Типы и конструктивные особенности ветрогенераторов. Совмещение двух типов ветрогенераторов на одной мачте

Введение.

Развитие ветроэнергетики требует постоянного совершенствования конструкций ветрогенераторов для повышения объёма выработки электроэнергии. Наибольшее распространение получили такие ВЭУ, как горизонтально-осевые, которые эффективно работают на большой высоте при стабильном ветре, и вертикально-осевые, работающие на небольшой высоте при нестабильных условиях. Идея совмещения горизонтально-осевого и вертикально-осевого ветрогенераторов на одной опорной конструкции позволяет объединить преимущества обеих установок, что приведет к увеличению выработки электроэнергии.

Ветрогенератор - это устройство, преобразующее кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Принцип его работы основан, как правило, на вращении лопастей под воздействием воздушных потоков. Когда ветер дует, он приводит в движение ветроколесо, которое напрямую или через редуктор передает крутящий момент на генератор, вырабатывающий электрическую энергию [5].

Существуют и безлопастные ветрогенераторы - устройства, использующие аэродинамическое сопротивление мачт в форме трубок или конусов, для создания колебаний, которые затем при помощи линейных генераторов переменного тока или пьезоэлектрических элементов преобразуются в электроэнергию. На данный момент безлопастные ветрогенераторы всё ещё находятся на стадии разработки и тестирования, и пока не получили широкого распространения [1].

Теперь остановимся подробнее на лопастных ветрогенераторах. Вращающей лопасти ветроколеса силой может быть сила сопротивления или же подъемная сила . Концы лопастей установок, использующих для работы силу давления ветра (драг-машины), вращаются со

Агротехника и энергообеспечение. - 2025. - № 2 (47) И⁴³

скоростью, меньше скорости ветра. Концы лопастей установок, использующих для работы подъемную силу крыла (лифт-машины), имеют скорость вращения, существенно превышающую скорость ветра.

Результаты и обсуждение.

Ведя разговор о ветрогенераторах, нельзя не затронуть так называемые коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) и коэффициент использования установленной мощности (КИУМ).

КИЭВ показывает, какую долю доступной кинетической энергии ветра установка способна преобразовать в механическую энергию вращения. В данном контексте обязательно следует упомянуть предел Бэтца-Жуковского. Согласно этому ограничению, теоретический максимальный коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса, использующего подъёмную силу: ^ = 0,593 [7]. В то же время, теоретический максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе за счет силы давления ветра не может быть больше ^ = 0,192 [7].

КИУМ определяется как отношение средней мощности ( Р_ср ), вырабатываемой установкой, к ее номинальной установленной мощности ( Р уст ) [2]:

КИУМ = ^р- (1)

РУст

Горизонтально-осевые ветрогенераторы являются, пожалуй, наиболее распространёнными. Ось вращения лопастей таких ветрогенераторов расположена параллельно поверхности земли (и параллельно направлению движения ветра). Такие установки, как правило, используют принцип подъемной силы крыла, т.е. являются лифт-машинами, что делает их эффективными при высоких скоростях ветра [6], [7]. Ярче всего данную особенность, пожалуй, иллюстрирует так называемый ротор Онипко, представленный на рисунке 1 [3]. Этот горизонтально-осевой ветрогенератор использует для работы силу давления ветра, что не позволяет данной модели достичь КИЭВ свыше ^ = 0,192.

Рисунок 1- Ротор Опинко

Для таких типов ветрогенераторов значение КИУМ обычно составляет от 0,25 до 0,35, т.е. в среднем за год установка работает на 25-35% своей номинальной мощности [2].

Вертикально-осевые ветрогенераторы имеют ось вращения, расположенную перпендикулярно относительно поверхности земли и направления движения ветра. Данные установки зачастую (но отнюдь не всегда) используют силу давления ветра, что позволяет им (в отличии от горизонтально-осевых генераторов) запускаться и начинать работать даже при малых скоростях ветра [6], [7]. В качестве подтверждения данного утверждения можно привести ротор

Дарье, представленный на рисунке 2 [11]. Ротор Дарье, в отличии от большинства вертикальных ветрогенераторов использует для работы подъёмную силу крыла, что позволяет ему достигать КИЭВ около ξ = 0,3–0,4. В то же время, основным недостатком таких устройств является затруднённый запуск при низкой скорости ветра.

фГЛМго

Рисунок 2 - Ротор Дарье

Для вертикально-осевых ветрогенераторов КИУМ обычно находится в диапазоне 0,15– 0,25. Такие установки менее чувствительны к направлению ветра, что позволяет им работать в условиях турбулентного и неустойчивого воздушного потока — например, в городской среде или вблизи зданий. Однако их аэродинамическая эффективность ниже по сравнению с горизонтальноосевыми аналогами, что и объясняет сравнительно низкий КИУМ [2].

У вышеприведенных типов ветрогенераторов есть свои преимущества и недостатки. Например, горизонтально-осевые ветрогенераторы демонстрируют высокую эффективность на открытых, ветряных пространствах при стабильном направлении ветра, тогда как вертикальноосевые могут эффективно работать при маленьких скоростях ветра и при изменяющимся направлении воздушного потока [9]. Для того, чтобы совместить преимущества данных типов ветрогенераторов, предлагается расположить их на одной опорной конструкции, т.е. на одной мачте. Таким образом, будет использоваться полный ветровой ресурс на разных высотах и при различных скоростях ветра [10], [12].

Гибридная ВЭУ предполагает установку горизонтально-осевого ветрогенератора в верхней части мачты, где воздушный поток наиболее интенсивен и стабилен, а вертикального-осевого – в нижней части конструкции, ближе к земле (рис.3).

Рисунок 3 - Совмещение горизонтально- и вертикально-осевого ветрогенераторов на одной мачте

Благодаря объединению этих двух типов ветрогенераторов на одной мачте, возможно увеличить такой параметр ВЭУ, как коэффициент установленной мощности. Сравнение КИУМ от средней скорости ветра представлено в виде графика (рис. 4).

Рисунок 4 - Сравнение КИУМ в зависимости от скорости ветра

На рис. 4 видно, что горизонтально-осевые ВЭУ (желтая линия) достигают наибольшей эффективности при скоростях ветра выше 6-7 м/с, когда как вертикально-осевые (оранжевая линия) начинают работать уже при скорости ветра, равной 3-4 м/с, но имеют более низкий максимальный КИУМ.

Совмещение обеих установок на одной мачте может привести к увеличению КИУМ до 0,40,5 за счет более равномерной выработки энергии в течение суток при различных направлениях ветра, использование ветрового ресурса на разных высотах, а также компенсации провалов мощности одного типа ветрогенератора за счет второго [9]. Таким образом, гибридная установка более устойчива к изменениям ветра и позволяет повысить общую энергоотдачу без значительного увеличения габаритов.

Выводы.

В статье рассмотрены основные типы ветроустановок: горизонтально-осевые и вертикально-осевые. Совмещение двух типов на одной мачте позволяет более эффективно использовать воздушные потоки на разных высотах, а также увеличивает коэффициент использования установленной мощности. Для дальнейшего продвижения гибридной ВЭУ требуется провести натурные испытания и детальное аэродинамическое моделирование. Особое внимание необходимо уделить колебаниям мачты и вибрациям, возникающим от одновременной работы двух различных генераторов [4], [13].