Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения

Интерес человечества к использованию возобновляемой, или «зеленой» энергии в последнее время стал проявляться все более заметно. Разрабатываются новые установки, использующие принципы преобразования природной энергии в тепловую, электрическую и т.д., которые не наносят ущерб окружающей среде.

Одним из видов таких устройств являются ветроэнергетические установки (ВЭУ), использующие энергию ветра. Ветер является источником, существующем в окружающем пространстве независимо от желания человека и его деятельности.

На сегодняшний день имеется огромное многообразие машин, механизмов и установок, которые «ловят» ветер и превращают его в полезную электроэнергию. Самые распространенные из них - ветротурбины с горизонтальной осью вращения (рис. 1). Однако у этих машин есть один существенный недостаток - они долго «думают», прежде чем развернуть свои лопасти «на ветер», направление которого может измениться каждую секунду.

В зависимости от направления ветра меняется площадь, ометаемая ветроколесом, которая является основой для расчета выходной мощности ветроэнергетической установки [1]:

^ВЭУ = °,4^ ^^РЛ.^Пгеи > Вт (О где D - диаметр ветроколеса, м; v - скорость ветра, м/с; ^ - коэффициент использования ветровой энергии; р - 0,125 кг с2/м4 - плотность воздуха, ;

т|иех -к.п.д. редуктора; г)ген - к.п.д генератора.

Обычно в технических характеристиках установок с горизонтальной осью площадь, ометаемая ветроколесом, принимается равной площади, охватываемой лопастями ветроустановки. Однако из рис. 2 видно, что ометаемая площадь зависит от направления ветра по отношению к оси ротора и в некоторые моменты может быть значительно меньше площади ветроколеса. Следовательно, мощность, вырабатываемая ветроустановкой, также будет непостоянной.

Рис. 1. ВЭУ с горизонтальной осью вращения

Ометаёмая площадь ротора при различных углах направления ветра по отношению к пси ротора

Рис. 2. Площадь, сметаемая ветроколесом

Это не относится к установкам с вертикальной осью вращения, хотя и они имеют свои преимущества и недостатки.

На рис. 3 показана схема работы установки с вертикальной осью вращения, разработанной в ООО «ГРЦ-Вертикаль» [2].

При наличии ветра ветроротор, состоящий из лопастей, закрепленных между кольцами, вращается и приводит в движение генератор, который с помощью электронного регулятора вырабатывает постоянный электрический ток с напряжением 48 В. Далее постоянный ток с помощью инвертора преобразуется в переменный ток с напряжением 220 В и поступает непосредственно потребителю. Аккумуляторные батареи включены параллельно с кабелем выхода генератора и подпитывают инвертор в случае отсутствия ветра. Выход инвертора подключается к клеммам, от которых должна идти внутренняя разводка по помещению потребителя.

ВЭУ стартует (самораскручивается) при по рывах ветра 3,5 м/с (в это время анемометр может показать более низкую скорость ветра). Выработка энергии начинается при скорости ветра 4 м/с.

ООО «ГРЦ-Вертикаль» разрабатывает ветроэнергетические установки (ВЭУ) с 1991 года на базе ФГУП «Государственного Ракетного Центра» (КБ им. Академика В.П.Макеева), г. Миасс Челябинской области и ФГУП «Кумертауского Авиационного Предприятия», г. Кумертау. За это время были исследованы различные конструкции ВЭУ.

С 2004 года разработки ООО «ГРЦ-Вертикаль» в области ветроэнергетики, создания ветро-водородных комплексов, установок по очистке воды и многое другое финансируются Национальной Лабораторией Беркли (США) под патронажем Департамента Энергетики США, Международных фондов, Правительства РФ и Российского Ракетно-Космического Агентства.

В результате совместной работы российских и американских ученых была предложена оптималь-

Рис. 3. Схема работы ветроустановки конструкции ООО «ГРЦ-Вертикаль»

Электроэнергетика

ная форма лопасти по соотношению хорды и ширины лопасти, которая запатентована в России и США [3,4].

Скорость вращения ВЭУ по достижении 180 оборотов в секунду при дальнейшем усилении ветра стабилизируется за счет аэродинамических тормозов (рис. 4). Благодаря этому ВЭУ не идет «вразнос».

Рис. 4. Аэродинамические тормоза

Для работы в условиях низких температур, например в районах Крайнего Севера, лопасти ВЭУ комплектуются специальной углепластиковой пленкой, предотвращающей обледенение поверхности лопастей.

Оригинальной научно-технической разработкой является запатентованный ветроротор (ветро-колесо) ветроэнергетической установки. К его достоинствам можно отнести самораскрутку при скорости ветра 3,5 м/с, плавную работу за счет смещения верхних лопастей относительно нижних на 60°, оптимальный угол атаки лопастей. Одним из основных достоинств ротора считается то, что данная конструкция «ловит» порывы ветра. Т.е. при замерах анемометра скорость ветра может составить 3 м/с, а ротор ВЭУ будет крутиться как при скорости 6 м/с. Оригинальная форма ротора в совокупности с оптимальным профилем лопастей дают КПД до 43 % при любом направлении ветра.

К уникальным разработкам можно отнести две принципиально новые конструкции генераторов:

• 1.    С аксиальным зазором, разработанную совместно с Empire Magnetics, Inc. [5, 6].

• 2.    С комбинированным возбуждением, где стабилизация напряжения на клеммах генератора при изменении нагрузки и частоты вращения осуществляется с помощью изменения тока возбуждения генератора [7].

Ступица содержит специально сконструированную систему подшипников, позволяющую предельно уменьшить потери от момента сопротивления.

В качестве аккумуляторов для ВЭУ производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» используются обычные автомобильные аккумуляторы (12 В). Инвертор также может использоваться стандартный или специального исполнения.

В виде инвертора может быть использован практически любой прибор, преобразующий постоянный ток с напряжением 48 В в переменный ток с напряжением 220 В. Схема подключения ветроустановки показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема подключения ВЭУ мощностью 3 кВт: ВЭУ - ветроэнергетическая установка; САП - система автоматического пуска дизель-генератора;

БП - блок питания (преобразователь напряжения -220 В +48 В)

Техническая характеристика ВЭУ мощностью 3 кВт

Мощность генератора
номинальная	3 кВт
Выходное напряжение генератора
постоянного тока	48 В
Рабочий диапазон скоростей ветра	4...30 м/с
Номинальная скорость ветра	10,4 м/с
Диаметр ротора	3,4 м
Высота ротора	4,2 м
Число лопастей (стеклопластик)	6 шт.
Частота вращения ротора	60... 180 об/мин
Высота мачты	8, 12, 16 или 20 м
Расчетная скорость буревого ветра	до 60 м/с
Диапазон температур эксплуата	-50...+50 °C
ции
Срок службы силовых узлов Срок между капитальными	20 лет
ремонтами	5 лет
Масса ВЭУ	620 кг

Мощность, вырабатываемая такой ветроуста-новкой, определяется [2]:

Р_ВЭУ = РвЛм^ген’Линв , Вт,               (2)

т -V²

где Рв =—-— — мощность, получаемая от ветра за 1 с, Вт; m=vepe - масса воздуха, проходящая через ометаемую площадь за 1с,   м3;

р = 0,125 кг-с²/м⁴ - плотность воздуха; v - скорость ветра, м/с; К]_ме1 - к.п.д. ветроустановки; ц_ге„ - к.п.д. генератора; ц_инв - к.п.д. инвертора.

Для 3-киловаттной ВЭУ при размере сметаемой площади 24 м2 и номинальной скорости ветра 10,4 м/с реальный выход электрической мощности ветроустановки составит 3305 Вт.

Таким образом, непрерывно работающая вет-роустановка может питать все бытовые приборы, подключенные в коттедже, офисе (освещение, телевизор, холодильник, сигнализацию, и т.д.) заряжать аккумуляторы, которые можно использовать во время пиковых нагрузок, например, утром и вечером, когда мощности ветроэнергетической установки может быть недостаточно, тем более, при отсутствии ветра.