Рассмотрены особенности применения вертикально-осевых ветроэнергетических установок, а также их отличия от горизонтально-осевых.

В настоящий момент соотношение ветроэнергетических установок с горизонтальной и вертикальной осями вращения мире составляет приблизительно 90% и 10% соответственно.

В тоже время на международной выставке в Ганновере в 2006 году было представлено много новых разработок, касающихся вертикально-осевых ветроэнергетических установок. Повышенный интерес к вертикально-осевым установкам вызван конструктивными особенностями, которые могут повысить эффективность работы ветроэнергетической установки (ВЭУ). Вертикально-осевые и горизонтально-осевые ветроустановки - принципиально разные конструкции, многие технические решения которых не повторяются. Кроме независимости работы вертикально-осевых ВЭУ от направления ветра, существует целый ряд других их принципиальных особенностей и конструктивных решений.

Одним из условий эффективной работы горизонтально-пропеллерной ветроустановки является постоянная ориентация ветроколеса на ветер, т.е. совмещение горизонтальной оси вращения ветроколеса с направлением скорости ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой остановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении. Механизмы и системы ориентации ветроколеса на ветер включают датчик ветра, привод, редуктор опорно-поворотного круга с зубчатым зацеплением для поворота гондолы ВЭУ, а также тормозные фиксирующие устройства для удержания головки ВЭУ в требуемом положении. Кроме того, существуют ограничения по допустимому углу поворота гондолы в одном направлении, определяемые допустимой закруткой силового электрического кабеля, идущего от расположенного в гондоле генератора. Это требует наличия в системе ориентации специального устройства, следящего за углом закрутки гондолы и формирующего команду на остановку ВЭУ при достижении критического угла закрутки кабеля. Для раскручивания гондолы после остановки ВЭУ необходима либо специальная автоматическая система раскрутки, либо присутствие персонала.

Все это существенно усложняет конструкцию и снижает ее надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ до 13 % общего количества отказов приходится на системы ориентации). Кроме того, добиться полного совпадения оси вращения ветроколеса с направлением ветра практически невозможно. Это обусловлено, во-первых, запаздыванием системы ориентации, и, во-вторых, особенностями естественного ветрового потока, в котором крупномасштабная турбулентность приводит к различным направлениям потоков воздуха по длине размаха лопастей, особенно, для ВЭУ с большим диаметром ветроколеса. Все это приводит к определенному снижению эффективности горизонтально-осевых ВЭУ, и, как следствие, выработки электроэнергии.

Эффективность работы вертикально-осевых ВЭУ не зависит от направления ветра и, поэтому, в ее конструкции отсутствуют механизмы и системы ориентации на ветер, что приводит к упрощению конструкции и повышению надежности ветроагрегатов в целом. Кроме того, в вертикально-осевых ВЭУ отсутствуют потери эффективности, связанные с неточностью установки ветроколеса на ветер.

В горизонтально-осевых ВЭУ для увеличения эффективности отбора энергии ветра применяются несимметричные профили лопасти. Что в конечном итоге приводит к усложнению конструкции и технологии изготовления лопастей. Таким образом, пропеллерная лопасть горизонтально-осевых ВЭУ является более сложной, чем прямоугольная, симметричная относительно хордовой плоскости лопасть вертикально-осевой ВЭУ.

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-осевой ВЭУ направлены вдоль лопасти, т.е. наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла относительно компактны и малогабаритны. Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ветротурбины направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Опорно-подшипниковый узел более габаритен и массивен.

Аэродинамические нагрузки на лопасть вертикально-осевой турбины имеют знакопеременный характер, что обуславливают повышенные требования к циклической прочности материалов.

Кроме этого вертикально-осевая ветротурбина кроме лопастей включает в себя и траверсы - конструктивные элементы служащие для крепления лопастей в рабочем положении. Таким образом вертикально-осевая ветротурбина в меньшей степени удовлетворяет требованиям рациональности силовой схемы, чем ветроколесо горизонтально-пропеллерного ветроагрегата. Как результат этого, вертикально-осевая ветротурбина оказывается массивнее горизонтально-пропеллерной. Между тем, при повышении мощности и размеров ВЭУ необходимо учитывать значительно меняющийся характер нагружения. Во-первых, аэродинамические нагрузки на лопасть горизонтально-осевых ВЭУ в верхнем и нижнем положении неодинаковы из-за разницы скоростей ветра по длине размаха ветроколеса. Лопасть работает в разных быстроходностях и передает ступице пульсирующий крутящий момент.
Во-вторых, возрастает влияние сил гравитации. Пульсирующие аэродинамические и гравитационные нагрузки существенно влияют на вибропрочность лопасти, ступицы и опорно-подшипникового узла, на который также возрастают нагрузки от сил Кориолиса при поворотах ветроколеса на ветер.

Теоретически коэффициент использования энергии ветра идеального горизонтально-пропеллерного ветроколеса и вертикально-осевой ветротурбины одинаков, так как роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающей при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти. В настоящее время уровень максимального коэффициента использования энергии ветра ВЭУ как горизонтально-осевых, так и вертикально-осевых составляет 0,4 - 0,45.

При эксплуатации вертикально-осевые установки нуждаются во внешних источниках энергии для разгона ротора, хотя известно множество технических решений, обеспечивающих самозапуск вертикально-осевых ветротурбин Дарье с изменением геометрических параметров лопастей, либо применением вспомогательных устройств (например, ротора Савониуса). Но усложнение конструкции ВЭУ приводит к снижению надежности, введение дополнительных аэродинамических устройств - к снижению мощности ветровой турбины, что в принципе хуже, чем принудительный разгон ветротурбины, тем более что для этого используется штатный генератор ВЭУ.
Отличительной особенностью вертикально-осевых ВЭУ является то, что практически во всем рабочем диапазоне ветров поддерживается оптимальная быстроходность, при которой реализуется максимальный коэффициент использования энергии ветра. Постоянство быстроходности обеспечивается изменением скорости вращения ветротурбины в соответствии с изменением скорости ветра. При этом на каждом ветре ветротурбина развивает максимальную мощность.

Рассматривая эффективность работы ВЭУ обоих типов необходимо отметить еще несколько положений. Во-первых, эффективность горизонтально-пропеллерной ВЭУ снижается за счет запаздывания системы ориентации гондолы с ветроколесом при изменении направления ветра и несовпадения оси вращения ветроколеса с направлением скорости ветра. Во-вторых, системы поворота гондолы для ориентации на ветер и поворота лопастей требуют соответствующих приводов т.е. при работе горизонтально-осевых ВЭУ на собственные нужды постоянно потребляют определенное количество электроэнергии, что в конечном итоге уменьшает годовую выработку выдаваемой энергии. Собственные нужды вертикально-осевых ВЭУ определяются только необходимостью раскрутки ветротурбины в момент запуска ВЭУ.

Автор: Дорош Игорь

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

2006-2016 Дорош Игорь
admin@renewable.com.ua
Использование любых материалов, 
размещенных на сайте, разрешается
при указании прямой ссылки.