Аспирантка Бабина Л.В., д.т.н. Воронин С.М.

ФБГОУ ВПО "Азово-Черноморская государственная агроинженерная

академия", Россия

Анализ ветроустановок с вертикальной осью вращения для электростанций малой мощности

 

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) малой мощности предназначены для автономного и резервного электроснабжения.

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 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 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 (рисунок 1).

Скорость ветра 5,5м/с, радиус ветроколеса 1м.

Рисунок 1 – 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. Конструкция ротора Горлова приведена на рисунке 2. 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 (рисунок 3). 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 (рисунок 4). 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.

 

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.