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.
- При наличии ветра электроэнергия поступает потребителю или для заряда аккумуляторных батарей.
- Данная установке в комплекте (выпрямительно-зарядное устройство, батарея аккумуляторов, инвертор, станция управления) работает как электростанция в автоматическом режиме без обслуживающего персонала.
- Учитывая, что генерация электроэнергии данного ветроагрегата не зависит от направления ветра и оборудование, размещенное на фундаменте, дает заметное преимущество перед традиционными горизонтально-пропеллерными ветрогенераторами.
- 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.
- 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
|
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.