Тред №246629

Из-за размера материала придется разбить на части:

Часть 1:


Еще перед ВОВ был выпущен фантастически интересный том "Седовцы" с воспоминаниями участников того беспримерного дрейфа. На зажатом льдами корабле жестоко экономили горючее и пытались завести ветроэлектростанцию, и об энтузиастах был сложен стишок:

Ветродуйная артель
Затянула канитель.
Говорят, для ветряка
Не хватает червяка.

Прилагается удачно вовремя совершенно блестящий обзор эксперта в вопросе

ВЭУ с вертикальной осью вращения: сравнительная оценка технических решений и перспективы развития

На первом рисунке: проект оффшорного ветропарка на базе ВО ВЭУ


Темпы развития мировой ветроэнергетики впечатляют даже узкий круг специалистов, работающих в данной области. Так, установленная мощность ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире по итогам 2008 г. составила более 120824 МВт. Наряду с победным шествием горизонтально-осевых установок мегаваттного класса, в последние годы вновь пробудился интерес к более простым по конструкции устройствам с вертикальной осью вращения, обладающим несколькими неоспоримыми достоинствами.

Краткий исторический экскурс

Ветряки с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен. Наиболее древний документ, дошедший до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется не очень точно и относится к периоду 500-900 годами н.э. В документе описывается персидский механизм, применявшемся для подъема воды и помола зерна. Позже такой ветродвигатель получил латинское название «panemone», что означает: вращается при любом направлении ветра.

Ветряные двигатели с вертикальной осью использовались и в Китае, который часто упоминается, как место их рождения. Широко распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Китае больше 2000 лет назад, однако наиболее раннее документальное упоминание датируется 1219 годом н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветродвигатель, очевидно, применялся для размола зерна и перекачивания воды.

Первые ветродвигатели с вертикальной осью вращения


Этапы новейшей истории развития ветродвигателей с вертикальной осью вращения отмечены патентами на конструкции, успешно используемые в настоящее время:
- ротор Савониуса (С.Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рис. 2а);
- ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рис. 2б);
- ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рис. 2в);
- ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рис. 2г);
- геликоидная турбина Горлова ****(А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины ВЭУ «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рис. 2д). и др.

[Примечание: о Горлове писалось на "Как оно тикает"]

Этапы новейшей истории ветродвигателей с вертикальной осью вращения


Принцип действия

Преобразование энергии в современных ВЭУ осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования энергии ветра в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями. За рубежом при разговоре об аналогичных устройствах чаще всего пользуются термином ветротурбина.

Ветродвигатель отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, габаритов активной части и режима работы. Известны два основных способа отбора мощности у движущегося воздушного потока, на которых базируется работа современных ветродвигателей.
В первом способе используется феномен подъемной силы крыла, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущемся потоке воздуха. Для простоты назовем их «ветродвигатели подъемной силы».

В основе второго способа лежит дифференциальное (неодинаковое) лобовое сопротивление твердого тела несимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления воздушного потока. Назовем их «ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления».

Существуют также многочисленные конструкции, которые сочетают в себе два вышеуказанных способа в различном процентном соотношении.

Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования энергии ветра и быстроходность, соответственно.

Под коэффициент использования энергии ветра понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать коэффициент использования энергии ветра Ср и называть «Си Пи фактор». Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина Ср не может быть более 0,593. Это число получило название лимит Бетца и по определению является величиной безразмерной.

Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, которое принято обозначать символом . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если  < 2, и быстроходный, если  4.

Вертикально-осевые ветродвигатели «подъемной силы»

На рисунке 3 показаны: устройство простейшего ортогонального ветродвигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от ее положения относительно направления ветра.

Рис. 3 Работа конструкции, использующей подъемную силу крыла.


U – скорость ветра, V – тангенциальная скорость перемещения лопасти; W - суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;  – угол атаки; Т – сила, создающая крутящий момент; N – сила, приложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки; L – подъемная сила лопасти ; D – сила лобового сопротивления лопасти

Ветродвигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режим авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.

При увеличении количества лопастей до трех и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), Ср увеличивается от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, и достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холостом ходу при скоростях ветра 3 м/с и выше. Оптимальный режим работы данных ветродвигателей (максимальное значение Ср) достигается при значениях l от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора более пяти, как правило, приводит к снижению быстроходности и уменьшению Ср.


Многообразие конструкций современных вертикально-осевых ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла


Следует отметить, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра, и они не нуждаются в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности. Это одно из основных преимуществ установок данного типа при сравнении с горизонтально-осевыми ВЭУ.
Однако продолжают появляться новые схемы вертикально-осевых ВЭУ, в частности установка «с качающимся крылом», в которой углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики, принцип действия которой понятен из рисунка ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Производство таких установок значительными сериями не ведется.



Пример конструкции вертикально-осевая ветротурбины с наведением на ветер


Вертикально-осевые ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»
Первые ветродвигатели с вертикальной осью работали, используя данный принцип, который заключается в том, что твердое тело несимметричной формы (например, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), обладающего постоянной скоростью V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями Fлс1 и Fлс2 соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепить на траверсе с двух сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w

Принцип действия ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»


Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующих на тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветродвигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже при очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким Ср. Максимально значение Ср для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и они имеют относительно высокий пусковой момент.



Разнообразие конструкций ветродвигателей, работающих по принципу дифференциального лобового сопротивления


Комбинированные вертикально-осевые ветродвигатели
Наряду с двумя рассмотренными основными группами вертикально-осевых ветродвигателей, выпускаемых серийно, имеются установки, в которых сочетаются два описанных принципа действия.


Конструкции ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента комбинацию феноменов подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления



В установках, приведенных на рисунках а), б) и г), в зависимости от положения каждой лопасти относительно направления ветра проявляются либо эффект подъемной силы, либо эффект дифференциального аэродинамического сопротивления. В установке, показанной на рисунке в), ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Даррье до необходимой быстроходности.



Вертикально-осевые установки «циклоидного» типа с наведением на ветер. а) – ВЭУ, построенная марокканскими студентами под руководством автора в 1995 г. (фото автора); б) – ВЭУ, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 г.


В устройствах, показанных на рисунке выше, система ориентации на ветер постоянно обеспечивает максимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся по ветру, и минимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся против ветра. В промежуточных положениях работает подъемная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнем, либо трансмиссией с зубчатыми колесами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колеса, было реализовано автором в 1995 г. (рис. а). Позже в 2000 г. детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что Ср системы не превышает 0,2; после чего эксперименты с данной конструкцией были прекращены. Однако китайские производители ВЭУ (рис. б) в настоящее время поставляют на рынок аналогичные установки мощностями 3, 5 и 10 кВт при скоростях ветра 9, 10 и 10 м/с соответственно.