Юрий Почанин - Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 3. Монтаж и сервис ветроустановок

Рис.12 Вертикально-осевая конструкция ротора

С точки зрения исследователя, существенным отличием вертикально-осевой ВЭУ от горизонтально-осевой является то, что для ВЭУ с вертикальной осью вращения аэродинамический момент, вращающий ротор, зависит не только от угловой скорости ротора, но и от значения угла поворота по отношению к направлению скорости ветра. Современная волна интереса к вертикально-осевым ВЭУ объясняется рядом объективных причин: практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ (как концептуально, так и технически – более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно), относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО ВЭУ при значительно более простой конструкции, не требуют в большинстве случаев наведения на ветер и относительно низкий уровень шумов и вибраций. Вертикальные роторы без последствий переносят резкие порывы ветра, вплоть до бури. Нормально работают в условиях снегопадов и обледенения. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система начинает работать при скорости ветра в 2-2,5 м/с. Они выходят на номинальную мощность при скорости всего 3-4 м/сек. Доступность разнообразных мест установки ветрогенератора. Это могут быть крыши зданий, платформы, осветительные столбы или передвижные бытовки. Бесшумность движения вращающихся деталей, при любом ветре. Без флюгерной системы, ВЭУ легко ловит разнонаправленный ветер. Относительно небольшая рабочая скорость вращения, до 200 оборотов в минуту, продлевает работоспособность всех подшипников механизма, увеличивает срок между обслуживаниями установки. Минимальное количество движущихся элементов и неподвижно закрепленный внизу генератор установки. Это упрощает его осмотр и обслуживание без прекращения работы. Вертикальная ВЭУ позволяет использовать любой низовой ветер, турбулентность, сквозняк вдоль улицы или между многоэтажками. Возможность применения ВЭУ в местах нестабильного снабжения электроэнергией или там, где она отсутствует вообще. Ветроэлектрическая установка удобно располагается в местах, где запрещены высокие строения. Возможность применения конструкций меньших размеров, рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. К недостаткам систем с вертикальной осью относятся: из-за потерь на вращении против потока воздуха эффективность работы большинства ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза ниже, чем с горизонтальной, некоторые элементы системы находятся внизу и соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут быть невозможны без демонтажа всей конструкции, если такое не предусмотрено конструкцией конкретного генератора. Запоздалое освоение осевых вертикальных ветроустановок вызывается рядом причин: – осевые вертикальные ветроустановки изобретены были несколько позже осевых горизонтальных установок (в 1929 году – ротор Савониуса, в 1931 году – ротор Дарье, в 1975 году – ротор Масгроува); – основным недостатком осевых вертикальных ветроустановок до последнего времени ошибочно считалась невозможность получения для них соотношения более единицы линейной максимальной лопастной скорости к ветровой скорости (для осевых горизонтальных ветроустановок такое соотношение составляет более 5:1). Данная предпосылка, верна лишь для роторов тихоходного типа (ротор Савониуса), которые используют разные сопротивления лопастей при своем движении против ветра и по ветру, привела в итоге к неправильным теоретическим выводам о более низком предельном коэффициенте употребления энергии ветра у осевых вертикальных ветроустановок, чем у осевых горизонтальных. Именно из-за этого, разработка осевых вертикальных ветроустановок не велась практически сорок лет. Только в 60-70-х годах было доказано экспериментами, изначально канадскими, а затем английскими и американскими специалистами, что данные выводы к роторам Дарье неприменимы, которые используют подъемную мощь лопастей. Для таких роторов, максимальное соотношение рабочих органов линейной скорости к ветровой скорости составляет 6:1 и может быть выше, а коэффициент применения энергии ветра ничем не ниже коэффициента осевых горизонтальных ветроустановок. Интенсивно осваивать осевые вертикальные ветроустановки стали в начале 80-х годов, при этом область распространения их мощностей расширяется беспрерывно. На сегодняшний день, уже почти все страны используют осевые вертикальные ветроустановки с ротором типа Дарье, например в США, Канаде, Нидерландах отдается предпочтение схеме классической, с лопастями криволинейными, а в Румынии и Великобритании, основной схемой числятся роторы с лопастями прямыми, которые параллельны вращающейся оси (крупная установка VAWT-2400, ротор диаметром в 67 метром, мощность 1.7 МВт). Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов – повышающий редуктор, не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем откуда дует ветер, что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. К ВЭУ, использующие силу сопротивления, можно отнести установки, использующие парусные ветроустановки и ветротурбины чашечного типа. Человечество использует паруса уже много тысяч лет и будет служить людям до тех пор, пока дует ветер. Парусные ветроустановки очень чувствительны, они работают с самого низа диапазона скоростей ветра, начиная буквально от штиля, с 1-2 метров в секунду, а это намаловажный фактор в условиях, где ветер редко бывает больше 3-5 метров в секунду. Еще одним достоинством парусных ветроустановок является удивительная простота его конструкции. Они практически разрабатываются в двух вариантах: с круговыми парусными лопастями и с круговым парусным колесом. Ветрогенераторы первого исполнения используют парусные лопасти треугольной формы. Форма треугольника подбирается индивидуально, в зависимости от силы ветра в данной местности. Во многих случаях из-за простоты используют заваленный прямоугольный треугольник, рис.13, хотя для промышленного изготовления более технологичными будут парусные лопасти в виде равнобедренных треугольников, рис.14. К ступице прикреплены «мачты», обычно из от 8 до 24-х. А от мачт отходят косые паруса из прочной тонкой материи, как правило, синтетической. Другая часть паруса крепится шкотами, которые выполняют и роль регуляторов угла поворота парусов и роль противоштормовой защиты.