

МОЩНОСТЬ

В последние годы в мировой ветроэнергетике наблюдается тенденция к увеличению единичной мощности ВЭУ, что объясняется следующими факторами. Ввиду того что с ростом мощности установки снижается стоимость электроэнергии, получаемой с 1 м2 ометаемой поверхности, уменьшаются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание установки, сокращаются площади отчуждаемых земельных участков, растет и эффективность ВЭУ.

Однако укрупнение горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ малоэффективно. Оно имеют верхний предел мощности в З-4 МВт, так как на их лопасти помимо центробежных действуют изгибающие силы, переменные по величине и направлению, что ограничивает размеры лопастей, существенно снижает надежность горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ и сокращает сроки их эксплуатации. Поэтому переход на большие мощности предполагает качественное изменение конструкции ВЭУ. В свете этого наиболее предпочтительным решением является вертикально-осевая схема, теоретический предел мощности которой по современным представлениям на порядок выше теоретического предела мощности горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

РАСЧЕТНАЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА

Как уже отмечалось выше, расчетная скорость ветра горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ обычно находится в пределах 12—15 м/с по условию прочности лопастей на инерционную нагрузку. Произведенные объединением Гидропроект расчеты по определению расчетных скоростей ветра на основании данных более 200 метеостанций России о ветровом потенциале выявили ряд районов (на восточном побережье Северного Ледовитого океана, Охотского моря, в Приморье, на Камчатке, Курильской гряде, в горах Казахстана, Кавказа, Крыма и др.), где экономически обоснованными являются расчетные скорости ветра 18-20 м/с и рабочий диапазон скоростей ветра высокой обеспеченности — до 30 м/с. Как показали исследования казахских специалистов, проведенные для района Джунгарских ворот (здесь при среднегодовой скорости ветра 8 м/с преобладает ветер со скоростью более 15 м/с), начальная скорость ветра слабо влияет на уровень используемой энергии. Так, при изменении начальной скорости ветра от 4.5 до 7.5 м/с выработка электроэнергии снижается менее чем на 2%. Влияние же расчетной скорости ветра на выработку электроэнергии весьма велико. Например, увеличение расчетной скорости ветра с 10.4 до 20 м/с приводит к увеличению выработки более чем в 4 раза. Это свидетельствует о том, что для районов с высоким ветровым потенциалом значения расчетной скорости ветра, принимаемые для обычных ВЭУ, оказываются недостаточными, так как при этом окажутся недоиспользованными слишком большие ветроэнергетические ресурсы.

Как было указано выше, рабочий диапазон скоростей ветра для тихоходных вертикально-осевых ВЭУ повышается до 20-25 м/с, в связи с чем в районах с высоким ветровым потенциалом без всякого сомнения вертикально-осевые ВЭУ заведомо предпочтительнее.

Ветрогенераторы (ветроустановки) ГРЦ-Вертикаль работают в диапазоне скоростей ветра 4-60 м/с, при номинальной (рабочей) скорости 10.4 м/с. По достижении номинала скорость ВЭУ стабилизируется за счет аэродинамических тормозов.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Тихоходные вертикально-осевые ВЭУ с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными: при их работе ниже все уровни аэродинамических и инфрашумов, вибрации, меньше теле- и радиопомехи, меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения, ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.

В частности, уровень шума ветрогенераторов ГРЦ-Вертикаль находится в пределах 40-50 Дб в непосредственной близости к ВЭУ, а на расстоянии 10 метров заглушается шумами окружающей среды. Для сравнения, шум вентилятора компьютера составляет 50 Дб. Электромагнитные колебания практически отсутствуют, в связи с чем данные ветроустановки можно размещать вблизи коммуникационных центров (в т.ч. аэропортах), где требования к чистоте эфира достаточно высоки в связи с присутствием навигационного оборудования.

Горизонтальные и вертикальные вибросмещения мачты и ступицы, возникающие при действии аэродинамических и инерционных возмущающих сил, могут также явиться последствием дисбаланса (смещения центра масс) ротора. Большинство исследований виброколебаний вертикально-осевых установок, служащих основной причиной возникновения шумов и инфразвука, было проведено в ООО “ГРЦ-Вертикаль”. В отличие от горизонтально-осевых пропеллеров малой мощности (до 10 кВт), вызывающих вертикальные вибросмещения амплитудой до 5 мм, ВЭУ “ГРЦ-Вертикаль” генерируют вибросмещение до 0.2 мм, что не оказывает существенного влияния на фундамент или сооружение, на котором расположена ВЭУ. Более того, согласно применимым ГОСТам и СНиПам такие ВЭУ можно располагать на жилых, офисных и производственных зданиях, не говоря о сложных инженерных сооружениях (мосты, фермы, и т.д.).

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАССЫ

Для приведенной ниже сравнительной оценки рассматривались характеристики трех ветроустановок: NEWECS-45 (Голландия), ВТО- 1250Б (Россия), предварительный проект установки Д. де Рензо (США), из которых ВТО- 1250Б является вертикально-осевой:

ХАРАКТЕРИСТИКИ	NEWECS-45	ВТО-1250Б	Д. де Рензо
Установленная мощность, МВт	1	1.25	1.5
Расчетная скорость ветра, м/с	14.1	20	11.5
Массовые характеристики, кг:
ветроколесо, в том числе:	—	40000	17430
— лопасть	3000	4000	2580
— втулка (ступица)	19000	8000	12270
— траверса	—	16000	—
система передачи момента, в том числе:	—	16000	35180
— редуктор	2000	10000	20860
— прочее	—	6000	14320
электрическая система, в том числе:	—	10000	—
— генератор	3000	5000	6950
опорная башня	70000	70000	69360
прочие системы	—	6000	—
Общая масса, кг	142000	136000	128940

Необходимо отметить, что массовые характеристики предварительного проекта установки Д. де Рензо получены расчетным путем на основании теоретических методик, и при рабочем проектировании с учетом конкретных конструктивных и технологических требований реальные характеристики ветроустановки будут конечно выше.

Из приведенных данных видно, что рабочие органы (лопасть, траверса) ветроколеса горизонтально-осевой пропеллерной установки легче вертикально-осевой, однако втулка (ступица) у них значительно тяжелее. Система передачи момента легче у вертикально-осевой установки, даже несмотря на наличие в ряде случаев трансмиссионного вала. Массы электрической системы и опорной башни установок обоих типов примерно одного порядка.

Общая масса рассмотренных установок находится примерно на одном уровне с небольшим преимуществом вертикально-осевой ВЭУ благодаря отсутствию гондолы, механизмов и систем ориентации на ветер и поворота лопастей.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль трансмиссионный вал отсутствует, что создает дополнительное преимущество этих установок перед остальными вертикально-осевыми ВЭУ.

В сложном сочетании свойств, чаще всего двойственно характеризующих каждый из типов ВЭУ, невозможно разобраться методами их качественной оценки (тяжелее-легче, сложнее-проще, эффективно-неэффективно). Необходим количественный анализ всего комплекса характеристик ВЭУ на основе теоретических и модельно-экспериментальных исследований с получением данных об эффективности ветроустановок обоих типов в экономической и метеорологической обстановке конкретного региона.

Если сравнивать с требованиями к ветроэлектрическим установкам средней мощности (до 1 МВт), то требования к установкам мегаваттного класса более высокие, в первую очередь в части потребительских свойств (надежность, экологическая чистота, удобство обслуживания и ремонта, простота конструкции, срок эксплуатации и т.п.). Учитываются и такие важные свойства, как экономическая эффективность, стоимость строительства, затраты на эксплуатацию и т. п. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вертикально-осевые ВЭУ, не уступающие горизонтально-осевым пропеллерным по энергетическим характеристикам, но отличающиеся свойствами, которые могут обеспечить снижение себестоимости электроэнергии в районах с повышенным ветровым потенциалом.

По оценкам экспертов установки ГРЦ-Вертикаль малой мощности также имеют преимущество перед горизонтально-осевыми ВЭУ.

Если рассуждать в самом общем плане, то необходимо подчеркнуть, что одной схемой, как и одним типоразмером ВЭУ, не удовлетворить потребности всех регионов даже одной страны. Ветроэнергетика как подотрасль энергетики станет конкурентоспособной только при условии развития различных направлений, способных создать государственный рынок ветроэнергетической техники.

Расчет выработки энергии ветрогенератором

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. 

Основная проблема ветровых турбин заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор  может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

• ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
• применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
• применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии. 

              

                

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).

Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.

Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т.п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно. 

Читать еще статьи…

 

Вертикальные ветрогенераторы с ротором дарье

Ветрогенератор (или ветроэлектрическая установка, сокращенно ВЭУ) – это установка, преобразующая кинетическую энергию ветра во вращающее движение ветроколеса, в дальнейшем крутящий момент от которого передаётся генератору, вырабатывающему электрический ток. Существуют 2 основных класса ветрогенераторов: с горизонтальной остью вращения (рис. 1) и с вертикальной осью вращения (рис. 2).

Вертикальноосевые ВЭУ включают в себя следующие типы: Савониуса, Дарье, ортогональный, геликоидный, многолопастной с направляющим аппаратом.

Ортогональные ветрогенераторы

Ортогональные ветрогенераторы имеют вертикальную ось вращения, лопасти у данного типа ВЭУ располагаются на некотором удалении от центральной оси параллельно ей (рис. 3).

Данный тип ветрогенераторов имеет такие преимущества, как: отсутствие необходимости наведения на ветер, за счет вертикальной оси вращения упрощается передача вращательного момента на вал генератора, приводные системы можно располагать на уровне земли (значительное упрощение обслуживания и эксплуатации).

При наличии некоторых приемуществ перед горизонтальноосевыми ВЭУ, данный тип имеет и недостатки: низкий ресурс опорных узлов за счет больших нагрузок со стороны массивного ротора, подъемная сила лопостей которого меняет свой вектор на 360⁰; более низкий КПД, за счет изменения углов атаки лопастей ветрогенератора в более широком диапазоне, в сравнении с горизонтальноосевой ВЭУ, где углы можно выставить оптимально.

Ветрогенераторы с ротором Савониуса

Лопасти данного типа ветрогенераторов представляют собой полуцилиндры. Основными отличительными чертами данного типа ВЭУ являются высокие пусковые крутящие моменты, работа при более низких скоростях ветра, высокая технологичность производства (рис. 4).

Недостатками ротора Савониуса являются: высокая материалоёмкость, низкий КПД в сравнении с быстроходными горизонтальноосевыми ветрогенераторами. По этим причинам данный тип ВЭУ высоких мощностей не выпускается (в пределах 5кВт) и используется в основном для обеспечения более высокого пускового момента ротора Дарье (рис. 5).

Ветрогенераторы с ротором Дарье

Ветрогенератор Дарье имеет вертикальную ось вращения, его лопасти (2 или 3) представляют собой пластину, не имеющую специфического аэродинамического профиля, закрепленную на вершине и у основания оси вращения (рис. 6).

Основными достоинствами данной конструкции ветрогенератора являются: отсутствие необходимости ориентировать ВЭУ на ветер, простота изготовления лопастей, расположение приводного оборудования на уровне земли, что упрощает его обслуживание.

Основными недостатками ветрогенератора Дарье являются: невозможность самостоятельного запуска при равномерном набегающем потоке ветра, низкий КПД по сравнению с горизонтальноосевыми ВЭУ, низкий ресурс вращающихся узлов в силу подверженности их высоким динамическим нагрузкам при вращении.

Ветрогенераторы с геликоидным ротором

Геликоидный ветрогенератор, или ветрогенератор Горлова (второе название) является модифицированным ортогональным ротором. Лопасти данного ротора закручены по дуге (рис.

7), что позволяет ему вращаться более плавно, чем ортогональным, что значительно снижает динамические нагрузки и увеличивает ресурс всех подвижных узлов, однако технология изготовления закрученных лопастей значительно более сложная, что сказывается на стоимости исходного продукта.

Ветрогенераторы с многолопастным ротором с направляющим аппаратом

Данный тип ветрогенератора так же является модернизированным ортогональным ВЭУ (рис. 8). Такой ротор имеет 2 ряда лопастей: 1-й ряд, внешний, статичен, он является направляющим аппаратом, захватывающим ветровой поток, сжимающим его и увеличивающим скорость ветра; 2-й ряд – подвижный ротор, на который попадает поток воздуха от 1-го ротора под определённым углом.

Данный тип ВЭУ является наиболее эффективным среди вертикальноосевых, его конструкция позволяет работать при малых скоростях ветра, однако в связи с большим количеством лопастей возрастает материалоёмкость, а следовательно и цена.

Вертикально-осевые ветрогенераторы. За и против — статьи энергетической тематики

Мы привыкли удивляться всему новому и порой не замечаем или проходим мимо объектов и техники, которые нас интересуют. Стремление к использованию альтернативных источников энергии вполне понятно, — энергонезависимость и улучшение экологии среды нашего обитания. Многое написано и рассказано об оборудовании, преобразующее энергию ветра, но есть ветроустановки, которые знакомы не многим, однако они работают и довольно эффективно.

Это вертикально-осевые ветрогенераторы малой мощности до 30 кВт.

Мой коллега Григорий, давно занимается конструированием и изготовлением самодельных ветряков.

Причем его творчество основано на теоретическом анализе физических процессов и практики наиболее эффективных работающих ветротурбин.

Он увлечен ветряками с вертикально-осевым расположением ротора и считает, что простота конструкции и надежность их, заметно выгодней, чем у горизонтально-осевых машин.

Григорий считает, что сегодня актуальна разработка и производство маломощных ветрогенераторов, которые можно устанавливать вместо спутниковых антенн на крышах многоэтажек. Это нужно в основном для популяризации ветроэнергетики, и как источники дежурного или аварийного светодиодного освещения.

Недавно он поделился со мной информацией об одной интересной разработке, которая выполнена по схеме ротора Дарье с прямыми лопастями и которая находится в эксплуатации с 2001 года. Это ветроустановка ВЭУ 0020, номинальной мощностью 20 кВт. Предлагаю читателю познакомиться с этой уникальным ветряком.

Несколько слов о роторе Дарье. Это изобретение французского авиаконструктора Жоржа Дарье (GeorgeDarrieus) (1888-1979), запатентованое в 1931 году в США.

Ротор с вертикальной осью вращения работает по принципу использования подъемной силы.

Ротор Дарье состоит из нескольких (чаще от двух до четырех) лопастей, согнутых по некой кривой, или прямые лопости, которые закрепляются на вертикальной оси.

Современные конструкции ротора Дарье самозапускаются при скорости ветра 3-5 м/с. Максимальный коэффициент использования ветрового потока (КИВ) получается меньше, чем в установках с горизонтальной осью.

Ветроэнергетическая установка ВЭУ 0020 разработана днепропетровским конструкторским бюро в 2000 году. В этом же году она была представлена в Киеве на промышленной выставке. Однако, по понятным и непонятным причинам, замечательная идея и разработка пока не получила широкого распространения в Украине.

У этого типа ветряков генераторное оборудование может стоять на земле или в земле. То что мы видим в европейских странах и кажется изящным, на самом деле размером с микроавтобус или автобус наверху. Иногда, чтобы доставить конструкции пропеллеров и башню ветрогенераторов больших размеров, приходится останавливать все движение в городе или в населенном пункте.

• Технические параметры и характеристики ВЭУ 0020
• Установленная мощность ветроустановки – 20 кВт.
• Рабочий диапазон ветров – 5-20 м/с.
• Диаметр окружности вращающихся лопастей – 7, 2 м.
• Длина лопастей – 5 м.
• Высота опорной башни – 14 м.

Среднегодовая выработка электроэнергии – 40 000 кВт. ч.

1. При наличии ветра электроэнергия поступает потребителю или для заряда аккумуляторных батарей.
2. Данная установке в комплекте (выпрямительно-зарядное устройство, батарея аккумуляторов, инвертор, станция управления) работает как электростанция в автоматическом режиме без обслуживающего персонала.
3. Учитывая, что генерация электроэнергии данного ветроагрегата не зависит от направления ветра и оборудование, размещенное на фундаменте, дает заметное преимущество перед традиционными горизонтально-пропеллерными ветрогенераторами.
4. Ветряк начитает работать при скорости ветра 4 м/с, в диапазоне от 6 м/с до 12 м/с обеспечивает номинальную отдачу электрической энергии, при 12 м/с, агрегат выдает мощность – 20 кВт, при 20 м/с и более, ветроустановка останавливается.
5. Данное оборудование прошло полный цикл испытаний, сертифицирована в Украине и в России.

Как отмечают авторы разработки, это показывает анализ 4-х летней эксплуатации, преимуществом таких установок, является возможность размещения генератора и мультипликатора на фундаменте установки, что исключает передачу углового крутящего момента. Это заметно упрощает монтаж оборудования и улучшает условия эксплуатации (отсутствуют толчки и вибрации).

В России в 1998 г, пос. Славянка, Приморский край, один агрегат ВЭУ 0020 (20 кВт) и в 2001 г пос.

Левинские ТАО, пять агрегатов ВЭУ 0020 (100 кВт) в составе электрической станции (в комплекте с дизельгенератором 100 кВт) были введены в эксплуатацию. В Украине с 2004 г, Алмазная Луганская обл., порт Усть-Дунайский Одесская обл.

по одному агрегату работают такие же установки. Они зарекомендовали себя как надежные и бесперебойные источники автономного энергоснабжения.

В состав перечисленных ветроэлектростанций входит стандартный набор оборудования: вертикально-осевая автономная ветроэнергетическая установка мощностью 20 кВт; батарея аккумуляторов, накопитель энергии во время безветренной паузы; оборудование для преобразования переменного тока генератора (45 -90 Гц) в постоянный, для зарядки аккумуляторов и дальнейшей передачи на инвертор для получения переменного тока (220-380 В), с последующей генерацией в электросеть.

По мнению специалистов, несмотря на имеющиеся недостатки (низкий КИВ, плохой самозапуск, повышенный шум) вертикально-осевые ветрогенераторы найдут своего потребителя и могут оказать достойную конкуренцию на рынке ветротурбин малой мощности.

Альтернативная энергия и энергосбережение

Внимание, мы переехали! Эту же статью можно найти на новом сайте termoteh.in.ua

Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые.

Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.

Ретроспектива вертикальных ВЭУ

Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

Рис. 1. Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

Вертикальные ветряки использовались и в Ките. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датировано 1219 годом нашей эры.

Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями.

При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.

Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с.

Ветряной двигатель персидских мельниц (рисунок 2) представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт.

 Рис. 2. Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором 

Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра.

  50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня.

Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений.

Рис. 3. Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором 

В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века:

2а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
2б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
2в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
2г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.

2д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

Принцип работы

В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.

2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами.
Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха.

Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра.

Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.

Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1.

Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор).

Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2.

Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U

Какие это вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

Какие это вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

Ветрогенератор — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Ветрогенераторы на базе горизонтально-осевых турбин — не единственное возможное решение для качественного преобразования энергии ветра в электричество. Есть и другие конструкции, иногда показывающие большую эффективность чем осевые турбины. Пример такой альтернативной конструкции — ветрогенератор с вертикальным ротором Дарье.

Это необычное решение было предложено еще в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье, который поставил перед собой задачу создать такой ветрогенератор, который бы работал при любом направлении ветра, при том не требуя строгой ориентации.

Ротор генератора вместе с узкими лопастями было предложено расположить вертикально, чтобы как при слабом, так и при сильном ветре — значительная часть воздушного потока не встречала существенного аэродинамического сопротивления, а непосредственно давила бы на рабочие поверхности лопастей, приводя к их вращению.

С этой точки зрения даже ротор Савониуса, предложенный в 1922 году финским инженером Сигурдом Савониусом, уступает, так как имеет ограничение эффективности при большой скорости ветра. Ротор Дарье, в свою очередь, лишен этих недостатков, хотя и не имеет столь детального математического описания своей работы как его предшественник.

Примечательно, что ротор Дарье в лучшем его исполнении имеет три аэродинамических крыла, которые закреплены на радиально расположенных горизонтальных балках на некотором расстоянии от центральной оси ротора.

По этой причине характер обтекания крыльев ротора Дарье воздухом сложен, но быстроходность генератора полностью нивелирует этот кажущийся недостаток. Тогда как, например, горизонтально-осевые турбины, да и тот же ротор Савониуса, теряют эффективность при сильном ветре, ротор Дарье в аналогичных условиях вращается примерно в 3,5 раза быстрее и не вызывает проблем балансировки.

Вертикально расположенный вращающийся вал практически не влияет отрицательно на работу ветрогенератора с ротором Дарье, а наоборот способствует эффективности, поскольку является довольно тонким. В таких условиях производимый устройством шум гораздо ниже чем у горизонтально-осевых ветрогенераторов, больше напоминающих большие вентиляторы с пропеллерами.

Здесь же поток воздуха обтекает лопасти и весь генератор в любом направлении равномерно, что, кстати, и обеспечивает колоссальную быстроходность столь уникального ротора. При этом ветрогенераторы с ротором Дарье просты в изготовлении, здесь даже нет необходимости в пропеллерном профиле.

Однако, справедливости ради стоит отметить и некоторые недостатки таких конструкций.

Из-за эффекта Магнуса мачта генератора с ротором Дарье испытывает значительные нагрузки, поэтому конструирование необходимо проводить очень точно, а адекватной математической модели по сей день не существует.

Да и окупаемость любых ветрогенераторов по времени продолжительна. По этой причине производители горизонтально-осевых ветрогенераторов не спешат отбрасывать работающую годами технологию.

Ранее ЭлектроВести писали, что украинский стартап Sirocco Energy является разработчиком нового линейного ветрогенератора. Он эффективно генерирует энергию в городе или же загородной среде. В этой статье ЭлектроВести подробнее расскажут вам о разработке Sirocco Energy.

Анализ плюсов и минусов вертикальных ветрогенераторов малой мощности

21 Ноя

Первые промышленные ВЭУ были сконструированы в Дании в 1890 году. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье был запатентован во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г.) [1].

До недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ветрогенераторов) ошибочно считалась невозможность получить быстроходность больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ быстроходность может быть больше пяти).

К недостаткам также относили неравномерность крутящего момента, зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра и большую пусковую скорость ветра (около 15 м/с) [2].

Эти положения, верные только для тихоходных роторов с различным сопротивлением лопастей движению, привели к неправильным теоретическим выводам о малом коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ) у вертикально-осевых ветроэнергетических установок по сравнению с горизонтально-осевыми ветроустановками. В результате этот тип ветроэнергетических установок почти 40 лет вообще не разрабатывался.

И только в 60-х – 70-х годах прошлого века сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей.

Быстроходность этих роторов достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра уже в настоящее время на уровне горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ [2]. Вместе с тем, эксплуатация горизонтально-осевых ветроустановок выявила ряд неучитываемых ранее недостатков.

Например, горизонтально-осевые ветроэнергетические установки могут значительно уменьшать вырабатываемую электроэнергию при частой смене направления ветра [3].

При быстром изменении направления ветра, ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения, но практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации.

Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения обеспечивают стабильную мощность, снимаемую с ветроколеса, при скорости ветра не меньше номинальной.

Однако практика использования автономных электростанций показывает, что реально вырабатываемая электроэнергия оказывается меньше расчетной, потери энергии могут достигать 50% [3].

Причиной этого является уменьшение мощности, а соответственно и энергии, передаваемой ветроколесом при изменении направления ветра даже при достаточной его скорости.

• Скорость ветра 5,5м/с, радиус ветроколеса 1м.
• Зависимость мощности, снимаемой с ветроколеса от времени при однократном изменении направления ветра на 30о

То есть, ветроколесо не может мгновенно переориентироваться на новое (изменившееся) направление ветра, и за период переориентации мощность, снимаемая с ветроколеса, уменьшается.

При частой смене направления ветра вертикально-осевые ветроэнергетические установки оказываются эффективнее горизонтально-осевых ветроустановок несмотря на то, что имеют несколько меньший коэффициент использования мощности ветра [3].

Ветроколесо  с вертикальной осью вращения  вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Эффективность их работы принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем, нет  необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер.

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0. 593.

К настоящему времени максимально достигнутый на горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках коэффициент использования энергии ветра составляет 0.48. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4 – 0.45 вполне реальная задача.

Таким образом, коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ветроэнергетических установок близки.

Достоинством вертикально-осевых ветроэнергетических установок является возможность размещения генератора на фундаменте установки.

Это  позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многоступенчатой,  угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепригодности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). Упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.

В горизонтально-осевых пропеллерных ветроэнергетических установках избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле.

При таком расположении значительные трудности вызывает передача электроэнергия от вращающегося вместе с гондолой генератора.

Для того чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.

Передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередукторным, то есть, быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не требует.

В горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках удачно используются достижения авиационной техники, в частности в области проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий.

Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности могут быть даны высокие оценки. Тем не менее, очевидно, что после отработки конструкции, вертикально-осевые ветроэнергетические установки обещают более высокую надежность.

Это обусловлено отсутствием механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещением генератора на фундаменте, отсутствием необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, упрощенной системой передачи электроэнергии, возможностью крепления лопастей к ротору в нескольких местах, что снижает требования по прочности и жесткости лопасти.

Вертикально-осевые ветроэнергетические установки с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют следующие преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными:

— уровни аэродинамических, инфразвуковых шумов, теле- и радиопомехи гораздо ниже; — меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения и менее вероятно саморазрушение; — ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.

Вертикально-осевые ветроэнергетические установки наиболее эффективны при малой (до 10кВт) мощности, что совпадает с концепцией автономных и резервных систем энергоснабжения. Рассмотрим наиболее совершенные типы вертикально-осевых ветроустановок.

Ротор Савониуса. Вращающий момент воз­никает при обтекании ротора Савониуса потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора Савониуса.

Достоинствами ветроэнергетической установки этого типа являются  низкий уровень шума, небольшая занимаемая площадь, отличная работа на малых ветрах (3-5 м/сек). Ветроколесо отличается исключительной простотой, однако затраты на материалы пропорциональны КПД.

Эта турбина являются самой тихоходной, и как следствие, имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,18 — 0,24 и  КПД 17-18%.  Применение этих турбин экономически и технически нецелесообразно.

Ротор Горлова. Ротор состоит из нескольких лопастей аэродинамического профиля. Турбина является быстроходной, коэффициент быстроходности более 3, КПД более 38%.

Изготовление таких лопастей затруднительно в связи со сложной формой лопастей. Турбина Горлова отличается повышенным уровнем шума и инфразвука частотой 4-8 Гц, который образуется за счет наклона лопастей и срыва потока с концов лопастей.

Применение этих турбин экономически и технически  нецелесообразно.

Ротор Дарье. Представляет собой симметричную конструкцию, состоящую из двух и более аэродинамических крыльев, закрепленных на радиальных балках.

На каждое из крыльев, движущихся относительно потока, действует подъемная сила, величина которой зависит от угла между векторами скорости потока и мгновенной скорости крыла. Максимального значения подъемная сила достигает при ортогональности данных векторов.

Ввиду того, что вектор мгновенной скорости крыла циклически изменяется в процессе вращения ротора, момент силы, развиваемый ротором, также является переменным.

Поскольку для возникновения подъемной силы необходимо движение крыльев, ротор Дарье характеризуется плохим самозапуском. Самозапуск улучшается в случае применения трех и более лопастей, но и в этом случае требуется предварительный разгон ротора.

Ротор Дарье относится к ветроприемным устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, в силу этого – относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости.

Работа ротора Дарье не зависит от направления потока. Следовательно, турбина на его основе не требует устройства ориентации. Ротор Дарье характеризуется высоким коэффициентом быстроходности при малых скоростях потока и высоким коэффициентом использования энергии потока, а площадь, ометаемая крыльями ротора, может быть достаточно большой.

К недостаткам ротора Дарье также относится низкая механическая прочность и повышенный шум, создаваемый при работе.

Наиболее технологичным является  Н-образный ротор Дарье. Установка такого типа является быстроходной (коэффициент быстроходности ≥ 3), КПД достигает 0,38. Ротор Н-Дарье отличается пониженным уровнем шума и полным отсутствием инфразвука. Ветроэнергетическая установка этого типа имеет  простую конструкцию и высокую надежность.

Таким образом, вертикально-осевые ветроустановки являются более простыми и обладают еще рядом преимуществ перед горизонтально-осевыми ветроустановками.

Меньший коэффициент использования мощности ветра и КПД компенсируются отсутствием потерь энергии при изменении направления ветра.

В случае буферного аккумулирования электроэнергии, можно снизить требования к качеству выходного напряжения и применить упрощенные конструктивные решения преобразования ветрового потока в механическую энергию вращения вала (например, нерегулируемые лопасти и т.п.).

При этом требуемое качество электроэнергии в канале электроснабжения может быть обеспечено стандартными устройствами преобразования электрической энергии (например, источниками бесперебойного питания типа UPS) с аккумуляторной батареей соответствующей емкости.

Аспирантка Бабина Л.В., д.т.н. Воронин С.М. ФБГОУ ВПО «Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия», Россия

Литература

1. Дж. Твайделл, А. Уэйр. Возобновляемые источники энергии: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990 2. Соломин Е.В.Ветроэнергетические установки ГРЦ-Вертикаль // Альтернативная энергетика и экология, 2010 № 1.С. 10-15 3. Воронин С.М., Бабина Л.В. Работа ветроустановки при изменении направления ветра // Альтернативная энергетика и экология, 2010 № 1. С.

98-100 4. Беляков П. Ю., Доильницын В.В., Гончаров В.Н., Сапронов Н.В. Математическое моделирование ветроэнергетической установки с ротором циклоидного типа // Прикладные задачи электромеханики, энергетики, электроники: Труды межвузовской студенческой научно-технической конференции; Воронежский государственный технический университет. Воронеж, 2001.

Ветрогенераторы: купить вертикальный или горизонтальный?

Люди с давних времен старались использовать движение воздушных масс для получения выгоды.

Еще совсем недавно основной энергией, которая применялась для перемещения грузов по морю, была энергия ветра. Огромное количество парусных кораблей плавало по всей планете.

Во многих местах с помощью ветра качали воду, перемалывали зерно. Ветряные мельницы стали прообразом современного ветрогенератора.

Не углубляясь в теорию, принцип его действия можно объяснить так. При прохождении через турбину ветер создает вращающий момент, передающийся валом электрическому генератору, в обмотках которого возникает электродвижущая сила (ЭДС), вызывающая электрический ток в цепи при подключении нагрузки.

Турбины могут быть двух основных типов, с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

Горизонтальный ветрогенератор

• ротора, состоящего из лопастей и ступицы, на которой они закреплены;
• генератора, предназначенного для вырабатывания энергии;
• мультипликатора, который увеличивает скорость вращения ротора до величины, удовлетворяющей техническим условиям работы генератора;
• системы экстренного торможения;
• гондолы, внутри которой находятся вал, повышающий редуктор (мультипликатор), генератор и тормоз;
• системы ориентации, предназначенной для поворота оси ротора по направлению к ветру;
• мачты, предназначенной для размещения ротора и гондолы на высоте в свободном потоке воздушных масс.

По конструкции ротора горизонтальные ветровые генераторы делятся на 4 основных типа:

• с одной лопастью и балансирующим противовесом.
• с двумя лопастями;
• с тремя лопастями;
• многолопастные.

Однолопастные роторы – самые быстроходные и поэтому при их изготовлении могут использоваться более дешевые электрические генераторы.

Трехлопастный ротор является наиболее распространенным и востребованным как ветрогенератор для дома благодаря компромиссу достаточно высокой скорости вращения и приемлемому крутящему моменту.

Двухлопастные роторы занимают промежуточное положение между одно- и трехлопастными. Их особенностью является отличная балансировка и легкость  подъема ротора на рабочую высоту при проведении монтажных работ.

Многолопастные роторы самые тихоходные из применяемых для построения ветровых генераторов с горизонтальной осью вращения ротора. Их лопасти могут быть жесткими или мягкими (так называемые лопасти парусного типа).

Вертикальные ветрогенераторы

• ротор Савониуса – ветроколесо с двумя или большим количеством

полуцилиндров, вращающееся вокруг вертикальной оси;

• ротор Дарье – ветрогенератор вертикальный, сделан из2 или3 лопастей в виде тонкой полосы;
• ортогональный ротор – ветроколесо с вертикальными лопастями;
• геликоидный ротор – похож на ортогональный, с закрученными вокруг оси вращения лопастями;
• многолопастный ротор – представляет собой многолопастное ветроколесо с расположенным вокруг рядом направляющих, ускоряющих и подающих воздушный поток на лопасти.

Ветровая электростанция, построенная по схеме Савониуса очень проста в изготовлении но обладает высокой материалоемкостью. Поэтому промышленно не производится, а изготавливается любителями для личного использования.

Эффективность использования ветра невысокая. Кроме того, скорость вращения ротора низкая, поэтому нет возможности поставить эффективный высокоскоростной генератор прямо на вал.

Приходится ставить дополнительный мультипликатор с большим передаточным числом.

Ветровая электростанция, построенная с использованием ротора Дарье имеет низкую себестоимость. Эффективность невысокая, а при равномерно набегающем потоке ей вообще требуется принудительный запуск. Выпускаются промышленные изделия в небольшом количестве.

Ветровой генератор на основе ортогонального ротора один из самых эффективных видов “вертикалок”, но довольно шумный и требует повышенного внимания к себе. Сложнее других в обслуживании. Меньшее время работы опорных подшипников.

Геликоидный ветрогенератор намного менее шумный ортогонального, но сложнее в изготовлении. Из-за этого имеет высокую стоимость. Срок работы больше, чем у ортогонального.

• Многолопастные вертикальные ветрогенераторы – самые эффективные из вертикальных ветровых генераторов, но имеет высокую материалоемкость, сложность изготовления и вес ротора.
• Сравнение производителей и параметров
• В таблице представлены ветрогенераторы с горизонтальным и вертикальным ротором ортогонального типа, серийно выпускаемые известными

Мощ Ность Вт	Горизонтальный ветрогенератор	Вертикальный ветрогенератор ортогонального типа
Название	Диаметр рото ра, м	Количество лопастей	Цена, $	Название	Диаметр рото ра, м	Количество лопастей	Длина лопасти,м	Цена, $
10	Нет данных	EuroWind VS-0001	0,3	5	0,3	295
200	FD2,2 Неизввест.	2,2	3	285	EuroWind VS-002	0,8	5	1,5	2227
500	EuroWind 500W	2,5	3	1307	EuroWind VS-005	1,36	5	1,05	3659
1000	EuroWind 1000W	2,7	3	1750	EuroWind VS-01	1,8	5	2	5295
3000	WindElectric Wind 4	4,5	3	3175	EuroWind VS-03	3	5	3,6	12113
5000	WindElectric Wind 7	4,8	3	5300	EuroWind VS-05	4	5	4,6	21318

предприятиями. Из данных таблицы можно посчитать оценочную стоимость одного ватта произведенной электрической энергии для горизонтальных и вертикальных установок, чтобы определить, какие ветрогенераторы купить для вашего дома.

Итак, для горизонтальных цена меняется от 1,06 до 2,61 доллара за 1 Ватт.

Причем 1,06 – это стоимость одного Ватта производимого мощным генератором WindElectric Wind 7, а самой дорогой оказалась электрическая энергия, произведенной наименее мощной из выпускаемых брендом EuroWind пятисот ваттной установкой. При выборе надо учитывать эту особенность.

Возможно, лучше выбрать установку с запасом, т.к., чем выше генерируемая мощность, тем ниже цена одного ватта энергии. Например, устройства фирмы WindElectric Wind 4 и Wind 7 уже производят электричество по одной цене, а если выбрать более мощную модель, то цена одного Ватта электроэнергии будет еще ниже.

Теперь рассчитаем оценочную стоимость 1 Ватта произведенного вертикальными установками. Итак, для вертикальных ветрогенераторов цена меняется от 4,26 доллара при использовании самой мощной модели EuroWind VS-05 до 11,14 доллара при использовании модели EuroWind VS-002.

	Горизонтальный ротор	Вертикальный ротор ортогонального типа
Название	Цена, $	Стоимость, 1 Вт, $	Название	Цена, $	Стоимость, 1 Вт, $
10	Нет данных	EuroWind VS-0001	295	29,5
200	FD2,2 Неизввест.	285	1,43	EuroWind VS-002	2227	11,14
500	EuroWind 500W	1307	2,61	EuroWind VS-005	3659	7,32
1000	EuroWind 1000W	1750	1,75	EuroWind VS-01	5295	5,30
3000	WindElectric Wind 4	3175	1,06	EuroWind VS-03	12113	4,04
5000	WindElectric Wind 7	5300	1,06	EuroWind VS-05	21318	4,26

Конечно, стоимость так никто не считает, но оценить срок окупаемости приобретаемой установки можно довольно точно, что позволяет определить. Какие ветрогенераторы купить выгоднее для конкретного объекта.

Альтернативные источники энергии

вертикальные ветрогенераторы

Среди вертикальных ветрогенераторов можно выделить следующие группы роторов: ортогональный, Савониуса, Дарье, Геликойдный, многолопастной с направляющим аппаратом. Основным достоинством вертикальных ветрогенераторов является отсутствие необходимости ориентировать их на ветер.

Ортогональные ветрогенераторы Ортогональные вертикальные ветрогенераторы имеют вертикальную ось вращения и несколько параллельных ей лопастей, удаленных от нее на определенное расстояние.

Достоинствами ортогональных ветрогенераторов являются: отсутствие необходимости использовать в их конструкции направляющие механизмы, так как работа этих установок не зависит от направления ветра; за счет вертикально расположенного главного вала, приводное оборудование может быть расположено на уровне земли, что значительно упрощает его эксплуатацию.

Ветрогенераторы с ротором Савониуса В качестве лопастей в роторе Савониуса используются два или несколько полуцилиндров.

Для ротора Савониуса характерны высокие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях и относительно высокая технологичность его производства. В настоящее время ветрогенераторы с ротором Савониуса выпускаются в диапазоне мощностей до 5 кВт.

Ротор Савониуса, так же, часто комбинируют с ротором Дарье, для обеспечения более высоких пусковых моментов ротора Дарье.

Ветрогенераторы с ротором Дарье

Ветрогенераторы с ротором Дарье имеют вертикальную ось вращения и две или три лопасти, представляющие собой плоскую полосу, не имеющую характерного аэродинамического профиля. Достоинствами ротора Дарье являются: отсутствие системы ориентации на ветер; технологическая простота изготовления лопастей; возможность размещения приводного оборудования на уровне земли, что значительно упрощает его техническое обслуживание.

Ветрогенераторы с геликоидным ротором

Геликоидный ротор или Ротор Горлова (второе его название) является модификацией ортогонального ротора. За счет закрутки лопастей, вращение ротора является более равномерным, что значительно снижает динамические нагрузки на опорные узлы и, тем самым, увеличивает их срок службы, по сравнению с опорными узлами ортогональных роторов, однако, технология производства закрученных лопастей значительно усложняется, что сказывается на увеличении их стоимости.

Ветрогенераторы с многолопастным ротором с направляющим аппаратом

Ветрогенераторы многолопастные с направляющим аппаратом являются модификацией ортогонального ротора. Они имеют два ряда лопастей, первый ряд является неподвижным, он представляет собой направляющий аппарат, назначением которого является захват ветрового потока, его сжатие с увеличением скорости, и подача потока ветра под оптимальным углом атаки на второй ряд лопастей, представляющих собой вращающийся ротор. Достоинством этого типа ротора является его более высокая эффективность работы по сравнению с другими вертикальными ветрогенераторами; работа при низких скоростях ветра. Недостатком этого ротора является его более высокая стоимость за счет использования большого количества профилированных лопастей.

Создаем ветрогенератор Савониуса своими руками

Применение ветрогенераторов становится все более распространенным способом производства электроэнергии.

Они довольно просты, не требуют слишком значительного ухода и частых ремонтов, позволяют обеспечить электроэнергией частный дом или служат источником дополнительного питания для освещения и т.д.

Стоимость готового комплекта слишком высока, что служит поводом проявить свои конструкторские способности и заняться изготовлением ветряка своими руками. Рассмотрим одну из наиболее известных и распространенных конструкций ветрогенераторов.

Что представляет собой ротор Савониуса

Ветрогенератор или, точнее, ротор Савониуса — это конструкция с вертикальной осью вращения. Лопасти такого ротора представляют собой изогнутые плоскости, объединенные обычно по 2 шт.

Это вызвано тем, что большая площадь лопастей вызывает сильные противодействующие нагрузки, когда потоком ветра создается давление на тыльные стороны.

Создается компенсирующее давление, уравновешивающее воздействие на обе стороны лопаток, что создает трудности при запуске.

Существуют и конструкции с большим количеством лопастей, но они немного изменены — разнесены в стороны и имеют относительно небольшую площадь. Такой вариант применяется при использовании тяжелых роторов, нуждающихся в сильном крутящем моменте для работы, и разнос лопастей относительно оси создает рычаг, увеличивающий усилие вращения.

На первый взгляд, ротор Савониуса неработоспособен, поскольку задняя сторона лопастей создает сильное сопротивление вращению оси. Но это не так. Потоки ветра, попадающие на заднюю часть лопатки, благодаря ее закругленной форме мягко омывают ее и делятся на две части. Одна уходит в сторону, а другая соскальзывает на рабочую сторону второй лопасти и способствует усилению ее вращения.

Этот эффект хорошо проявляется только при 2 лопастях, расположенных диаметрально, поэтому для увеличения крутящего момента используют пары лопастей, установленных друг под другом с поворотом относительно вертикальной оси на 90°.

Особенности вертикально-осевых роторов

Вертикальные конструкции имеют меньшую эффективность по сравнению с горизонтальными. Это их основной и общепризнанный недостаток. При этом, вертикальные конструкции намного удобнее в самостоятельном изготовлении.

Они не нуждаются в системе наведения на ветер, что является обязательным для горизонтальных роторов.

Кроме того, независимость от угла атаки ветра позволяет существенно снизить вес вращающейся части, что облегчает запуск при относительно слабых ветрах.

Помимо уже известного нам ротора Савониуса распространены другие типы вертикально-осевых конструкций:

• ротор Дарье
• ротор Ленца ортогональный
• геликоидный

Обилие конструкций позволяет выбрать наиболее доступную для самостоятельного изготовления. Основная задача мастера — понять специфику избранной для повторения системы, усвоить принцип ее действия.

Все допущенные ошибки обычно выражаются трудностями при запуске вращения и большим весом ротора, который создает чрезмерную нагрузку на опорные конструкции и обладает большой инерцией покоя.

В сети имеется множество роликов с описаниями самодельных ветрогенераторов. Вот, например, репортаж о создании ротора Ленца:

Особенностью конструкции является сочетание подъемной силы лопастей, имеющих в сечении форму крыла самолета, с дополнительными уступами на внешней части лопастей, увеличивающими ветровое давление на них и усиливающими крутящий момент.

Подобных конструкций имеется немало, что подтверждает возможность создания своими руками ветрогенератора без крупных денежных вложений.

Использование автомобильного генератора

Одним из необходимых элементов ветрогенератора является собственно генератор, устройство, преобразующее энергию вращения в электрический ток.

Существуют разные пути решения вопроса, от самодельных конструкций, до использования мотор-колеса или иных готовых устройств. Одним из эффективных вариантов является автомобильный генератор. Это готовая конструкция, не нуждающаяся в каких-либо существенных изменениях или переделках.

Применение автомобильных генераторов сокращает время изготовления ветрогенератора, снимает заботу о создании генератора своими руками (часто с неясным результатом).

Приведенный видеоролик достаточно подробно и наглядно демонстрирует процесс доработки, установки и прочих действий с автомобильным генератором при создании ветряка.

Изготовление ротора Савониуса

Конструкция Савониуса, при всех своих недостатках, наиболее удобна для создания своими руками.

Она не требует создания лопастей со сложными криволинейными поверхностями или сечением, способствующим созданию подъемной силы.

Для изготовления лопастей Савониуса подойдут любые криволинейные элементы из продольно разрезанных пластиковых труб, металлических бочек, загнутых самостоятельно металлических листов.

Для изготовления ротора достаточной величины прежде всего потребуется ось вращения, установленная на подшипники.

Наиболее распространена конструкция, когда часть вала, на которой будут закреплены лопасти, выходит из проходной ступицы с подшипником и остается свободной, чтобы не создавать препятствий для движения лопаток.

Нижняя часть вала проходит через второй подшипник и оснащается шкивом для передачи вращения на мультипликатор (устройство, увеличивающее скорость вращения) или непосредственно на генератор.

Изготовление лопаток требует наличия материала.

Как уже говорилось, используются изначально загнутые элементы, или применяются стальные листы (например, из оцинкованной стали), профиль которым придается самостоятельно.

Выбор того или иного варианта — вопрос доступности или возможностей мастера, но если лопатки делаются полностью самостоятельно, то не возникает зависимости от размеров труб, бочек или иных цилиндров.

Установка лопаток производится на прямой линии, проходящей через ось вращения.

При монтаже большого количества лопаток может получиться ситуация, когда ротор находит устойчивое положение и не запускается даже при относительно большой скорости ветра, что требует приложения к нему стартового импульса.

Необходимо также следить за весом конструкции и стремиться всячески снизить его, но не в ущерб прочности. Легкая вращающаяся часть начинает движение при меньших скоростях ветра, поэтому чрезмерно увеличивать массу ротора нецелесообразно.

Рекомендуемые товары

по горизонтали Vs. Вертикальные ветряные турбины | Education

Ветровые турбины имеют две основные проектные категории: горизонтальную и вертикальную ось. Турбина с горизонтальной осью обычно имеет трехлопастной вертикальный винт, который встречает ветер лицом к лицу. Вертикальная турбина имеет набор лопастей, которые вращаются вокруг вертикальной оси. Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки и подходит для различных сред.

Направление и скорость ветра

Для правильной работы горизонтально-осевой турбине необходимо, чтобы ветер шел под прямым углом к ​​лопастям.Если он дует с направления, отличного от направления лопастей, турбина получает гораздо меньше энергии от ветра. Чтобы приспособиться к изменениям направления ветра, турбина оснащена приводом рыскания, который поворачивает установку. Однако привод медленно адаптируется к изменению направления, потому что он должен вращать всю турбину и гребной винт в сборе. В отличие от этого, вертикальная турбина хорошо работает независимо от направления ветра, что делает ее более подходящей для городских районов с высокими зданиями, где имеется заданная ветровая турбулентность.Конструкция с вертикальной осью позволяет ему работать при более низких скоростях ветра, чем это возможно с горизонтальной турбиной.

Эффективность использования энергии ветра

Горизонтально-осевые турбины преобразуют большую часть энергии ветра в полезное механическое движение, поскольку лопасти перпендикулярны направлению ветра, и лопасти улавливают энергию во всем диапазоне их движения. Для сравнения, лопасти турбины с вертикальной осью имеют недостаток эффективности, улавливая энергию ветра только с передней стороны; в задней части своего вращения они тянут за систему.

Механическая сложность и напряжение

Поскольку требуется механизм рыскания для адаптации к изменению направления ветра, турбина с горизонтальной осью механически более сложна, чем конструкция с вертикальной осью. Гироскопическое действие вращающихся лопастей турбины с горизонтальной осью создает напряжение, когда механизм рыскания поворачивается, чтобы поймать ветер. Со временем под действием напряжения лопатки и ступица турбины могут треснуть. Турбина с вертикальной осью не испытывает этого напряжения.

Подходящее место

Высокая башня и длинные лопасти горизонтальной турбины хорошо работают только на открытых пространствах.Вертикальные турбины, как правило, намного компактнее и могут быть размещены на крышах зданий и в других городских районах с меньшими ограничениями. Небольшая высота вертикального блока также делает его подходящим для мест, где ветер усиливается между зданиями или над вершинами холмов.

Предпочтение рынка

Хотя турбина с вертикальной осью имеет некоторые преимущества по сравнению с горизонтальной конструкцией, более крупные разработчики энергетики выбрали расположение с горизонтальной осью, оставив производство с вертикальной осью для мелких коммерческих операторов или частных лиц.Горизонтальная ось проще для понимания и отвечает ожиданиям того, как должна выглядеть ветряная турбина. Генераторы с вертикальной осью исторически были объектом преувеличенных заявлений, вызывающих скептицизм у потенциальных инвесторов технологии.

Ссылки

Ресурсы

Писатель Биография

Уроженец Чикаго Джон Папевски имеет ученую степень по физике и пишет с 1991 года. Он участвовал в выпуске информационного бюллетеня по нанотехнологиям от Foresight Institute «Foresight Update».Он также внес свой вклад в книгу «Нанотехнологии: молекулярные размышления о глобальном изобилии».

Ветровые турбины с вертикальной осью Преимущества и недостатки

Когда люди думают о ветряных турбинах, они часто представляют себе широкие роторы системы с горизонтальной осью. Ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT) имеет лопасти, установленные на верхней части конструкции главного вала, а не спереди, как у ротора самолета. Генератор обычно размещается у основания башни.

Применяемые реже, чем их горизонтальные аналоги, VAWT более практичны в жилых районах.Две распространенные конструкции включают турбину, которая напоминает две половинки барабана емкостью 55 галлонов, каждая из которых установлена ​​на вращающемся элементе (ротор Савониуса), и меньшую модель, которая чем-то похожа на взбиватель для яиц (модель Дарье). Чаще используются модели Савониуса, которые пропускают воздух через ступицу для вращения генератора; турбина вращается за счет момента вращения, когда воздух проходит через лопасти.

Устройство имеет два или три ножа и может быть короче и ближе к земле, чем горизонтальная система.Giromill также имеет конструкцию взбивания яиц, но имеет два или три прямых лезвия на вертикальной оси. Спиральные лопасти составляют еще одну конструкцию, напоминающую структуру, подобную ДНК. В общем, ветряные турбины с вертикальной осью имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными конфигурациями.

Преимущества VAWT

Эти турбины имеют меньше деталей, чем те, которые ориентируют поворотный механизм и лопасти по горизонтали. Это означает, что меньше компонентов изнашиваются и ломаются.Кроме того, опорная сила башни не должна быть такой большой, потому что редуктор и генератор находятся рядом с землей. Детали для управления тангажом и рысканием также не нужны.

Турбина также не должна быть направлена ​​против ветра. В вертикальной системе воздух, текущий с любого направления или скорости, может вращать лопасти. Таким образом, систему можно использовать для выработки электроэнергии при порывистых ветрах и когда они дуют постоянно.

К другим преимуществам относятся:

• Безопасность рабочих: обслуживающему персоналу не нужно подниматься так высоко, чтобы добраться до частей башни.Мало того, что VAWT короче. У них также есть основные компоненты, расположенные ближе к земле. Обслуживание генераторов, редукторов и большинства механических и электрических частей конструкции не требует масштабирования башни, поскольку они не установлены сверху. Подъемное оборудование и альпинистское снаряжение тоже не нужны.

• Масштабируемость: конструкция может быть уменьшена до небольших размеров, даже таких, как та, которая уместится на городской крыше. В городах может не хватить места для всех технологий возобновляемой энергии, но вертикальные турбины представляют собой жизнеспособную альтернативу углеводородным источникам энергии.

Кроме того, VAWT:

• Дешевле в производстве, чем турбины с горизонтальной осью.

• Более простой в установке по сравнению с другими типами ветряных турбин.

• Можно переносить из одного места в другое.

• Оснащен тихоходными ножами, снижающими риск для людей и птиц.

• Работает в экстремальных погодных условиях, с переменным ветром и даже в горных условиях.

• Разрешено там, где запрещены более высокие конструкции.

• Работают тише, поэтому они не беспокоят людей в жилых районах.

Согласно Институту инженеров-механиков, ветряные турбины с вертикальной осью больше подходят для установки в более плотных массивах. Они в 10 раз короче горизонтальных моделей, их можно сгруппировать в массивы, которые даже создают турбулентность от одной турбины к другой, что помогает увеличить поток вокруг них.Следовательно, ветер ускоряется вокруг каждого из них, увеличивая выработку энергии. Низкий центр тяжести также делает эти модели более устойчивыми для плавания в морских установках.

Основные преимущества перед горизонтальными турбинами

Вертикальная конструкция позволяет инженерам размещать турбины ближе друг к другу. Их группы не должны быть расположены далеко друг от друга, поэтому ветряная электростанция не должна занимать столько земли. Близость горизонтальных ветряных турбин друг к другу может создавать турбулентность и снижение скорости ветра, что влияет на производительность соседних агрегатов.

В отчете за 2017 год в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy , цитируемом Phys.org, отмечалось, что, хотя ветряные турбины с вертикальной осью производят меньше энергии на одну башню, они могут генерировать в 10 раз больше энергии по сравнению с сравнительная площадь земли при размещении массивами.

Недостатки VAWT

Не все лопасти создают крутящий момент одновременно, что ограничивает эффективность вертикальных систем при производстве энергии.Остальные лезвия просто проталкиваются. Кроме того, при вращении лезвия испытывают большее сопротивление. Хотя турбина может работать при порывах ветра, это не всегда так; низкий пусковой момент и проблемы с динамической стабильностью могут ограничивать функциональность в условиях, для которых турбина не была специально разработана.

Поскольку ветряные турбины расположены ниже земли, они не используют более высокие скорости ветра, которые часто встречаются на более высоких уровнях. Если установщики предпочитают возводить конструкцию на башне, их сложнее установить таким способом.Однако практичнее установить вертикальную систему на ровном основании, например на земле или на крыше здания.

Вибрация может быть проблемой и даже увеличивать шум, производимый турбиной. Воздушный поток на уровне земли может увеличить турбулентность, тем самым увеличивая вибрацию. Это может привести к износу подшипника. Иногда это может привести к большему объему обслуживания и, следовательно, к большим затратам, связанным с ним. В более ранних моделях лопасти были склонны к изгибу и растрескиванию, что приводило к выходу из строя турбины.Небольшие блоки на крышах зданий или других сооружений могут подвергаться толкающим силам, которые увеличивают поперечное напряжение, что требует постоянного обслуживания и использования более прочных и прочных материалов.

Вертикально или нет

Хотя они производят меньше энергии, чем горизонтальные турбины, ветровые турбины с вертикальной осью по-прежнему вырабатывают энергию и могут быть лучшим вариантом в зависимости от области применения. Они больше подходят для мест с ограниченным пространством и требуют меньшего количества проблем и рисков в обслуживании.Эта конструкция остается популярной, поскольку инженеры решают проблемы и находят применение в небольших установках, особенно в городских районах. Со временем у инженерных инноваций появится потенциал для повышения эффективности производства энергии VAWT и увеличения преимуществ, которые они могут предложить в различных приложениях.

Присоединяйтесь к революции чистой энергии! Узнайте о том, как ваш дом может получить выгоду от энергии ветра.

Сравнение ветряных турбин с горизонтальной и вертикальной осью

Ветровые турбины различаются по размеру и конструкции, где ориентация оси — горизонтальная или вертикальная — имеет ключевое значение.Очевидно, что в ветряной турбине с горизонтальной осью вертикальный пропеллер вращается, обращенный к ветру, горизонтально, в то время как лопасти ветряной турбины с вертикальной осью вращаются вокруг вертикальной оси, обращенной к ветру вертикально.

За годы эксплуатации стало ясно, что ветряные турбины с горизонтальной осью, или HAWT, хорошо работают на открытых площадках, в то время как VAWT имеют гораздо меньше ограничений и, следовательно, могут быть установлены на вершинах холмов и крышах в городских районах.

Общий обзор VAWT и HAWT

Для HAWT важно направление ветра, поскольку лопасти более производительны, когда ветер дует под прямым углом.Кроме того, у них обычно есть привод вращения для регулировки лопастей по направлению ветра.

Напротив, ветряная турбина с вертикальной осью не так сильно зависит от угла ветра и может работать при более низкой скорости ветра, чем средняя HAWT. Тем не менее, существует несколько конструкций ветряных турбин с горизонтальной осью, таких как ветряная турбина производства TBHAWT Manufacturing, которым удается избежать потери эффективности, поскольку они спроектированы так, чтобы оставаться эффективными даже при скорости ветра 8 м / с или менее.

Ветровые турбины с вертикальной осью стоят вертикально или перпендикулярно земле, преобразуя ветер со всех 360 градусов вокруг.Поскольку VAWT идеально подходят для городских районов, их можно использовать в местах с непостоянными ветрами или в сложных сельских районах.

Несмотря на эти факты, VAWT кажутся менее производительными, чем HAWT из-за более низкой скорости работы и последующей производительности, но они определенно являются идеальным выбором для индивидуального домашнего хозяйства с сильными ветрами турбулентности.

HAWT и VAWT, производящие электроэнергию менее 100 кВт, считаются небольшими и в основном используются на местном уровне для бытовых нужд. Однако есть некоторые конструкции HAWT с производительностью более 50 кВт, которые оказались прибыльными благодаря удачному сочетанию экономической эффективности и охвата клиентов.

Маленькие ветряные турбины, как правило, более популярны, поскольку у них меньше земельных и инвестиционных требований, чем у больших. Малые БП особенно подходят для удаленных и внесетевых областей и могут быть подключены или отключены от национальных линий электропередач.

Ветровая турбина с горизонтальной осью

Ветряная турбина с горизонтальной осью использует энергию ветра через лопасти, направленные на горизонтальную ось, параллельную земле. HAWT обращен к ветру перпендикулярно, так что лопасти ветряной турбины вращаются вслед за аэродинамическим подъемом.

WT с горизонтальной осью преобладают на рынке ветроэнергетики, поскольку их конструкция позволяет получать больше энергии за счет полного вращения лопастей с точки зрения равномерного ветрового потока. Более того, ветряные турбины с горизонтальной осью устойчивы к возврату, что также полезно при этом типе выработки электроэнергии.

Для достижения максимальной эффективности ветровые турбины с горизонтальной осью должны располагаться по направлению ветра. Если направление ветра разное, эффективность выработки энергии может время от времени значительно снизиться.

Однако этот недостаток устраняется, когда ветряная электростанция с горизонтальной осью расположена в правильно выбранном районе с постоянным однонаправленным ветровым потоком.

Небольшая ветряная турбина часто имеет ветровую лопатку для совмещения с направлением ветра, в то время как большие ветряные турбины включают измеритель рыскания, чтобы корректировать положение ветряной турбины, чтобы оно оставалось выровненным по направлению ветра. Постоянный, стабильный поток ветра важен, когда оператор ищет экономичное решение.

Ветряная турбина с вертикальной осью

Лопасти ветряной турбины с вертикальной осью вращаются перпендикулярно земле и вокруг вертикальной оси за счет использования при работе эффектов сопротивления и подъемной силы.Несмотря на отсутствие популярности по сравнению с HAWT, VAWT могут принимать и обрабатывать ветер с любого направления, поэтому они идеально подходят для городских и пригородных районов с бурными, непостоянными ветрами.

Редуктор ветряной турбины и часть ее оборудования могут быть установлены ближе к земле. Таким образом, пользователь ветряной турбины может значительно сократить расходы на техническое обслуживание, что, наряду с менее шумной конструкцией, создает более благоприятные условия для совместного проживания.

Ветровые турбины с вертикальной осью довольно чувствительны к откату из-за того, что лопасти вращаются вдоль направления ветра, в то время как им необходимо вернуться в поток ветра, прежде чем их толкнет обратно.

В конце концов, новые исследования показывают, что ветровые турбины с вертикальной осью не так уж сильно отличаются от ветряных турбин с горизонтальной осью — эффективность ветряных турбин сильно зависит от ветровых условий местности и требуемого объема выработки электроэнергии.

Вращение

При вращении лопасти HAWT получают эффекты изменчивой силы инерции и постоянной силы тяжести. Из-за этих влияний лезвия HAWT испытывают переменную нагрузку, которая снижает усталостную прочность лезвия.

Во время вращения получаемые эффекты ветряной турбины с вертикальной осью более стабильны из-за силы инерции и стабилизации силы тяжести. В этом отношении нагрузка фиксирована, поэтому усталостная долговечность VAWT больше, чем у HAWT.

Скорость ветра

Стало общеизвестным, что ветровые турбины с горизонтальной осью показывают отличные характеристики благодаря достаточной начальной скорости и постоянным ветровым потокам. Однако следует отметить, что эффективность ветряных турбин во многом зависит от конструкции конструкции.

В поддержку этой идеи Китайский центр исследований и разработок в области аэродинамики провел эксперимент с небольшой ветряной турбиной с горизонтальной осью, начальной скоростью около 5 м / с и максимальной принимаемой скоростью 5,9 м / с.

Эксперимент показал, что эта начальная скорость недостаточна для того, чтобы превзойти энергопотребление ветряной турбины, и поэтому является неудовлетворительной. В то же время другие ветряные турбины с более широким диапазоном скорости ветра, такие как упомянутый выше WTW-55 от TBHAWT Manufacturing, являются более перспективными с точки зрения коммерческого использования.

Ветровые турбины с вертикальной осью запускаются при более низкой скорости ветра, что снижает производительность. Для обеспечения разумной производительности следует выбирать ветряные турбины с вертикальной осью Н-образной конструкции — в этом случае оператор должен убедиться, что аэродинамический профиль и оптимальный угол установки точно соблюдаются. Таким образом, ветряная турбина с Н-образной структурой будет запускаться со скоростью 2 м / с.

КПД

Ветровые турбины с горизонтальной осью преобладают на рынке энергии ветра из-за их гораздо более высокого КПД по сравнению с VAWT.В свою очередь, HAWT делятся на большие и маленькие ветряные турбины, где большие WT нуждаются в просторных открытых площадках, в идеале с выходом к морю, чтобы получать больше ветра.

Небольшие ветряные турбины имеют меньше ограничений и могут использоваться как для небольших домашних хозяйств, так и для снабжения общиной или городом. Конечно, все это сильно зависит от размера ветряной электростанции — чем она больше, тем больше домохозяйств она может обслужить.

Когда дело доходит до коммерческого использования, ветровые турбины с горизонтальной осью оставляют VAWT далеко позади с точки зрения масштабирования и производительности.Будучи больше по размеру, обслуживание HAWT обходится дороже, но в то же время они производят в десять раз больше электроэнергии, чем средняя ветряная турбина с вертикальной осью.

Следует напомнить, что ветровые турбины с вертикальной осью вращения заметно неэффективны в высокоскоростных ветровых потоках из-за их крайне низких пусковых моментов и проблем с динамической стабильностью.

Ветровые турбины как с горизонтальной, так и с вертикальной осью имеют свои преимущества и недостатки. Чтобы получить большую часть этого, разработчику сначала необходимо решить, хотят ли они, чтобы ветряная турбина была закуплена самостоятельно, или же монетизировать энергию ветра, превращая ветряные турбины в стабильный долгосрочный доход.

Наизусть настоящий эколог ❤️. Основанная компания Conserve Energy Future с единственным девизом — предоставлять полезную информацию, связанную с нашей быстро разрушающейся окружающей средой. Если вы твердо не верите в идею Илона Маска сделать Марс еще одной обитаемой планетой, помните, что на самом деле во всей этой вселенной нет «Планеты Б».

Ветровая турбина с горизонтальной осью VS Ветряная турбина с вертикальной осью

Ветряная турбина с горизонтальной осью VS Ветряная турбина с вертикальной осью

Особенности строения:

Что касается ветряной турбины с горизонтальной осью, то в процессе одного круга вращения лопастей лопасти получают комбинированное воздействие силы инерции и силы тяжести, направление силы инерции может изменяться, в то время как направление силы тяжести изменяется. когда-либо стабильно, так что лезвия испытывают переменную нагрузку, что очень пагубно сказывается на усталостной прочности лезвий.Кроме того, генератор горизонтальной ветряной турбины находится на расстоянии десятков метров от земли, что доставляет немало хлопот по ремонту и обслуживанию генератора.

Что касается ветряной турбины с вертикальной осью, то в процессе вращения лопастей условия получения эффектов лучше, чем у ветряной турбины с горизонтальной осью, потому что направления силы инерции и силы тяжести всегда остаются стабильными. Следовательно, лопасти воспринимают фиксированную нагрузку, и, соответственно, усталостная долговечность больше, чем у ветряной турбины с горизонтальной осью.В то же время генератор ветряной турбины с вертикальной осью часто размещается под ротором или на земле, поэтому его легко ремонтировать и обслуживать.

Начальная скорость ветра:

Принято считать, что ветряная турбина с горизонтальной осью имеет хорошие пусковые характеристики. Но согласно эксперименту с газовой скважиной, проведенному Китайским центром исследований и разработок аэродинамики (CARDC) на малогабаритной ветряной турбине с горизонтальной осью, начальная скорость ветра обычно находится в диапазоне 4 ~ 5 м / с, а максимальная скорость ветра составляет было до 5.9 м / с. очевидно, что такие стартовые характеристики не могут быть удовлетворительными.

В области ветряных турбин также часто говорят, что ветряная турбина с вертикальной осью имеет плохие пусковые характеристики, особенно конструкция Ф ветряной турбины Дарье, которая не имеет первоначальной пусковой способности. Это также препятствие на пути развития ветряной турбины с вертикальной осью. Тем не менее, что касается H-структуры ветряка Дарье, то можно сделать противоположный вывод. Пока аэродинамический профиль и угол установки выбраны надлежащим образом, ветряная турбина может получить вполне удовлетворительные пусковые характеристики.Принимая во внимание испытание с воздушным отверстием, H-образная конструкция ветряной турбины Дарье может запускаться при скорости ветра 2 м / с, что, несомненно, предпочтительнее, чем ветряная турбина с горизонтальной осью.

Экологические проблемы:

Хотя ветер называют чистой энергией и он может быть дружественным для окружающей среды, при строительстве все большего числа крупных ветряных электростанций, некоторые экологические проблемы, вызванные ветряными турбинами, также были заметны. Эти проблемы в основном отражаются в двух аспектах: во-первых, проблема шума; во-вторых, негативное воздействие на местную экологическую среду.

Передаточное отношение конечной скорости ветряной турбины с горизонтальной осью обычно составляет примерно 5: 7, и на такой высокой скорости лопасти, разрезающие воздушный поток, будут производить громкий аэродинамический шум, а между тем многих птиц через такие высокоскоростные лопасти трудно поймать побег.

Передаточное отношение конечной скорости ветряной турбины с вертикальной осью обычно составляет 1,5: 2, что намного ниже, чем у горизонтальной модели. Такая низкая скорость вращения в принципе не может создавать аэродинамический шум и полностью приглушать шум.Преимущества немоты очевидны, потому что она решила ту трудность, что в прошлом ветряная турбина не могла быть установлена ​​в некоторых обстоятельствах, таких как городские общественные объекты, жилые районы и т. Д. В этом отношении можно понять, что вертикальный Модель будет иметь более широкую область применения, чем модель Horizontal.

Преимущества, которые дает низкое передаточное число конечных скоростей, заключаются не только в экологических преимуществах, но и в улучшении общей производительности ветряных турбин.Согласно аэродинамическому анализу, чем быстрее объект, тем сильнее влияние формы взгляда на поле течения. Когда ветряная турбина работает на открытом воздухе, лопасти неизбежно загрязняются загрязнениями, и загрязнение может фактически изменить форму лопастей. С точки зрения горизонтальной модели, даже если такое изменение лопастей является тривиальным, оно также может снизить потребление энергии. Но что касается модели Vertical, ее скорость вращения довольно низкая, поэтому она не так чувствительна к изменению формы, а это означает, что загрязнение лопастей не влияет на аэродинамические характеристики ветряной турбины.

Сравнительные параметры:

типов ветряных турбин, их преимущества и недостатки — KOHILO Wind Turbines

Ветряные турбины с горизонтальной осью, также сокращенно HAWT, являются обычным стилем, о котором большинство из нас думает, когда думает о ветряной турбине. HAWT имеет конструкцию, аналогичную ветряной мельнице, у него есть лопасти, похожие на пропеллер, вращающиеся на горизонтальной оси.

Горизонтальные ветряные турбины имеют вал главного ротора и электрический генератор наверху башни, и они должны быть направлены против ветра.Маленькие турбины указываются простой ветровой лопастью, расположенной под углом к ​​ротору (лопастям), в то время как большие турбины обычно используют датчик ветра, соединенный с серводвигателем, чтобы повернуть турбину против ветра. Большинство больших ветряных турбин имеют редуктор, который превращает медленное вращение ротора в более быстрое вращение, которое больше подходит для привода электрического генератора.

Так как башня создает турбулентность позади нее, турбина обычно направлена ​​против ветра от башни. Лопасти ветряных турбин сделаны жесткими, чтобы они не вдавливались в башню сильным ветром.Кроме того, лопасти размещаются на значительном расстоянии перед башней и иногда немного наклоняются вверх.

Машины Downwind были созданы, несмотря на проблему турбулентности, потому что им не нужен дополнительный механизм для поддержания их в соответствии с ветром. Кроме того, при сильном ветре лопасти могут изгибаться, что уменьшает их площадь движения и, следовательно, их сопротивление ветру. Поскольку турбулентность приводит к усталостным отказам, а надежность так важна, большинство HAWT работают с наветренной стороны.

Преимущества HAWT

• Высокое основание башни обеспечивает доступ к более сильному ветру на участках со сдвигом ветра. На некоторых участках сдвига ветра каждые десять метров скорость ветра может увеличиваться на 20%, а выходная мощность — на 34%.
• Высокая эффективность, поскольку лопасти всегда движутся перпендикулярно ветру, получая мощность на протяжении всего вращения. Напротив, все ветряные турбины с вертикальной осью и большинство предлагаемых конструкций воздушных ветряных турбин включают в себя различные типы возвратно-поступательных движений, требующие, чтобы поверхности аэродинамического профиля отклонялись против ветра в течение части цикла.Обратный ход против ветра ведет к снижению эффективности.

HAWT Недостатки

• Для поддержки тяжелых лопастей, редуктора и генератора требуется массивная конструкция башни.
• Компоненты ветряной турбины с горизонтальной осью (коробка передач, вал ротора и тормозной механизм) поднимаются на место.
• Их высота делает их заметными на больших территориях, нарушая внешний вид ландшафта и иногда создавая сопротивление местным жителям.
Варианты
• с подветренной развязкой страдают от усталости и структурных повреждений, вызванных турбулентностью, когда лопасть проходит сквозь ветровую тень башни (по этой причине большинство HAWT используют конструкцию против ветра, при этом ротор обращен к ветру перед башней).
• HAWT требуют дополнительного механизма управления рысканием для поворота лопастей навстречу ветру.
• HAWT обычно требуют устройства торможения или рыскания при сильном ветре, чтобы турбина не вращалась и не разрушалась или не повреждала себя.
• Циклические напряжения и вибрация — Когда турбина поворачивается навстречу ветру, вращающиеся лопасти действуют как гироскоп. Когда он вращается, гироскопическая прецессия пытается повернуть турбину в сальто вперед или назад. Для каждой лопасти турбины ветрогенератора сила минимальна, когда лопасть находится в горизонтальном положении, и максимальна, когда лопасть находится в вертикальном положении. Это циклическое скручивание может быстро привести к усталости и растрескиванию оснований лопаток, ступицы и оси турбин.

Ветровые турбины с вертикальной осью, сокращенно VAWT, имеют вал главного ротора, расположенный вертикально.Основное преимущество такой схемы заключается в том, что ветряную турбину не нужно направлять против ветра. Это преимущество на участках, где направление ветра сильно изменчиво или где бывают турбулентные ветры.

Благодаря вертикальной оси генератор и другие основные компоненты могут быть размещены рядом с землей, поэтому башня не должна поддерживать его, а также упрощает техническое обслуживание. Основным недостатком VAWT является то, что он обычно создает сопротивление при вращении против ветра.

Трудно установить турбины с вертикальной осью на башни, это означает, что они часто устанавливаются ближе к основанию, на котором они опираются, например, к земле или крыше здания.Скорость ветра ниже на меньшей высоте, поэтому для турбины данного размера доступно меньше энергии ветра. Воздушный поток вблизи земли и других объектов может создавать турбулентный поток, который может вызвать проблемы с вибрацией, включая шум и износ подшипников, что может увеличить объем технического обслуживания или сократить срок их службы. Однако, когда турбина установлена ​​на крыше, здание обычно перенаправляет ветер через крышу, таким образом удваивая скорость ветра на турбине. Если высота турбинной башни, установленной на крыше, составляет примерно 50% от высоты здания, это близко к оптимуму для максимальной энергии ветра и минимальной турбулентности ветра.

Традиционные преимущества VAWT

• Они могут производить электричество при любом направлении ветра.
• Прочная опорная опора не нужна, поскольку генератор, редуктор и другие компоненты находятся на земле.
• Низкая стоимость производства по сравнению с ветряками с горизонтальной осью.
• Поскольку для повышения эффективности нет необходимости направлять турбину в направлении ветра, нет необходимости в механизме рыскания и тангажа.
• Простая установка по сравнению с другими ветряными турбинами.
• Легко транспортировать из одного места в другое.
• Низкие затраты на обслуживание.
• Могут быть установлены в городских условиях.
• Низкий риск для людей и птиц, поскольку лезвия движутся с относительно низкой скоростью.
• Они особенно подходят для районов с экстремальными погодными условиями, например, в горах, где они могут снабжать электричеством горные хижины.

Традиционный VAWT Недостатки

• Поскольку одновременно работает только одна лопасть ветряной турбины, эффективность очень низкая по сравнению с HAWTS.
• Им нужен первоначальный толчок для запуска; этот начальный толчок, который заставит лопасти начать вращаться самостоятельно, должен быть запущен небольшим двигателем.
• По сравнению с ветряными турбинами с горизонтальной осью, они очень менее эффективны из-за дополнительного сопротивления, создаваемого при вращении их лопастей.
• Они обладают относительно высокой вибрацией, потому что воздушный поток у земли создает турбулентный поток.
• Из-за вибрации увеличивается износ подшипников, что приводит к увеличению затрат на техническое обслуживание.
• Они могут создавать шумовое загрязнение.
• VAWT могут нуждаться в растяжках, чтобы удерживать их (растяжки непрактичны и тяжелы на фермах).

---

Ветроэнергетика: ветряные турбины с вертикальной осью лучше?

Интерес к возобновляемым источникам энергии во всем мире привел к появлению целого ряда новых конструкций ветряных турбин. Некоторые из самых последних моделей на рынке — это ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT), которые, по утверждению производителей, являются тихими, эффективными, экономичными и идеальными для производства энергии в жилых домах, особенно в городских условиях.

Мы попросили Мика Сагрилло, ветерана ветроэнергетики в жилищном секторе, ответить на наши вопросы об этой технологии и ее будущем в сфере альтернативной энергетики.

На самом деле существует два разных дизайна. Один из них называется ротором Савониуса, который, по сути, если вы возьмете бочку объемом 55 галлонов и разрежете ее пополам, затем смещаете две половинки и поместите их на вращающийся вал, вы получите ротор Савониуса. Это похоже на анемометр. Многие из того, что мы видим сегодня, — это роторы Савониуса.Они очень грубые, низкотехнологичные и неэффективные. Мы говорим о чем-то, что работает, скажем, в диапазоне эффективности от 5 до 10 процентов. Люди смогли настроить коэффициент эффективности — в идеале он может достигать 15 процентов.

Еще есть модель Дарье — типа, напоминающего взбиватель яиц. По сути, у вас есть два вертикально ориентированных лезвия, вращающихся вокруг вертикального вала. Но в моделях Darrieus используется конструкция крыла. Профиль ветряной турбины работает так же, как крыло самолета.Профиль имеет плоскую и изогнутую стороны. В результате прохождения воздуха через обе стороны возникает сила, известная как «подъемная сила». Когда самолет ускоряется по взлетно-посадочной полосе, когда воздух проходит по обеим сторонам крыльев аэродинамического профиля, подъемная сила буквально поднимает самолет в воздух. Это будет продолжаться до тех пор, пока над аэродинамическим профилем будет поступательное движение для создания необходимой подъемной силы.

Ветряная турбина использует тот же принцип, но вместо того, чтобы взлетать и удаляться, аэродинамические поверхности прикреплены к ступице, которая, в свою очередь, прикреплена к валу генератора.Воздух, проходящий над аэродинамическими профилями (лопастями ветряных турбин), преобразуется во вращательный момент, который раскручивает генератор.

На роторе Дарье, поскольку крылья такие же, как у ветряных турбин с горизонтальной осью, они будут работать с такой же эффективностью. Однако разница возникает из-за того, что рабочая область турбины с горизонтальной осью всегда обращена к ветру. Но для ветряной турбины с вертикальной осью рабочая область представляет собой цилиндр, перпендикулярный воздушному потоку. Таким образом, часть «рабочей области» работает, в то время как часть просто обдувается, а не под оптимальным углом для создания подъемной силы.Это приводит к тому, что ротор ветряной турбины с вертикальной осью является менее эффективным, чем ротор с горизонтальной осью.

Все, что имеет аэродинамический профиль, в идеале может иметь КПД 59,3%. На самом деле турбина с горизонтальной осью работает где-то около 35 процентов. Турбина с вертикальной осью ниже, может быть, достигает 30 процентов, что звучит не так много, но другие факторы, такие как повышенное техническое обслуживание и меньшее производство энергии, добавляют к разнице.

Производители ветряных турбин с вертикальной осью заявляют, что они имеют меньший износ, поскольку им не нужно активно ориентироваться в направлении ветра. Это на самом деле неправда; это как раз наоборот. Существует множество претензий относительно того факта, что турбина с вертикальной осью может принимать ветер с любого направления, ну и горизонтальные турбины тоже. На самом деле VAWT вызывает больше износа. У меня на конце резинки есть резиновый шарик. Когда я медленно вращаю его, он образует круг, а если я быстро вращаю его, резинка растягивается, и он образует больший круг. Это центробежная сила. Итак, на все, что вращается и имеет массу, действуют центробежные силы.

Самое интересное в турбинах с горизонтальной осью — и это просто случайность физики — связано с тем, как профиль разработан для горизонтального положения. Наибольшая нагрузка на него приходится на основание лезвия рядом со ступицей, которое является самой прочной частью лезвия. По вертикали, если это форма взбивания яиц (вроде овала), наибольшие силы действуют в центре, а не на концах, к которым он прикреплен. Если вы сделаете лезвие прямым, оно распределяет усилие более равномерно, что и произошло в последнее время, но есть некоторые внутренние проблемы с конструкцией вертикальной оси и центробежными силами, которые действительно невозможно преодолеть.Это просто характер дизайна.

Так что на самом деле VAWT больше изнашивается. Они преодолевают это за счет улучшения дизайна. Вот почему сегодня в Соединенных Штатах вы не видите коммерчески выгодных турбин с вертикальной осью. Производители должны использовать больше материалов, а значит, больше рабочей силы. Это также означает, что вертикальная техника весит больше. У вас есть опора на каждом конце, которую нужно поддерживать, и это легко сделать на нижнем конце, но сложно сделать на верхнем.Если вы в конечном итоге поставите его на башню, вам понадобятся кабели с растяжками, которые простираются на большие расстояния, чтобы очистить ротор.

Некоторые изобретатели говорят, что его можно разместить на здании или на земле, что устраняет проблему с оттяжками. Что ж, вы можете, но им нужно вернуться и узнать что-то о гидродинамике. Причина, по которой турбины находятся на башнях, заключается в том, что именно там находится ветровой ресурс. Топливо увеличивается по мере того, как мы увеличиваем расстояние над землей. Вдоль земли у нас есть эта зона трения, и по мере того, как вы уходите от трения, вы получаете более быстрый движущийся воздух.

Войдите в здания. Почему не здание? Подумайте о флагштоке в городе, а флаг качается и меняет направление. Если вы пойдете в школу за городом, с широким открытым пространством, этот флаг просто выставлен прямо. Вы смотрите на эффект беспорядка на земле. Деревья, здания — все это создает турбулентность. Есть две проблемы с турбулентностью. Во-первых, ветер, который меняет направление, и скорость, которая увеличивается и уменьшается, приводит к значительному износу турбины, что сокращает срок ее службы.Другое дело, что у приземного ветра нет силы. Это просто хаотичное движение. Нет настоящей энергии.

Значит, наклон и подъем крыши не ускоряют и не концентрируют энергию ветра? Это подделка. Эта концепция работает и действительно верна, когда вы имеете дело с формами рельефа. Когда вы имеете дело с ландшафтом и топографией, у вас есть очень широкая открытая местность на многие мили вокруг, и у вас есть гребень, перпендикулярный ветру. Что происходит, когда ветер приближается к этому гребню, он сжимается, и поток фактически увеличивается.Когда вы имеете дело со зданием, ветер кружится и просто перекатывается через него. Они уменьшили масштаб идеи топографической гидродинамики и применили ее к зданиям. Это неточно, что хорошо подтверждено исследованиями потока. Ветер преодолевает препятствия, и когда он спотыкается, ветер не может выполнять ту работу, которую он мог бы сделать без препятствия. Вы создаете турбулентность и ухудшаете качество ветрового ресурса. Что касается ветра, мы имеем дело с количеством, да, но мы также имеем дело с качеством.Вам нужен приятный поток жидкости, а не турбулентность.

Похоже, они набирают популярность среди потребителей. Они стоят меньше? Вы знаете, это не имеет значения. Дело не в первоначальной стоимости. Речь идет о производстве энергии в течение 20–30-летнего срока службы турбины. Вертикальная технология менее эффективна — окупаемость инвестиций с точки зрения стоимости киловатт-часа не так хороша.

Дело не в спиннинге. Вы можете купить вертушку, которая вращается.На самом деле речь идет о производстве электроэнергии, причем надежно в течение многих лет. Технология вертикальной оси просто не смогла выжить на рынке.

Они привлекательны на рынке, потому что есть что-то очень привлекательное в турбине с вертикальной осью. В Европе действительно есть исследования, показывающие, что люди очарованы ветряными мельницами. Это называется частотным эффектом. Это все равно, что сидеть на берегу и смотреть, как набегают волны, или у костра, или на ветру на траве прерий.Исследования показывают, что людей больше привлекают турбины с вертикальной осью, чем с горизонтальной, по одной причине, потому что вы не видите их так часто, по другой причине, потому что вертикальные турбины не имеют движущегося хвоста, который может отвлекать, в зависимости от того, как ветер двигает его. Люди очарованы этой технологией, потому что она очень успокаивает. Есть ряд изобретателей, которые этим пользуются.

Есть лучшие модели в пути? Это зависит от обстоятельств. К сожалению, слишком много из этих вещей было создано самозваными изобретателями, людьми, не имеющими инженерного образования, физики или математики.Они просто что-то придумывают. Я знаю человека, который пришел ко мне и сказал: «Мик, я хочу сделать ротор Савониуса. Я знаю, что это нерентабельно. Но если бы человек мог сделать его достаточно недорогим, но при этом надежным, чтобы он прослужил десятилетия, как это делают горизонтальные, вы бы поддержали его? »

И ответ — абсолютно да. Меня не волнует, вертикальный он или горизонтальный. Все дело в том, что выживает, что работает, что производит электричество на протяжении десятилетий. Это фантазия, а не реальность.Речь идет о вещах, которые действительно работают, а не о том, что мы делаем вид, будто работаем или хотим работать. Так что он имел инженерное образование, но плохо разбирался в ветре. И что интересно, во-первых, конструкция превратилась из неэффективного ротора Савониуса в ротор Дарреуса, и, во-вторых, он работал над этим в течение нескольких лет с реальной инженерной фирмой, которая проводила испытания на ветер. на протяжении десятилетий. Он поступает правильно, вместо того, чтобы настраивать его и выдвигать диковинные заявления.Он привлек внимание NREL, которые, как и я, скептически относятся к вертикальным технологиям. Они собираются взять одну из этих турбин, чтобы проверить это. И я действительно рад этому, потому что он начал с мечты, получил образование, нанял нужных людей. Потому что его идея заключалась в том, чтобы сделать что-то достаточно надежное и недорогое, чтобы компенсировать коэффициент эффективности, и я думаю, что у этого парня может что-то есть. Я искренне думаю, что через год или два мы можем увидеть коммерческий продукт, который действительно работает и работает около 20 лет, как и должно.

Итак, мы наконец увидим некоторые показатели производительности? В этом вся моя особенность: никто из них не умеет. Вот эта новая технология, и мы хотим, чтобы вы ее купили. Мы хотим, чтобы вы финансировали это. Я говорю: «Хорошо, пришлите мне производственные показатели, потому что речь идет не о вертикали, а о надежности, стоимости киловатт-часа и о том, сколько киловатт-часов турбина будет вырабатывать за месяц или год». Но они не могут вам это прислать. Потому что они не проверяли это, или они проверяли это, но результаты плохие, или они не знают, как это проверить, и так далее.Это нелепо. Если вы обратитесь к компаниям, имеющим хорошую репутацию на рынке малых ветроэнергетических установок, они получат информацию о производительности или производстве. Могут предложить кривую мощности — и что? Кривая мощности похожа на кривую мощности вашего автомобиля, она совершенно не имеет отношения к реальности. Что вам нужно знать, так это сколько вы получаете миль на галлон? Вы продаете эту штуку за 20 000 или 30 000 долларов и не можете позволить себе поставить на нее оборудование на 500 долларов для контроля за ее производством? Для меня это несколько удивительно.

Они менее шумные? Нет. Я слышал об очень тихих станках и слышал об очень шумных станках как с горизонтальной, так и с вертикальной осью.

Есть ли какие-либо ситуации , в которых вертикальная модель была бы лучшим выбором, чем горизонтальная? Не сегодня. Просто потому, что нет ничего надежного, нет ничего рентабельного, нет результатов в производительности, нет реальности. Это могло измениться.

Суть в том, что ветряные турбины с вертикальной осью менее эффективны, и для их изготовления требуется больше материалов и труда.Это чистая экономика. Вещи добиваются успеха на рынке, потому что номер один — они работают, а во-вторых, они рентабельны. Если у вас есть технология, которая более рентабельна и надежнее, чем конкурирующие технологии, конкуренция исчезнет с рынка. С коммерческой точки зрения именно это и произошло. В начале 1980-х мы действительно видели коммерческую ветряную турбину, разработанную DOE и Alcoa, которая использовалась в ветряной электростанции на перевале Альтамонт. Они поддерживали их работу в течение долгого времени, пока не кончились деньги инвесторов, они не могли справиться с обслуживанием, не говоря уже о том, чтобы заставить их производить достаточно энергии.Итак, они все исчезли. Есть много утверждений о теории заговора. «Это подавленная конструкция и т. Д.» Нет, они существуют уже 80 лет, и это просто потрясение на рынке.

---

Первоначально опубликовано: февраль / март 2008 г.

по горизонтали или вертикали? Вопрос об ориентации оси ветряной турбины

Споры о том, лучше ли использовать энергию ветра с помощью устройств с горизонтальной осью или с помощью устройств с вертикальной осью, бушевали тысячи лет.Даже то, как развивались технологии, является предметом споров.

Считается, что первые практические ветряные мельницы были построены в Систане, Афганистан, начиная с седьмого века. Ветряные мельницы с длинными вертикальными карданными валами и прямоугольными лопастями из шести-двенадцати парусов, покрытых тростниковой циновкой или тканевым материалом, вероятно, использовались еще раньше, в древней Персии — где-то между 200 г. до н.э. и 500 г. н.э. — в основном для измельчения зерна. Первое зарегистрированное использование ветряных мельниц с горизонтальной осью было во Франции и Англии в 12 веке, но историки не могут решить, была ли афганская конструкция с вертикальным валом преобразована в ветряную мельницу с горизонтальным валом, используемую по всей Европе.

В современном ветроэнергетическом секторе разработчики ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) породили сотни так называемых «революционных» концепций, но VAWT едва ли повлияли на рынок ветроэнергетики. В течение многих лет противники VAWT — как правило, заядлые сторонники ветроэнергетики — говорят, что сектор был испорчен отрывочными «изобретателями», которые на протяжении многих лет навязывали потребителям неэффективные технологии, угрожая уверенности рынка в ветроэнергетическом секторе в целом.

«Всегда найдется еще один изобретатель с супер-модной новой ветряной турбиной и легковерная публика, которая им поверит», — написал в прошлом году эксперт по ветроэнергетике Пол Гип.

В открытом письме к «изобретателям» VAWT относительно «технологических прорывов» ветра на крышах, опубликованном в информационном бюллетене Американской ветроэнергетической ассоциации (AWEA) за 2008 год (том 27, № 3), защитник малой ветроэнергетики Мик Сагрилло аналогичным образом предупредил потенциальных покупателей тщательно проверять диковинные концепции. «Почему любой заслуживающий доверия человек в индустрии малых ветряных турбин просто закатывает глаза при каждом новом заявлении о новой технологии ветряных турбин?» он спросил. Это не потому, что «производители обычных ветряных турбин» сговорились исключить «угрожающие инновации и конкуренцию с вертикальной осью», — сказал он.«За исключением тех немногих, кто инвестирует и [теряет] свои деньги на таких« изобретениях », [эти утверждения] только сбивают с толку общественность и заставляют ее скептически относиться к законным ветряным турбинам и производителям».

Дорога к доверию

Сагрилло рекомендовал поставщикам VAWT проверить свои концепции или кривые мощности технологий в национальных лабораториях или проверить отраслевые группы, такие как Совет по сертификации малых ветряных турбин (SWCC), который удостоверяет, что малые ветряные турбины соответствуют требованиям AWEA Small Wind Turbine Performance and Safety. Стандарт.

Стремясь завоевать доверие, все больше и больше фирм по борьбе с насилием в отношении женщин делают именно это. Национальная лаборатория Айдахо (INL) поддерживает TR-10 VAWT компании Blackhawk Project LLC (рис. 1), самозапускающуюся систему, прототипы которой мощностью 1,5 кВт имеют крылья, похожие на крылья вертолета, известные как крылья, которые вращаются параллельно земле. Аналогичным образом, устройство Windspire Energy из Невады проходит испытания в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии.

1. Blackhawk. Прототип ветряной турбины мощностью 1,5 кВт с крыльями, напоминающими вертолет, проходит испытания в Национальной лаборатории Айдахо. Предоставлено: Blackhawk Project

Горстка производителей VAWT также требует сертификации SWCC, в том числе UrWind для своей модели O2 на основе лифтов Darrieus. А в феврале 2010 года компания Urban Green Energy (UGE) из Нью-Йорка заявила, что она первая фирма в США, специализирующаяся на VAWT, которая сертифицировала кривые мощности своих турбин третьей стороной после того, как испытания были завершены на 600 Вт, 1. -кВт и 4-кВт (рисунок 2) в соответствии со стандартами IEC-61400-12 (выработка электроэнергии), IEC-61400-11 (уровни шума) и ISO-2631 (уровни вибрации).

2. Городское зеленое VAWT. Чтобы завоевать доверие в секторе, изобилующем преувеличенными заявлениями, нью-йоркская компания Urban Green Energy стала первой фирмой VAWT в США, которая сертифицировала кривые мощности своих турбин третьей стороной. Предоставлено: UGE

Тем временем разработчики и сторонники VAWT проводят кампанию в пользу этого типа технологии, осуждая предположения, что VAWT не так эффективны, как обычные ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT). Утверждая, что VAWT предлагает несколько преимуществ перед HAWT, они призывают к прикладным исследованиям конструктивных характеристик различных VAWT.Поскольку VAWT может принимать ветер с любого направления, они могут работать в турбулентных и переменных ветровых условиях намного лучше, чем конструкции HAWT.

Помимо того, что они проще и дешевле в сборке, их легче масштабировать, они требуют меньше обслуживания, чем HAWT, и производят меньше шума, считают сторонники. И, по их словам, поскольку VAWT могут получать энергию ветра практически в любом месте, используя более доступные материалы и менее современные и сложные материалы, они могут быть построены большим количеством людей в большем количестве мест — преимущества, которые должны способствовать их повсеместному развертыванию.

Галерея проектов ветряных турбин

Следуют другие изображения VAWT и HAWT, а также некоторые модели, которые попадают в новые категории.

3. DeepWind. В октябре прошлого года консорциум из 12 международных партнеров во главе с национальной лабораторией Дании Risø DTU запустил четырехлетний проект по испытанию VAWT на шельфе Дарье. Для получения дополнительной информации о конструкции Дарье см. « Changing Winds: The Evolution of Wind Turbines ». Предоставлено: Risø DTU

4.