Різні види та типи вітрогенераторів
Для початку давайте домовимося, що говорячи про вітродвигуни ми маємо на увазі ту частину вітро-силової установки (ЗСУ), яка перетворює енергію вітру на енергію обертального руху. Вітродвигун рухається вітром, він безпосередньо або за допомогою якогось передавального механізму пов'язаний з валом, обертання якого приводить в дію обладнання, що виконує корисну роботу (наприклад, генератор або водяний насос). Часто вітродвигун називають ротором або вітроколесом.
У цій нотатці ми розповімо про основні типи вітродвигунів. Дилетанту, який вперше зіткнувся з вітроенергетикою, не просто зробити правильний вибір з безлічі типів таких установок.
Компас вибору
Для скромних апетитів підходящим вибором буде так званий ортогональний вітрогенератор, який може підійти до застосування в тій місцевості, де бувають дуже слабкі подихи вітерця. Він має кілька паралельних до осі лопат, розташованих на деякій відстані від неї. (Див. фото).
Отже, вітрогенератори за своїм виглядом різняться за:
- кількості лопатей,
- матеріалам, з яких виготовлені лопаті,
- розташування осі обертання до поверхні землі,
- крокової ознаки гвинта.
За кількістю лопатей вони бувають одно-двох-трьох і багатолопатеві. Останні починають своє обертання при найменшому русі повітря, але застосовні лише для таких цілей, де сам факт обертання важливий, а не електроенергія, що виробляється. Тобто вони незамінні, скажімо, при перекачуванні води з глибоких колодязів.
За матеріалами, з чого виготовлені лопаті, розрізняють жорсткі та вітрильні вітрогенератори. Вітрильні набагато дешевше за жорсткі, зроблені зі склопластику, або з металу, але в ході експлуатації можназамучитися ремонтувати їх.
За розташуванням осі обертання до поверхні ґрунту розрізняють горизонтальні вітрогенератори та вертикальні. Їхні відмінності настільки делікатні, що за різних умов вони змінюються місцями у своїй перевагі. З вертикальною віссю вітряки відразу схоплюють найменші подихи вітерця, не вимагають флюгера, але менш потужні, ніж горизонтальні.
За кроковою ознакою гвинта вітрогенератори бувають із змінним і фіксованим кроком. Змінюваний крок, безперечно, дає можливість збільшити швидкість обертання, але яка конструкція! Вона складна, збільшує вагу вітряка, тобто вимагатиме зайвих витрат. Куди простіший і надійніший фіксований крок. Такий, коротко, ваш компас, щоб не заблукати у виборі.
Потрібно ще навести список деяких термінів та скорочень, які будуть використані надалі
- КИЕВ – коефіцієнт використання енергії вітру. У разі застосування для розрахунку механістичної моделі плоского вітру (див. далі) він дорівнює ККД ротора ветросилової установки (ЗСУ).
- ККД – наскрізний ККД ЗСУ, від вітру, що набігає, до клем електрогенератора, або до кількості накачаної в бак води.
- Мінімальна робоча швидкість вітру (МРС) – швидкість його, коли він вітряк починає давати струм у навантаження.
- Максимально допустима швидкість вітру (МДС) – його швидкість, при якій вироблення енергії припиняється: автоматика або відключає генератор, або ставить ротор у флюгер, або складає його і ховає, або сам ротор зупиняється, або ЗСУ просто руйнується.
- Стартова швидкість вітру (ССВ) – при такій швидкості ротор здатний провернутися без навантаження, розкрутитися і увійти в робочий режим, після чого можна включати генератор.
- Негативна стартова швидкість (ОСС) – цеозначає, що ЗСУ (або ВЕУ – вітроенергетична установка, або ВЕА, вітроенергетичний агрегат) для запуску за будь-якої швидкості вітру вимагає обов'язкового розкручування від стороннього джерела енергії.
- Стартовий (початковий) момент – здатність ротора, примусово загальмованого в потоці повітря, створювати крутний момент на валу.
- Вітродвигун (ВД) – частина ЗСУ від ротора до валу генератора чи насоса, чи іншого споживача енергії.
- Роторний вітрогенератор - ЗСУ, в якій енергія вітру перетворюється на момент обертання на валу відбору потужності за допомогою обертання ротора в потоці повітря.
- Діапазон робочих швидкостей ротора – різниця між МДС та МРС під час роботи на номінальне навантаження.
- Тихохідний вітряк - у ньому лінійна швидкість частин ротора в потоці значно не перевищує швидкість вітру або нижче її. Динамічний напір потоку безпосередньо перетворюється на тягу лопаті.
- Швидкохідний вітряк – лінійна швидкість лопат істотно (до 20 і більше разів) вище швидкості вітру, і ротор утворює свою власну циркуляцію повітря. Цикл перетворення енергії потоку в складний тягу.
Два види, два суперники
Як вже було зазначено, у продажу поки що існують вітрогенератори двох видів (за розташуванням валу обертання до поверхні землі) – горизонтальні та вертикальні. Поговоримо спочатку про вертикальні.
Вітросилові установки (ЗСУ) з вертикальною віссю обертання мають незаперечну для побуту перевагу: їх вузли, що вимагають обслуговування, зосереджені внизу і не потрібне підйом нагору. Там залишається, і то не завжди, упорно-опорний самовстановлюваний підшипник, але він міцний і довговічний. Тому, проектуючи простий вітрогенератор, вибір варіантів потрібно починати з вертикалок.
Ротор Савоніуса
Ротор Вороніних-Савоніуса, або для стислості, ВС, це, як мінімум, два напівциліндри на вертикальній осі обертання (див. фото). І який би напрям вітру не був, як би різко він не змінював своїх поривів, такий вітряк спокійно обертатиметься навколо своєї осі, виробляючи енергію. Це єдина і головна перевага вертикального вітряка перед горизонтальним.
А головна його нестача – низьке використання вітрової енергії. Пояснюється це тим, що лопаті-напівциліндри працюють тільки в чверть обороту, а решту кола обертання вони ніби гальмують своїм рухом швидкість обертання. Розрахунки показали, що при цьому використовується лише третина вітрової енергії.
Примітка: дволопатевий НД не крутиться, а смикається ривками; 4-лопатевий лише трохи плавніший, але багато втрачає в КИЕВ. Для покращення 4-«коритні» найчастіше розносять на два поверхи – пару лопатей унизу, а інша пара, повернена на 90 градусів по горизонталі, над ними. КИЕВ зберігається, і бічні навантаження на механіку слабшають, але згинальні дещо зростають, і за вітру понад 25 м/с у такої ЗСУ на держаку, тобто. без розтягнутого вантами підшипника над ротором, зриває вежу.
Вертикальні вітрогенератори з ротором Дар'ї
1931 року французький конструктор Жорж Дар'є (George Darrieus) запропонував свій варіант ротора, який має від двох і більш плоских лопатей. Він ще простіше, ніж сонце: лопаті - з простої пружної стрічки без будь-якого профілю. Простий у виготовленні та монтажі, але з малою ефективністю – КИЕВ – до 20%.
Теорія ротора Дар'ї ще недостатньо розроблена. Зрозуміло тільки, що він починає розкручуватися за рахунок різниці аеродинамічного опору горба ікишені стрічки, а потім стає начебто швидкохідним, утворюючи власну циркуляцію. Обертальний момент малий, а в стартових положеннях ротора паралельно і перпендикулярно вітру взагалі відсутня, тому саморозкручування можливе тільки при непарній кількості лопатей (крил?) У будь-якому випадку на час розкручування навантаження від генератора потрібно відключати.
Гелікоїдний ротор
Ще один вид вітрогенератора з вертикальною віссю обертання - з гелікоїдним ротором. Він здатний рівномірно обертатися завдяки закрутці лопатей. Позитивність: зменшує навантаження на підшипник і збільшує термін служби. Але через складну технологію занадто дорогий. (Див. малюнок).
І, нарешті, існують вітрогенератори з багатолопастним ротором. Це один із найефективніших типів із розряду вертикальних вітрогенераторів. (Див. малюнок).
Вітрогенератори з горизонтальною віссю
Переходимо до опису горизонтальних вітрогенераторів. За кількістю лопатей їх поділяють на одно-двох-трьох і багатолопатеві. Переваги горизонтальних – вищий ККД проти своїми вертикальними суперниками. Недолік: необхідність улаштування флюгера для постійного пошуку напрямку вітру. Крім того, при повороті до вітру швидкість обертання знижується, що зменшує ККД.
Головна перевага однолопатевих - високі обороти обертання. У них замість другої лопаті встановлена противага, що мало впливає на опір руху повітря, що дає можливість використовувати їх для генераторів з високими обертами обертання. А це дозволяє зменшити масу та габарити всієї установки. (Див. малюнок однолопатевої ВЕУ).
Дволопатеві ВЕУ мало чим відрізняються за потужністю з однолопатевими і розглядати їх більш докладно не має сенсу.
Трилопатевігоризонтальні вітряки – найпоширеніші на ринках збуту. Їхня потужність на виході може досягати семи мегават.
Як курку перетворили на страуса
Хто не в курсі, що вітрові установки використовують як додаткове джерело? Усі в курсі. Але як завжди, людству цього здалося мало, курку намагаються перетворити на страуса і, уявіть собі, фігурально кажучи, таке вдається. В результаті невпинних пошуків з'явилися нові типи вітрогенераторів, які здатні виробляти електрику ... без лопатей. А є й такі, що обходяться навіть без повітря та вітру! Нині докладніше.
Поршні приводять у дію гідросистему, яка виробляє електрику. Така споруда не має ані шестерень, ані передавачів і майже не шумить. ККД набагато вищий, ніж у класичного вітрогенератора. Крім іншого, витрати при експлуатації наполовину нижчі, ніж у звичних установок. Країна народження такого проекту – Туніс.
Але й цього виявилося замало! У Португалії вирішили не вдаватися до вітрових послуг, а використати морську воду. Адже море постійно рухається, хвилюється, іноді штормить, але ніколине зупиняється. В наявності кінетична енергія пропадає задарма.
І п'ять років тому, за кілька кілометрів від берега, на води Атлантичного океану було спущено установку, яка дає більше 2 мегават електроенергії, що цілком вистачає для освітлення понад півтори тисячі будинків.
Схематичний пристрій такий. Споруда складається з трьох секцій, між якими є поршні. Усередині секцій вмонтовано гідродвигуни та генератори. Принцип роботи простий до неподобства. Секції гойдаються на хвилях, які їх згинають, що надає руху гідропоршні. Ті тиснуть на масло, воно надходить у гідравлічні двигуни і далі рух передається на генератори. Все електроенергія пішла на берег.
Зараз працює три секції, до них планують приєднати ще 25 таких конверторів і тоді проектна потужність морської установки збільшиться до 20 мегават, що дасть можливість забезпечити струмом близько 15000 будинків.
Тепер ви вірите в те, що з курки можна створити справжнього страуса!
Поплавкові електростанції конструюють у всьому світі, в тому числі і в Україні.