Классификация ветроустановок по принципу работы
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воз-душный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает аг-регат.
Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения (рис.3) – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка ока-залась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.
Рисунок 3 - Крыльчатый ветродвигатель
Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с боль-шой скоростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути ис-пользования энергии ветра все же экономическая – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более дорогую.
Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.
Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.
Быстроходностью называется отношение окружной скорости (ωR) конца лопасти к скорости ветра V:
| V |
Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности разделяются на три группы (рисунок 4):
Ø ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходно-стью Zn£2;
Ø ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn> 2;
Ø ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn³3.
Рисунок.4 - Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей: 1 – многолопастных; 2–4 – малолопастных
Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:
- карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра (рисунок 5 поз. 1);
- роторныеветродвигатели системы Савониуса.
К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемыебарабанными (рисунок 6). У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.
Рисунок 5 - Типы ветродвигателей: 1 – карусельный; 2–3 многолопастные; 4–5 – малолопастные; 6 – ортогональный
Рисунок 6 - Барабанный ветродвигатель
Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно:
1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %,.
2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.
3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветродвигателя.
Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.
У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра 18 %.
Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигате-лей этого класса
Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличи-лась в 100 раз: от 20…60 кВт при диаметре ротора около 20 м в начале 1980 годов до 5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 м к 2003 году (рис. 7.6).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор.
Коэффициент использования энергии ветра (рисунок.4) у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
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.
Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преиму-щество в сравнении с традиционными ветряками (рисунок 7). При увеличении ско-рости 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 требова-ние – использование многополюсного генератора работающего на ма-лых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (Мультипликатор [лат. multiplicator умножающий] – повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.
Еще более важным преимуществом карусельной конструкции ста-ла ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «от-куда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в экс-плуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование макси-мальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагруз-ки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.
Рисунок7- Однолопастной карусельный двигатель
При взаимодействии потока с лопастью возникают:
1) сила сопротивления, параллельная вектору относительной ско-рости набегающего потока;
2) подъемная сила, перпендикулярная силе сопротивления;
3) завихрение обтекающего лопасти потока;
4) турбулизация потока, т. е. хаотические возмущения его скоро-сти по величине и направлению;
5) препятствие для набегающего потока.
Препятствие для набегающего потока характеризуется парамет-ром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади.
Основные классифицирующие признаки ветроэнергетических ус-тановок можно определить по следующим критериям:
1. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному пото-ку, установка будет горизонтально-осевой, если ось вращения ветроко-леса перпендикулярна воздушному потоку – вертикально-осевой.
2. Установки, использующие в качестве вращающей силы силу сопротивления (драг-машины), как правило вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъем-ную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.
3. Для большинства установок геометрическое заполнение ветро-колеса определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при неболь-ших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособ-ность, вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.
4. Установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной, установки для производства электроэнергии, т. е. совокупность турбины и элек-трогенератора, называют ветроэлектрогенераторами, аэрогенераторами, а также установками с преобразованием энергии.
5. У аэрогенераторов, подключенных напрямую к мощной энерго-системе, частота вращения постоянна вследствие эффекта ассинхрони-зации, но такие установки менее эффективно используют энергию вет-ра, чем установки с переменной частотой вращения.
6. Ветроколесо может быть соединено с электрогенератором на-прямую (жесткое сопряжение) или через промежуточный преобразова-тель энергии, выполняющий роль буфера. Наличие буфера уменьшает последствия флуктуации частоты вращения ветроколеса, позволяет бо-лее эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенера-тора. Кроме того, существуют частично развязанные схемы соединения колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Таким образом, нежесткое соединение, наряду с инерцией ветроколеса, уменьшает влияние флуктуаций скорости ветра на выходные параметры электроге-нератора. Уменьшить это влияние позволяет также упругое соединение лопастей с осью ветроколеса, например, с помощью подпружинных шарниров.
Ветроколесо с горизонтальной осью. Рассмотрим горизонталь-но-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей си-лой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней.
В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехло-пастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, распо-ложены обычно на верху опорной башни в поворотной головке.
Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.
Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью (рисунок 8). Ветроэлекторо-генераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.
Принципиальными недостатками таких установок являются: го-раздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за бо-лее часто возникающих в них автоколебательных процессов и пульса-ция крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям вы-ходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.
Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие:
1.Чашечныйротор(анемометр). Ветроколесо этого типа вра-щается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечи-вает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.
2.РоторСавониуса. Это колесо также вращается силой сопро-тивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямо-угольной формы, т. е. отличаются простотой и дешевизной. Вращаю-щий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это вет-роколесо обладаем большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.
3.РоторДарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхно-стях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила макси-мальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлек-трогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, рабо-тающий в режиме двигателя.
4.РоторМасгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоя-нии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.
5.РоторЭванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.
Рисунок 8 - Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью
Концентраторы. Мощность ветроэнергоустановки зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концен-траторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых ветроэлектрогенераторов разработаны различные варианты таких кон-центраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей ометаемой площади ротора, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.
Лекция 6