Дудников В.С.

Днепропетровский национальный университет

 

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ  АНАЛИЗ  ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВЫХ  И  ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫХ  ВЭУ

 

В разрабатываемых установках на базе ротора Дарье свойственные ему недостатки либо нейтрализуются разного рода конструктивными контрмерами, либо попросту игнорируются с аргументацией, что они хорошо окупаются простотой конструкции, работа которой не зависит от направления ветра.

Во встречающихся в литературе сравнительных оценках работы ротора Дарье и его модификаций с работой горизонтально-осевых пропеллерных установок выделяется именно симметричность ротора Дарье относительно направления ветра, сопровождаемая смыслом - значительное упрощение конструкции ветроагрегата в целом.

В некоторой литературе прогнозируется наибольшее применение вертикальных агрегатов в слаборазвитых и развивающихся странах, не владеющих современной технологией. Основанием для такого прогноза выставляется именно их конструктивная и эксплуатационная простота.

Действительно, отсутствие необходимости в поворотных уст­ройствах и системах является серьезным основанием для сравни­тельных оценок вертикально-осевой и горизонтально-осевой схем, однако анализ экспериментальных данных и имеющийся к настояще­му временя опыт проектирования показывает, что это - не единственный оценочный параметр.

Вертикально-осевые и пропеллерные ветроэлектрические установки (ВЭУ) - принципиально разные решения, многие ха­рактеристики которых не повторяются и,  кроме независимости ра­боты от направления ветра, вертикально-осевые ВЭУ обладают ря­дом других принципиальных особенностей, которые с точки зрения выбора предмета разработки и освоения можно рассматривать как не менее важные.

Ниже приведены некоторые оценочные соображения относи­тельно традиционной горизонтально-пропеллерной установки и вертикально-осевой установки типа Дарье с прямыми лопастями.

Оптимальная эффективность от горизонтально-пропеллерных ВЭУ достигается только при условии обеспечения постоянной кол­линеарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует введения в конструкцию механизмов и систем для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальной энергетикой, поворота ветро­колеса и удержания его в этом направлении.

Значительным снижением надежности и повышением амортиза­ционных издержек горизонтально-пропеллерные ВЭУ обязаны именно этому свойству. По данным эксплуатации зарубежных ВЭУ горизон­тального типа до 13% отказа приходится на систему ориентации.

Для ВЭУ повышенной мощности необходимо учитывать также возможность снижения эффективности работы системы ориентации не только за счет возросшей инерционности, но также и вследствие неравенства и некомпланарности ветров по высоте колеса.

Изменение силы и направления ветра по высоте колеса при­водят к неоднозначности команд на поворот гондолы и существен­ному снижению выработки электроэнергии.

Система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой и башней, чем обуславливает возможность появления крутильных колебаний, а также различий в частотных характеристиках под­вижной и неподвижной частей конструкции, что усложняет общую картину собственных частот отдельных агрегатов и в конечном счете также влияет на снижение надежности работы установки.

Место разрыва жесткой связи между гондолой и башней тре­бует внимания также в части передачи электроэнергии с вращаю­щегося вместе с гондолой генератора к выходам на потребителя, поскольку для того, чтобы избежать скручивания силовых шин, необходимо либо ограничивать угол поворота гондолы, например углом 180° в обе стороны, либо вводить токосъемник. В этом и другом случае в конструкцию вводятся дополнительные усложне­ния, повышающие опасность появления отказов.

Кориолисовы силы инерции, возникающие при повороте гон­долы с вращающимся ветроколесом, достигают существенных значе­ний и требуют учета при проектировании, в частности, опор­но-подшипниковых узлов.

В вертикально-осевых установках ось вращения ветротурбины можно  принимать за ту вертикаль, вокруг которой вращается в любой данный момент  времени поле горизонтальных составляющих сил ветра, а поиск в этом поле наиболее эффективного направле­ния теряет смысл и ветроустановка, в связи с этим, становится независимой от направления скоростей ветра, по крайней мере от направления их горизонтальных составляющих.

Независимость от направления ветра, свойственная верти­кально-осевым  турбинам любого принципа работы, для турбин, ра­ботающих на эффекте подъемной силы, возникающей при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, имеет особое значе­ние, поскольку они, благодаря отсутствию сложных и громоздких поворотных устройств, характеризуются в современном понимании как наиболее перспективные с точки зрения массового изготовле­ния ВЭУ с повышенной эффективностью.

Все пропеллерные турбины любой мощности в принципе могут быть выполнены с начальным моментом вращения (моментом за­пуска), не равным нулю, т. е. самозапускающимися.

Первые турбины выполнялись с непрерывной регулировкой ша­га винта в зависимости от скорости ветра и для целей запуска имели начальное или пусковое положение лопастей, в которое они выставлялись из флюгерного (конечного, тормозного) положения перед запуском.

Аэродинамические исследования по оптимизации профиля ло­пастей показали, что требуемые энергетические характеристики могут быть получены за счет соответствующего профилирования лопастей при условии поддерживания постоянной частоты враще­ния, обеспечиваемой электрической сетью. Поэтому, в целях уп­рощения систем управления, все чаще и чаще переходят к трехпозиционному управлению шагом винта: пусковому, рабочему и флю­герному. Для самозапуска лопасть поворачивается в положение пускового угла, для ограничения момента вращения и предотвра­щения разгона - во флюгерное положение, а в рабочем режиме ло­пасть находится на угле постоянного заклинивания.

В дальнейшем лопасти с оптимальным по эффективности, но не  самозапускающимся профилем жестко закрепляются на втулке при постоянном угле заклинивания, противоразгонная защита обеспечивается поворотом концов лопастей на требуемый угол, а запуск осуществляется от сети кратковременным переводом гене­ратора в режим двигателя. При такой схеме турбины отпадает не­обходимость в сложной системе поворота лопастей, причем, в случае правильного подхода к выбору формы профиля динамические характеристики турбины не ухудшаются.

Таким образом, несмотря на то, что момент трогания гори­зонтально-пропеллерных турбин принято считать не равным нулю и что они не требуют для запуска внешних источников энергии или устройств, на практике оказывается, что этим свойством пренеб­регают, предпочитая ему упрощение системы управления поворотом лопастей за счет выполнения их профиля в энергетически опти­мальном, но не самозапускающемся исполнении.

По-видимому, такой подход к самозапуску горизонтально-пропеллерных  турбин естественен, поскольку турбина запуска­ется, если она с той или иной точностью направлена на ветер, при боковом же ветре она может не запуститься.

Момент трогания вертикально-осевых турбин, вообще говоря, практически недостаточен для самозапуска. Самозапуск этих турбин может произойти только при ветрах, близких к расчетной скорости, а при малых ветрах - в случае порывов определенного типа.

Большинство находящихся в эксплуатации вертикально-осевых турбин сетевого исполнения нуждаются в постоянных источниках энергии для запуска и разгона, хотя известны технические реше­ния, обеспечивающие самозапуск путем подбора геометрических параметров лопастей. Турбины же автономного исполнения нуждаются во вспомогательных малых турбинах, принципиальная аэроди­намическая схема работы которых обеспечивает появление момента трогания, как, например, в роторе Савониуса.

Максимально возможное теоретическое значение коэффициента использования энергии ветра идеальных ветротурбин, работающих на эффекте подъемной силы, возникающей при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, равен 0,592 или 0,687 в за­висимости от принятия математической модели процесса.

К настоящему времени, по подсчетам специалистов, достиг­нутые на горизонтально-пропеллерных установках значения коэф­фициента использования энергии ветра составляет 0,35 – 0,4. Объем экспериментальных данных по отечественным вертикаль­но-осевым турбинам невелик, однако доказано, что достижение значения 0,4 - вполне реальная задача. Этот факт подтвержден систематическими аэродинамическими испытаниями по вертикальной турбине в трубах ЦАГИ.

Таким образом, коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-пропеллерных и вертикально-осевых турбин нахо­дятся, по-видимому, на одном уровне.

Здесь необходимо отметить, что упомянутые значения коэф­фициента на горизонтально-пропеллерных турбинах достигаются при высоких значениях быстроходности (5 модулей и выше), тогда как вертикально-осевая турбина имеет такой уровень эф­фективности при значительно более низких быстроходностях. Для всех известных экспериментов, в том числе и для тех, которые были направлены на поиск средств достижения максимально воз­можного коэффициента использования энергии ветра, быстроход­ность не превышала 3-х единиц.