Аэродинамическая схема вертикально - осевой ветровой роторной турбины (ВРТБ)

Мы остановимся на разрабатываемой в АУЭС, ООО «НПП «Энэксис», Москва и ТОО «Экоэнергомаш», Алматы «Ветровой роторной турбине Болотова» - ВРТБ, «Windrotor Bolotov».

Вертикально – осевая ветровая турбина состоит из внешней неподвижной части – статора и расположенного внутри него вращающегося ротора, лопатки которого, образуют активную и реактивную ступени турбины (рисунок 5). Направляющий аппарат имеет пластины, равномерно расположенные по его периметру, ротор имеют лопатки, также равномерно расположенные по его периметру.

а)	б)

Рисунок 5 – Общий вид а) и сечение турбины со статором, имеющим 12 пластин и ротором, имеющим 9 лопаток (б)

Статор и ротор определенной высоты, связанные подшипниками, совместно образуют модуль турбины. Диаметр модуля D по направляющему аппарату и высота H формируют площадь ветровоспринимающей поверхности F.

(14)

Диаметр модуля определяется расчетной скоростью ветра в месте размещения ВРТБ, высота - необходимой мощностью турбины в конкретных условиях потребителя электроэнергии, а также по конструктивным соображениям и условиям устойчивости.

Работа турбины не зависит от направления ветра. По отношению к набегающему с любой стороны воздушному потоку турбина имеет две стороны - подветренную – активная ступень турбины и надветренную – реактивная ступень турбины. В статоре турбины на активной стороне воздух сжимается направляющим аппаратом и направляется на лопатки ротора.

Действующая на лопатку ротора сила возникает под влиянием давления на вогнутую поверхности, создающего в режиме паруса вращающий момент турбины и обеспечивающий высокий момент трогания ротора.

На выпуклой поверхности лопатки возникает подъемная сила, перпендикулярная вектору скорости обтекающего лопатку воздушного потока, двигающая лопатку по окружности.

Отсюда следует, что тяга лопатки, вызванная действием ветра, может создаваться как за счет разряжения на ее выпуклой поверхности, так и в результате давления на ее вогнутую поверхность. Указанными обстоятельствами определяется форма лопаток ротора турбины «ВРТБ».

В реактивной части ступени турбины тяга на лопатках создается в результате преобразования избыточного давления внутри турбины, в полости ротора за активной ступенью, по отношению к атмосферному. Диффузорная конфигурация межлопаточных пространств между лопатками ротора и между пластинами направляющего аппарата способствуют удалению из турбины отработавшего воздуха и повышению коэффициента использования энергии ветра.

Диаметр турбины увеличивается при необходимости получения заданной мощности и корректируется по расчетной скорости ветра в месте предполагаемой ее установки.

Из констркутивных соображений высота турбины делится на отдельные «модули» высотой 2-3метра. Установка модулей друг на друга образует высоту турбины в соответствии с конкретными ветровыми условиями для получения необходимой мощности.

Высота многомодульных ВЭА равна общей высоте установленных друг на друга модулей, плюс высота основания, где размещается электрогенератор и шкафы с аппаратурой управления его режимами.

Ветростанции с вертикально – осевыми турбинами обладают большим числом преимуществ по сравнению с пропеллерными:

- отсутствие зависимости развиваемой мощности от направления ветра;

- способность работать на порывистых и ураганных ветрах;

- генератор соединен непосредственно с ротором и не имеет сложных редукторов;

- возможность использовать несколько виндроторов на одном генераторе;

- наличие направляющего аппарата, увеличивающего удельную мощность ротора в 2- 2, 5 раза по сравнению с открытым ротором;

- отсутствие внешних вращающихся частей.

Вертикально осевая турбина, построенная по принципу рабочих элементов «парус-крыло», усиливаемого наличием направляющего аппарата, имеет малую собственную постоянную времени и срабатывает порывы, пульсации и шквалы.

Компоненты ветроэлектростанции: генератор, ветроколесо, контроллер, аккумуляторная батерея, инвертор, автоматическое включение резервного питания, анемоскоп и датчики направления ветра (рисунок).

Существует два варианта работы ВЭС: автономная работа и параллельная работа с энергосистемой.

Автономная работа реализуется по трем схемам.

Первая схема включает генератора постоянного тока и аккумуляторную батарею и обеспечивает энергоснабжение только потребителей постоянного тока.

Вторая схема включает генератора постоянного тока или переменного тока и используется для получения тепла и его аккумулирования.

Третья схема включает генератора переменного тока, выпрямитель, буферный накопитель, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный.

Параллельная работа в составе энергосистемы реализуется также по трем схемам.

Первая схема включает синхронный генератор, который должен вращать с постоянной скоростью. Недостатком является возможный переход генератора в двигательный режим, связанный с потреблением энергии из энергосистемы.

Во второй схеме имеется только один генератор, включенный в энергосистему асинхронно. Скорость вращения ротора может быть непостоянной, но не должна сильно отличаться от синхронной скорости.

Третья схема состоит из генераторной системы с автоматической системой регулирования, вращающаяся непостоянной скоростью, но вырабатывающий ток постоянной частоты.

Рисунок 6 - Автономная система электроснабжения на базе ветрогенератора