Kitabı oku: «Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 3. Монтаж и сервис ветроустановок», sayfa 2

Глава 2. Классификация ветроэнергетических установок

Трудно найти другую область науки и техники, где было бы зарегистрировано столько же патентов на конструкции ветроэнергетических установок, а в особенности конструкций ветроколёс (ВК). Дадим такую укрупнённую классификацию конструкций ВК:

–использующие подъёмную силу – Y;

–использующие силу сопротивления X.

1. Использующие подъемную силу. Данные ВЭУ преобладают в мировой ветроэнергетике, т.к. могут развивать линейную скорость конца лопасти (совпадает с направлением действия подъёмной силы Y), значительно больше скорость ветрового потока V. Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло представлен на рис.3. В аэродинамический каплевидный профиль сечения лопастей ветроколеса и ветроротора под воздействием ветрового потока обеспечивает подъемную силу на лопастях за счет возникновения разности скоростного течения ветровых струй вдоль их плоскостей. Преобразование подъемной силы лопастей и, соответственно, крутящего момента на приводном валу ветроколеса или ветроротора в механическую энергию обеспечивается редуктором-мультипликатором, а затем, при необходимости, электрогенератором в электроэнергию

Ветроколеса современных ветроагрегатов собираются из нескольких лопастей, закрепленных на втулке. Лопасти имеют аэродинамический профиль, при обтекании которого возникает подъемная сила, вращающая ветроколесо. Расчет и проектирование ветроколеса базируется на законах аэродинамики, изучающей движение воздуха и его взаимодействие с поверхностью крыла при его обтекании.

Рис. 3 Прямоугольник аэродинамических сил, действующих на крыло

Верхний и нижний контуры сечения крыла имеют различную конфигурацию. Проходя у нижнего контура крыла, поток воздуха замедляется из-за трения. В этой части создается зона повышенного давления. Огибая более протяженный верхний контур, поток ускоряется и над крылом создается зона пониженного давления. Разность давлений под крылом и над ним обуславливает возникновение подъемной силы R и вращающего момента на ветроколесе.

В свою очередь ВЭУ, использующие подъёмную силу, могут быть классифицированы по:

1.ориентации оси вращения ВК;

2.положению ВК относительно всей конструкции.

Большинство типов ветродвигателей делятся на две группы:

– ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2-5),

– ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)), рис.4.

.

Рис.4 Типы ветродвигателей

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями представлены на рис. 5.

2.1. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Ветроколесо в установках с вертикальной осью вращается вокруг оси, перпендикулярной направлению потока. Данные механизмы наделены рядом существенных особенностей перед ветряками с горизонтальной осью. У них нет как таковых узлов под ориентирование на ветровой поток. Из-за своего строения, при абсолютно любом направлении ветра, конструкция располагается в абсолютно произвольном положении, ввиду чего, она более проста в своём исполнении. В подобных механизмах возникновение вращения создаёт подъемная сила лопастей, а также силы сопротивления.

Рис.5 Основные компоненты ВЭУ с горизональными и вертикальными осями

Такие установки появились в 30-х годах прошлого столетия. Наиболее известными из них являются ротор Дарье с изогнутыми лопастями, рис. 6 а, ротор Савониуса, рис.6 б, ортогональные ветроустановки с прямыми вертикальными лопастями (ротор Масгрува), рис.6 в.

Рис.6 Ветроустановки с вертикальной осью вращения

лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Многочисленные конструкции с вертикальной осью вращения объединяются в основные группы:

– ветрогенератор с ротором Дарье,

– ортогональное устройство;

– генератор на роторе Савониуса;

– многолопастная конструкция с направляющими элементами;

– геликоидный ротор;

–вертикально-осевая конструкция ротора.

Ветрогенератор с ротором Дарье выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала, рис.7.

Рис.7 Схема работы ветровой турбины Дарье

Работа ветровой турбины Дарье основана на принципе вращения лопастей вокруг оси. Кинетическая или внутренняя энергия рабочего тела (газа или жидкости) преобразуется в механическую работу. У ротора Дарье ось вращения расположена перпендикулярно потоку источника энергии. Принцип работы конструкции ротора Дарье основан на разности аэродинамических показаний. Благодаря этому обеспечивается вращение лопастей механизма. После того как образовалась циркуляция потоков воздуха, устройство начинает вращаться бесперебойно. На каждое крыло по отдельности воздействует сила подъема относительно воздушного потока. Показатели этой силы зависят от угла, который образовывается между лопастью и величиной скорости потока ветра. Момент силы, который образуется в момент запуска, носит переменный характер, а не постоянный. Существует три типа ротора Дарье, рис. 8: классический, лопасти имеют форму полумесяца, их размер достаточно большой, сравним с длиной основной оси; тип Н, три крыла его имеют прямую форму, которые расположены под прямым углом относительно горизонтальных опор, и находятся на верхнем отсеке конструкции; винтообразный тип, лопасти, которого изготовлены в виде изогнутых спиралей. Ротор Н-образного типа быстроходен, эффективен с полным отсутствием инфразвука, прост в сборке и ремонте, дешевле и, поэтому распространен в применении. Он надежней классической ветровой турбины Дарье. Лопасти винтообразного типа изготовлены в виде изогнутых спиралей, которые расположены на верхнем отсеке несущей оси вращения. Благодаря закрученной форме крыльев, вращение ротора происходит равномернее, поэтому нагрузка на несущие узлы снижается, а срок службы механизма увеличивается.

Рис.8 Типы ротора Дарье

Достоинством роторов Дарье являются самостоятельная ориентация на направление воздушного потока; основной вал привода располагается вблизи уровня земли, что создаёт удобство в его обслуживании; простая кинематическая схема конструкции. Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы, так как она самостоятельно запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю. Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна, поэтому он стоит дорого. Для обеспечения работы бытовых электростанций чаще всего используется ротор Савониуса-Дарье. Такое название носит ветровая турбина, совмещенная с ротором Савониуса, который выступает в роли стартёра (устройства запуска). Комбинированная конструкция отличается большей мощностью и производительностью по сравнению с «чистыми» типами. Область применения механизма не ограничивается только электростанциями – он может быть совмещен с тепло генератором и быть использован в системе теплоснабжения. А еще такой гибрид соединяют с насосами и применяют для закачки и откачки воды. Каждый из трех типов имеет свои недостатки. Классическая ветровая установка обладает меньшей эффективностью. Установке с ротором Дарье необходимы генераторы. Самостоятельно она запускаться и раскручиваться не может. При сильных, ураганных порывах ветра механизм может начать функционировать самостоятельно, при этом процесс трудно поддается контролю. Устройство Н-образного типа легкое в эксплуатации, но быстро изнашивается из-за больших аэродинамических нагрузок. Спиральный ветрогенератор за счет своей конструкции надежней, но технология его изготовления сложна. 2.Генераторы с ротором Савониуса. Этот вид генератора имеет довольно широкое использование для качественного функционирования бытовых электростанций. По своей конструкции подобный ротор является ветроколесом с несколькими полуцилиндрами, которые непрерывно вращаются вокруг своей оси, рис.9

.

Рис.9 Генератор с ротором Савониуса

3.Генераторы на многолопастном роторе с направляющими элементами. Этот вид генератора считается самым функциональным из вертикальных роторов. Подобная производительность достигается путём использования дополнительного ряда лопастей. Надо признать, что они более сложны в изготовлении, но они и самые эффективные из всех рассмотренных ветрогенераторов. Их ротор состоит из двух рядов лопастей. Наружный ряд лопастей закреплен неподвижно, но с некоторым углом поворота к центру оси, рис.10.

Рис.10 Многолопастной ротор

Это создает постоянное направление ветра, проходящего сквозь наружный ряд лопастей. Щели между наружными лопастями уплотняют и усиливают поток воздуха, который давит на внутренний, движущийся ряд лопастей. За счет этой конструкции ВЭУ, она начинает крутиться от легкого ветерка со скоростью 0,2 метра в секунду. Его номинальная мощность достигается всего при 3 м/сек.4.Генераторы с геликоидным ротором, рис.11. Ветряки с геликоидным ротором, имеют второе свое название: ротор Горлова. Фактически это модификация ортогонального ветрогенератора с закрученными лопастями и их винтовым сечением. В этом случае механизм ВЭУ движется более плавно, а опорные подшипники генератора не испытывают вредных разнонаправленных сил. За счет этого вся механика становится более долговечной. Но производство сложных винтовых лопастей делает эту ВЭУ дороже чем простые ортогональные ветрогенераторы.

Рис.11 Геликоидный ротор

5. Вертикально-осевая конструкция ротора. Конструкция ветродвигателя, использует для создания крутящего момента комбинацию подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления. В установке, приведенной на рис.12, ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Дарье до необходимой быстроходности.

Рис.12 Вертикально-осевая конструкция ротора

С точки зрения исследователя, существенным отличием вертикально-осевой ВЭУ от горизонтально-осевой является то, что для ВЭУ с вертикальной осью вращения аэродинамический момент, вращающий ротор, зависит не только от угловой скорости ротора, но и от значения угла поворота по отношению к направлению скорости ветра. Современная волна интереса к вертикально-осевым ВЭУ объясняется рядом объективных причин: практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ (как концептуально, так и технически – более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно), относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО ВЭУ при значительно более простой конструкции, не требуют в большинстве случаев наведения на ветер и относительно низкий уровень шумов и вибраций. Вертикальные роторы без последствий переносят резкие порывы ветра, вплоть до бури. Нормально работают в условиях снегопадов и обледенения. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (система начинает работать при скорости ветра в 2-2,5 м/с. Они выходят на номинальную мощность при скорости всего 3-4 м/сек. Доступность разнообразных мест установки ветрогенератора. Это могут быть крыши зданий, платформы, осветительные столбы или передвижные бытовки. Бесшумность движения вращающихся деталей, при любом ветре. Без флюгерной системы, ВЭУ легко ловит разнонаправленный ветер. Относительно небольшая рабочая скорость вращения, до 200 оборотов в минуту, продлевает работоспособность всех подшипников механизма, увеличивает срок между обслуживаниями установки. Минимальное количество движущихся элементов и неподвижно закрепленный внизу генератор установки. Это упрощает его осмотр и обслуживание без прекращения работы. Вертикальная ВЭУ позволяет использовать любой низовой ветер, турбулентность, сквозняк вдоль улицы или между многоэтажками. Возможность применения ВЭУ в местах нестабильного снабжения электроэнергией или там, где она отсутствует вообще. Ветроэлектрическая установка удобно располагается в местах, где запрещены высокие строения. Возможность применения конструкций меньших размеров, рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. К недостаткам систем с вертикальной осью относятся: из-за потерь на вращении против потока воздуха эффективность работы большинства ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти в два раза ниже, чем с горизонтальной, некоторые элементы системы находятся внизу и соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут быть невозможны без демонтажа всей конструкции, если такое не предусмотрено конструкцией конкретного генератора. Запоздалое освоение осевых вертикальных ветроустановок вызывается рядом причин: – осевые вертикальные ветроустановки изобретены были несколько позже осевых горизонтальных установок (в 1929 году – ротор Савониуса, в 1931 году – ротор Дарье, в 1975 году – ротор Масгроува); – основным недостатком осевых вертикальных ветроустановок до последнего времени ошибочно считалась невозможность получения для них соотношения более единицы линейной максимальной лопастной скорости к ветровой скорости (для осевых горизонтальных ветроустановок такое соотношение составляет более 5:1). Данная предпосылка, верна лишь для роторов тихоходного типа (ротор Савониуса), которые используют разные сопротивления лопастей при своем движении против ветра и по ветру, привела в итоге к неправильным теоретическим выводам о более низком предельном коэффициенте употребления энергии ветра у осевых вертикальных ветроустановок, чем у осевых горизонтальных. Именно из-за этого, разработка осевых вертикальных ветроустановок не велась практически сорок лет. Только в 60-70-х годах было доказано экспериментами, изначально канадскими, а затем английскими и американскими специалистами, что данные выводы к роторам Дарье неприменимы, которые используют подъемную мощь лопастей. Для таких роторов, максимальное соотношение рабочих органов линейной скорости к ветровой скорости составляет 6:1 и может быть выше, а коэффициент применения энергии ветра ничем не ниже коэффициента осевых горизонтальных ветроустановок. Интенсивно осваивать осевые вертикальные ветроустановки стали в начале 80-х годов, при этом область распространения их мощностей расширяется беспрерывно. На сегодняшний день, уже почти все страны используют осевые вертикальные ветроустановки с ротором типа Дарье, например в США, Канаде, Нидерландах отдается предпочтение схеме классической, с лопастями криволинейными, а в Румынии и Великобритании, основной схемой числятся роторы с лопастями прямыми, которые параллельны вращающейся оси (крупная установка VAWT-2400, ротор диаметром в 67 метром, мощность 1.7 МВт). Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов – повышающий редуктор, не эффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем откуда дует ветер, что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. К ВЭУ, использующие силу сопротивления, можно отнести установки, использующие парусные ветроустановки и ветротурбины чашечного типа. Человечество использует паруса уже много тысяч лет и будет служить людям до тех пор, пока дует ветер. Парусные ветроустановки очень чувствительны, они работают с самого низа диапазона скоростей ветра, начиная буквально от штиля, с 1-2 метров в секунду, а это намаловажный фактор в условиях, где ветер редко бывает больше 3-5 метров в секунду. Еще одним достоинством парусных ветроустановок является удивительная простота его конструкции. Они практически разрабатываются в двух вариантах: с круговыми парусными лопастями и с круговым парусным колесом. Ветрогенераторы первого исполнения используют парусные лопасти треугольной формы. Форма треугольника подбирается индивидуально, в зависимости от силы ветра в данной местности. Во многих случаях из-за простоты используют заваленный прямоугольный треугольник, рис.13, хотя для промышленного изготовления более технологичными будут парусные лопасти в виде равнобедренных треугольников, рис.14. К ступице прикреплены «мачты», обычно из от 8 до 24-х. А от мачт отходят косые паруса из прочной тонкой материи, как правило, синтетической. Другая часть паруса крепится шкотами, которые выполняют и роль регуляторов угла поворота парусов и роль противоштормовой защиты.

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,

– высокая эффективность благодаря тому, что ветроколесо всегда направляется перпендикулярно ветру, используя весь поток воздуха.

.

Рис.18 Роторная ветроустановка

К основным недостаткам систем с горизонтальной осью вращения относятся:

– необходимость высоких массивных мачт (свыше 100 м) и длинных лопастей, которые трудно транспортировать, в результате расходы на транспортировку и монтаж могут достигать 20% стоимости всего оборудования,

– для сооружения промышленных ветрогенераторов большой мощности требуется специализированное оборудование и высоко квалифицированные сотрудники, поэтому их производство осуществляется в ограниченном количестве стран,

– из-за их размеров наблюдаются возмущения в радиосигналах и связи,

– необходимость в установках системы направления оси на ветер.