Страница 6 из 9
Рис.13 Ветрогенератор с круговыми парусными лопастями
Рис.14 Ветрогенератор с круговым парусным колесом.
Не вдаваясь в подробности аэродинамики, можно сказать, что парусные ветроустановки одни из самых простых, но в тоже время одни из самых неэффективных. КИЭВ парусного ветряка не может быть выше 20% даже теоретически. Это означает, что вы будете получать только 1/5 часть мощности ветрового потока, попадающего на лопасти парусной установки. Например, если ветер дует со скоростью 5 м/с, а установка 5 метров в диаметре, то мощность ветрового потока будет около 1500 Вт, реально можно снять с установки только 300 Вт (в лучшем случае). Таких недостатков лишен парусный ветрогенератор с парусным колесом, разрабатываемый и производимый фирмой Saphon Energy (Тунис). В генераторе Saphonian лопасти и вращающиеся части отсутствуют, рис.15.
Рис.15 Парусный ветрогенератор Saphonian
С помощью воздушных клапанов парус ветрогенератора совершает возвратные высокочастотные колебательные движения. При помощи механической системы эти колебания воспринимаются поршнями гидравлической системы, которые преобразуют энергию получаемой энергии в давление несжимаемой жидкости. Именно энергия давления этой жидкости и используется в дальнейшем для вращения вала электрогенератора. КИЭВ генератора Saphonian в 2 раза превышает эффективность лопастных парусных генераторов. И хотя, строго говоря, Saphonian не представляет собой парусный ветрогенератор в «чистом» виде, его принцип работы заслуживает самого широкого рассмотрения и внедрения. Ветротурбина чашечного типа, рис.16, также использует силу давления ветра. Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими, подъемную силу крыла.
Рис.16 Ветротурбина чашечного типа
2.2. Ветроустановка с горизонтальной осью вращения
В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру. Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей. По геометрии ветроколеса можно выделить установки многолопастные (18-24) с большим геометрическим заполнением и с малым заполнением (1-3 лопасти). Геометрическое заполнение представляет собой отношение суммарной площади всех лопастей к площади круга, очерчиваемого вращающимися лопастями. Как правило многолопастные агрегаты отличаются малой скоростью вращения, но даже при низкой скорости ветра способны развивать большой крутящий момент, необходимый для привода различных рабочих органов – насосов для перекачки воды и других устройств. Одно- трехлопастные роторы вращаются с большой скоростью и соединяются главным образом с электрогенераторами. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника. Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине. В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 и более метров. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров. На рис.17 представлена ветроустановка с горизонтальной осью вращения. Такие ветроустановки имеют следующие основные достоинства: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность, благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру. Однако, для этого требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения. Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.
Рис.17 Ветроустановка с горизонтальной осью вращения
Пути повышения энергетических показателей ВЭУ заключаются или в увеличении коэффициента использования энергии ветра, или в увеличении площади ометаемой ветродвигателем поверхности непропорционально большим относительно оптимальной мощности электрогенератора. Последний вариант влечёт за собой некоторое удорожание ВЭУ. Одним из направлений повышения эффективности ВЭУ является разработка роторного ветродвигателя, работа которого основана на эффекте возникновения подъемной силы во вращающемся в ветровом потоке цилиндра вокруг своей оси, нормальной к ветровому потоку (эффект Магнуса). Ветроколесо роторной установки вместо традиционных лопастей имеет в своем составе вращающиеся цилиндры или конусы, принудительно вращающиеся от вспомогательного привода, что позволяет получить получить энергию при более низких скоростях ветра, рис.18.
К преимуществам систем с горизонтальной осью вращения относятся следующие:
– изменяемый шаг лопаток турбины позволяет использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона,
– высокая мачта позволяет преобразовывать энергию ветра на большем расстоянии от земли, так как с увеличением высоты на каждые 10 м скорость ветра на 20% и соответственно увеличивается энергоэффективность ветроустановки,