Выбор типа ветроустановки

В современное время, в мировом парке эксплуатации более 90 процентов составляют осевые горизонтальные (пропеллерные) установки. Опоздание в освоении 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).

Примеры наших работ

Посмотреть полный каталог работ

Данная предпосылка, верна лишь для роторов тихоходного типа (ротор Савониуса), которые используют разные сопротивления лопастей при своем движении против ветра и по ветру, подвела 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).

Эффективность ветроустановки и направление ветра.

Максимальная действенность осевых горизонтальных ветроустановок достигается лишь с условием обеспечения стабильной коллинеарности оси ветрового колеса и направления ветра. Надобность ориентирования на ветер претендует на наличие ветроустановки в структуре механизмов и систем ориентирования на ветер для беспрерывного прослеживания ветровой обстановки, для поиска линии направленности с как можно большим ветровым ресурсом, для поворота ветрового колеса в таком направлении и удерживания его в нужном положении. Присутствие в структуре ветровой установки системы ориентирования на ветер её усложняет и понижает надежность (по эксплуатационному опыту иностранных ветровых установок данного типа, общее количество отказов (примерно 13%) приходится именно на системы ориентирования).
Более того, почти не является возможным результативно ориентировать ветровое колесо при изменениях направлений ветра из-за опаздывания действий ориентационных механизмов.

Конструктивные недостатки: система ориентирования рвет жесткую связь между опорной башней и корпусом осевой горизонтальной ветроустановки, что обусловливает появление автоколебаний и разницу в характеристиках частот подвижных и неподвижных частей конструкции, в конечном счете, все это понижает надежность и увеличивает издержки амортизации.
Эффективность работы осевых вертикальных ветровых установок от направлений ветра принципиально не зависит, в связи с этим необходимость ориентирования на ветер в системах и механизмах отпадает. Неравные характеристики потока ветра по высоте приводят только к некоторому выравниванию поворотных моментов, которые снимаются с лопастей.

Коэффициент применения энергии ветра.

Доказано теоретически, что коэффициент применения энергии ветра образцового ветрового колеса осевых горизонтальных и вертикальных установок равняется 0.593. Объясняется это тем, что роторы ветровых установок обоих видов используют одинаковый эффект силы подъема, который возникает при обтекании профилированной лопасти ветровым потоком. В настоящее время, коэффициент применения энергии ветра, достигнутый на осевых горизонтальных ветровых установках составляет 0.4. Этот коэффициент на данный момент у ветровых генераторов (ветровых установок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38. Экспериментальные исследования, проведенные на российских осевых вертикальных установках, показывают, что достигаемые значения 0.4-0.45 - задача вполне реальная. Таким образом, отметить можно, что коэффициенты применения энергии ветра осевых горизонтальных и вертикальных ветровых установок являются близкими.

Запуск ветровой установки.

Считается, что период трогания осевых горизонтальных ветровых установок нулю не равен, потому для их запуска внешние энергетические источники не требуются. Однако на практике ветровое колесо такого типа самозапускается лишь в случае его направления на ветер с необходимой точностью. Мощное ветровое колесо при боковом ветре, может и не запуститься самостоятельно и для поворота гондолы с ветровым колесом на ветер, необходим внешний энергетический источник.
Длительное время полагалось, что момент запуска осевых вертикальных ветровых установок равен нулю, то есть полагалось, что самостоятельно они не запускаются.
Однако ученые из ГРЦ-Вертикаль разрабатывают ротор Дарье, запускающийся самостоятельно при ветровой скорости в 3.5-4 метров в секунду, конечно, зависит это от мощности ветровой турбины. Момент запуска таких ветровых установок гораздо выше нуля, а для самостоятельной раскрутки оказывается достаточным всего лишь малого порыва ветра.
Все же, крупные ветровые установки оснащают обычно дополнительными турбинами по типу Савониуса для гарантии старта.
Усложнение конструкций ветровых установок подводит к результату понижения надежности, а ввод аэродинамических дополнительных устройств подводит к понижению мощности ветровых турбин, это хуже, чем наличие источников мощности для старта. Учитывается все это на нынешнем этапе, а также при создании новых конструкций пропеллерных ветровых установок.

Целесообразность силового проекта турбины.

Инерционная нагрузка на лопасти пропеллерной ветровой установки направлена вдоль лопастей, то есть наиболее полезным образом. Элементы подшипникового опорного узла и ступица колеса являются малогабаритными и компактными. Инерционная нагрузка на лопасти осевых вертикальных ветровых установок направлены вдоль траверсы, поперек лопасти. Подшипниковый опорный узел и ступица имеют габариты приличные. Таким образом, ротор (ветровая турбина) осевой вертикальной ветровой установки требованиям целесообразности силовой схемы удовлетворяет в меньшей степени, чем ветровая турбина осевой горизонтальной (пропеллерной) установки. Результатом этого, такая ветровая турбина осевой вертикальной ветровой установки является тяжелее пропеллерной.