Принцип работы ветроэнергетических установок и их типы

 

При возможности взаимодействии воздушного потока с лопастями ветроколеса возникают соответствующие силы. Так если обозначить скорость воздушного потока V0, а скорость лопасти V, то результатом этого взаимодействия будет скорость потока относительно лопасти, которую обозначим Vc .

Принцип работы ветроэнергетических установок и их типы

При этом взаимодействия возникают:

а) сила сопротивления Fc (drag force), параллельная вектору относительной скорости набегающего потока Vc ;

б) подъемная сила (lift force) Fn , направленная перпендикулярно силе Fc. В отличии от самолетов эта сила не поднимает ВЭУ, а заставляет вращаться ветроколесо;

в) завихрение обтекающего лопасти потока воздуха, в результате которого возникает закрутка воздушного потока за ветроколесом, т.е. его вращение относительно вектора скорости набегающего потока V0;

г) турбулизация потока воздуха, т.е. хаотическое распределение скорости отдельных его частей по величине и направлению. При этом турбулентность возникает как перед лопастью, так и после неё;

д) препятствие для набегающего потока.

Последнее свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением, которое равно отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку (плоскость вращения лопастей) к ометаемой ими площади. Коэффициент геометрического заполнения прямо пропорционален количеству лопастей.

Ветроэнергетические установки классифицируются по многим признакам: конструкции ветроколеса, положению его оси вращения по отношению к поверхности земли; принципу действия; скорости вращения и т.д. По расположению оси вращения ветроколеса ветроустановки делятся на горизонтально-осевые и вертикальноосевые.

 

Горизонтально-осевые ВЭУ

Практически все они пропеллерного типа. Вращающей силой этих ВЭУ является подъемная сила (lift). Относительно вектора скорости ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед башней (up wind) или после неё (down wind).

Горизонтально-осевые ВЭУ

В первом случае ("на ветер") ВЭУ должно иметь устройство, удерживающее её в этом положении. В качестве таких устройств служат: флюгер или хвостовик (для малых ВЭУ), виндрозный механизм - небольшое многолопастное колесо "уходящее" из-под ветра и тем самым автоматически устанавливающее основное ветроколесо на ветер (для ВЭУ мощностью до 250 кВт); электрический или гидравлический механизм, приводимый в движение датчиком направления скорости ветра.

Во втором случае ("под ветер") ветроколесо устанавливается автоматически, силой лобового давления, но при этом оно частично затеняется башней и гондолой, которые турбулизируют поток, снижая тем самым эффективность использования энергии ветра. Все современные мощные ВЭУ ориентированы "на ветер".

По числу лопастей ветроустановки бывают одно, двух, трех и многолопастные.

лопастьлопасти (рис. 2)лопасти (рис. 3)много лопастей

В электроветрогенераторах используются обычно одно-, двух- и трехлопастные колёса. Работами датских ученых было показано, что для мощных ВЭУ наиболее целесообразными являются 3-х лопастные ветроколеса, обеспечивающие плавность вращения и минимизирующие моменты воздействующие на ось ветроколеса.

Многолопастные ветроколеса развивают больший начальный момент при слабом ветре, поэтому используются для подъема воды. В них через кривошипный механизм вал ветроколеса связан со штангой поршневого насоса, чем и объясняется необходимость большого начального момента трогания. При увеличении скорости ветра эффективность таких ветроколес существенно снижается. В свою очередь все горизонтально-осевые ВЭУ по направлению вращения ветроколеса делятся на вращающиеся по часовой стрелке (clockwise) и против часовой стрелки (anti clockwise), если стать лицом к ветроколесу. Выбор направления вращения определяется в основном конструктивными решениями механизмов поворота лопастей и редуктора.

 

Вертикально-осевые ВЭУ

Такого рода ВЭУ не требуют ориентации на ветер и в этом их существенное преимущество. Второе преимущество - возможность располагать все механизмы внизу, а стало быть отсутствие необходимости сооружения мощной башни.

Кроме того, в общем случае у таких установок значительно ниже вибрация по сравнению с горизонтально-осевыми такой же мощности.

Вертикально-осевые ВЭУ

Однако у них имеются и принципиальные недостатки:

а) гораздо большая подверженность усталостным разрушениям, из-за часто возникающих автоколебательных процессов;

б) пульсация крутящего момента приводящая к пульсациям мощности и других параметров генераторов;

в) как показали последние результаты испытаний ВЭУ типа Даррье и Н-ротора мощностью 5 МВт, главной слабостью является подпятник- подшипник главного вала ВЭУ.

Именно благодаря его разрушению прекращены попытки сооружения мощных ВЭУ с вертикальной осью. Хотя разработки ВЭУ небольшой мощности успешно продолжаются.

 

Элементы конструкции ветроустановок

При кажущейся простоте ветроустановки, особенно средней и большой мощности, являются примером оборудования, вобравшего многие последние достижения науки и техники.

Приведем лишь некоторые примеры.

Наиболее ответственной частью ВЭУ, определяющей в значительной степени эффективность её работы, являются лопасти ветроколеса, имеющие в современных мощных ВЭУ длину 30-50 м. Представить себе изделие длинной в половину футбольного поля не так-то просто. Этому изделию необходимо обеспечить устойчивость от усталостных напряжений, поскольку она подвергается воздействию изменяющегося момента, во время одного оборота от минимума (нижнее положение лопасти) до максимума (верхнее положение лопасти). При этом срок службы должен составлять 20 лет.

Основные трудности в технологии изготовления лопасти состоят в необходимости обеспечения расчетного профиля лопасти, изменяющегося по длине. Кроме того в лопасть необходимо "вмонтировать" проводник молниеотвода, а также обеспечить прохождение тока молнии помимо подшипника. Лопасть снабженная механизмом поворота, иногда действующего на поворот всей лопасти или её конечной части. Для лопасти используются самые современные материалы (пластик, углепластик), обеспечивающие прочность и минимально возможный вес.

Другим примером использования высоких технологий является система управления ВЭУ. Установка полностью автоматизирована с использованием самой современной элементной базы и компьютерной техники и программ. Все основные операции совершаются без участия человека.