Тред №246630

Из-за размера материала придется разбить на части:

Часть 2:


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


Энергетические характеристики

Основные свойства любого ветродвигателя достаточно полно описываются зависимостью Ср = f(l), которая называется его главной энергетической характеристикой. На рисунке 8 приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветродвигателей.

Ветроэнергетикам хорошо известно, что Ср £0,593 , что было теоретически доказано нашими российскими учеными (Сабинин и др.) еще в 1914 г., но за рубежом доказательство было опубликовано в 1924 году немецким физиком Бетцем, и величина 0,593 носит название «предел Бетца».

Рис. 10 Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей


Из рисунка очень хорошо видно, что вертикально-осевые ветротурбины, использующие для создания крутящего момента подъемную силу крыла, имеют Ср по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколес с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной простотой конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикально-осевым ветродвигателям.

Рис. 11 Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)


Не менее важной характеристикой вертикально-осевого (как, впрочем, и любого другого) ветродвигателя, является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьезные производители ВЭУ обязательно приводят такую кривую в технических характеристиках своей продукции, так как говорить о мощности установки в отрыве от скорости ветра не имеет смысла. При наличии статистики по частотам повторяемости скоростей ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчет выработки электроэнергии.

Рис. 12 Примеры кривых выходной мощности двух ВЭУ с вертикальной осью вращения


Тенденции развития вертикально-осевых ВЭУ

Современная волна интереса к вертикально-осевым ВЭУ объясняется рядом объективных причин:
- практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ (как концептуально, так и технически - более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно);
- относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО ВЭУ при значительно более простой конструкции, не требующей в большинстве случаев наведения на ветер;
- относительно низкий уровень шумов и вибраций.
Обозначим некоторые тенденции, наблюдаемые в области проектирования, производства и эксплуатации ВО ВЭУ в настоящее время.
Широкое использование компьютерного моделирования. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, позволяют производить достаточно точные проектные расчеты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе ВЭУ данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчета поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора ВО ВЭУ. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветроэнергетики получила мощный толчок развития.

Рис. 13 Типичное представление результатов аэродинамического расчета методом конечных элементов


Постоянное совершенствование конструкций ВО ВЭУ. Наряду с использованием новых конфигураций лопастей в области ВО ВЭУ появилась тенденция введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах:

Рис. 14 Вариант механизации крыла ВО ВЭУ


Разделение ВО ВЭУ на две группы по соотношению высоты ротора  к диаметру. Анализ существующих конструкций ВО ВЭУ показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше габариты ротора, тем сложнее осуществить его аэродинамическую симметрию и балансировку, что на высоких частотах вращения чревато возникновением значительных вибраций, которые могут привести к разрушению конструкции.
На рисунке 12 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции ВО ВЭУ, в сравнении с горизонтально-осевыми установками.

Рис. 15 Пропорции ВО ВЭУ


Строительство оффшорных ветропарков на базе ВО ВЭУ. Важнейшей тенденцией, наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветропарков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветроэлектростанции. Оффшорные парки позволяют решить более широкий круг проблем, в частности требования по шумам и вибрациям сводятся до минимума, а стробоскопический эффект вообще не учитывается. Плюс к тому в береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветропарках применялись исключительно горизонтально-осевые ВЭУ. Совсем недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикально-осевых установок.

Мощное ускорение китайских производителей. Еще три-четыре года назад найти рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых тридцати страницах поиска по теме ВО ВЭУ среди китайских предприятий изредка проскальзывают американские и европейские. Характерной чертой китайской ветроэнергетики является то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из энергии ветра независимо от принципа действия и величины Ср. Цены на китайскую продукцию значительно ниже, но и качество пока оставляет желать лучшего. Однако всем нам известен объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы следует ожидать появления нового мирового лидера в области ветроэнергетики. Как отмечалось выше, уже сегодня Китай вышел на второе место в мире по установленной мощности ВЭУ.

Наши скромные достижения

Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (НИЛ ТЭВИ МИКТ, г. Воронеж) совместно с учебно-исследовательской лабораторией альтернативных энергетических технологий и установок (УИЛ АЭТУ) Воронежского государственного технического университета в течение ряда лет проводит исследования в области ВО ВЭУ. Под руководством автора в лабораториях произведены продувки масштабных моделей ряда роторов.

Рис. 17 Разновидности исследованных моделей роторов (фото автора)


В результате проведенных исследований по заказу ЗАО «Балтийский станкостроительный завод» разработана перспективная конструкция ВО ВЭУ, демонстрационный масштабный образец которой в настоящее время находится в стадии изготовления.
Рабочая установка имеет оригинальную конструкцию лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии осуществляется по схеме: ветротурбина – синхронный генератор – регулируемый выпрямитель – буферный накопитель энергии – инвертор – потребители или сеть.
Фирма ВЕСТАС, которая занимает значительную долю мирового рынка ВЭУ, прошла тридцатипятилетний путь в поисках этой схемы, которая сегодня считается наиболее перспективной.
Приемлемый КПД устройства обеспечивается путем регулирования нагрузки в зависимости от (скорости ветра или крутящего момента) и использованием пассивного магнитного подвеса, который в настоящее время довольно широко начинает применяться в таких конструкциях.
На рис. ниже показаны полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3D-образ демонстрационного макета.

Рис. 18 Перспективная разработка ВО ВЭУ: а) – заготовка лопасти (фото автора); б) – модель ВОВЭУ в работе (фото автора); в – демонстрационный образец 1,5 кВт


В будущем для увеличения мощности ВО ВЭУ потребуются либо спецгенераторы, либо мультипликаторы. Основные сложности, как обычно, будут связаны прежде всего с тем, что надежность серийного генератора и мультипликатора должна быть на уровне аэрокосмической техники. И то и другое в России не производится, а настраивать такое производство необходимо сегодня. Иначе завтра мы будем кормить зарубежных производителей и из этой отрасли, проедая небезграничные богатства наших подземных кладовых.

Павел Беляков, к.т.н., доцент, профессор каф. электроэнергетики Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж); доцент каф. электромеханических систем и электроснабжения Воронежского государственного технического университета

Автор приносит свои извинения специалистам в области ветроэнергетики за упрощенное изложение материала и неполное соответствие терминологии, так как статья носит скорее популярный, чем научный характер