Типы ветроэнергетических установок

Ветряные мель­ницы

Исторически первым стационарным агрегатом, использующим энергию ветра, была ветряная мель­ница, которая вручную ориентировалась на ветер. Основным ее рабочим органом являлось многоло­пастное колесо с горизонтальной осью вращения, устанавливаемое по направлению ветра. Такие вет­родвигатели широко применялись в средние века и в последующем для размола зерна, подъема и перекачки воды, а также для привода некоторых производств. Крупные ветряные мельницы завод­ского изготовления при высоких скоростях ветра могли развивать мощность до 60 кВт. В XIX веке число ветряных мельниц на территории России превышало 200 тысяч, их суммарная мощность составляла примерно 1,3 млн. кВт, а в 1930 г. в СССР их насчитывалось более 800 тыс. штук.

Ветроколеса крыльчатых ветроустановок: 1 — много¬лопастное, 2 — трехлопастное, 3 — двухлопастное, 4 — однолопастное с противовесом

В настоящее время известно много различ­ных типов ветряных мельниц — ветроэнергетических установок (ВЭУ). Широкое распространение имеют ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения. Среди них наиболь­шее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса. Вращающий момент ветроколеса создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным пото­ком. В результате кинетическая энергия воз­душного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса.

ветряных мельниц ветряных мельниц
[adsense_id=»1″]
Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, про­порциональна квадрату его диаметра и кубу скоро­сти ветра. По классической теории Н.Е. Жуковского для идеального ветроколеса коэффициент исполь­зования энергии ветра £ = 0,593. То есть идеаль­ное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэф­фициента использования энергии ветра доходит до 0,45-0,48, а у тихоходных — до 0,36-0,38.
Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность Z, представляющая отношение ско­рости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быст­роходности двухлопастного колеса — 5-7, трехлопас­тного — 4-5, шестилопастного — 2,5-3,5. ветряных мельниц

Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зави­сит от числа лопастей. Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости ветра и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощ­ности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты.

Мощность ВЭУ, как отмечалось, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может состав­лять 20 — 30% от номинальной и менее.

При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких к.п.д. на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают,кроме того, большие реактивные токи, которые необ­ходимо компенсировать. Для исключения этого недо­статка в некоторых ВЭУ применяют 2 генератора с номинальными мощностями 100 и 20 — 30% от номи­нальной мощности ВЭУ. При слабых ветрах первый генератор отключается. В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при понижен­ных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра. ветряных мельниц

Установка ветроколеса на ветер, т.е. перпендику­лярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности — посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках — специальной системой ориенти­рования, получающей управляющий импульс от датчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки. Механизм виндроз пред­ставляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плос­кости вращения основного колеса, работающих на при­вод червяка, поворачивающего платформу головки вет­родвигателя до тех пор, пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра.

Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться перед башней и за ней. В последнем случае лопасть подвергается пос­тоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновре­менно значительно повышает уровень шума. Для регулирования мощности и ограничения частоты вращения ветроколеса применяется ряд способов, в том числе поворот лопастей или их части вокруг своей продольной оси, а также закрылки, клапаны на лопастях и другие способы. ветряных мельниц

Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса явля­ется то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому зна­чению коэффициента использования энергии ветра, ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение.

Ротор Савониуса: а) двухлопастный, б) четырехлопастный

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса.

Вращающий момент воз­никает при обтекани ротора Савониуса потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора Савониуса. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра — всего 0,1 — 0,15. ветряных мельниц
[adsense_id=»1″]

Ветроэнергетические установки (Дарье) с верти¬кальным ротором: а — Ф-образный, б — Л-образ- ный, в — с прямыми лопастями. 1 — башня (вал), 2 — ротор, 3 — растяжки, 4 — опора, 5 — передача вращающего момента

В последние годы в ряде зарубежных стран, особенно в Канаде, начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье, предложенным во Франции в 1920 г. Этот ротором Дарье имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространс­твенную конструкцию, которая вращается под дейс­твием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30 — 0,35. В последнее время проводятся разра­ботки роторного двигателя Дарье с прямыми лопас­тями.

Ветряные мельницы с вертикального типа

Главным преимуществом ветроустановок(роторов) Дарье является то, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упро­щает конструкцию. Однако серьезным органическим недостатком этих ветродвигателей является значи­тельное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора Дарье, циклично повторяющееся при работе.

Это может вызывать усталостные явления и приводить к разрушению элементов ротора Дарье и серь­езным авариям, что должно учитываться при констру­ировании ротором Дарье (особенно при больших мощностях ВЭУ). Кроме того, для начала работы их требуется раскрутить.

Зависимости коэффициента использования энер­гии ветра £, от быстроходности Z для различных ветряных мельниц приведены на рисунке.

Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра £ от быстроходности ветроколеса Z: 1 — идеальное крыльчатое ветроколесо; 2,3 и 4 — двух¬, трех- и многолопастные крыльчатые ветроколеса; 5 — ротор Дарье; 6 — ротор Савониуса; 7 — четырехло- пастное ветроколесо датской мельницы

Видно, что наибольшее значение £ имеют двух- и трехло­пастные колеса с горизонтальной осью вращения. Для них высокое £ сохраняется в широком диапазоне быстроходности Z. Последнее существенно, так как ветроустановкам приходится работать при скоростях ветра, изменяющихся в больших пределах. Именно поэтому установки этого типа получили в последние годы наибольшее распространение.

ветряная мель­ница

[adsense_id=»1″]