Ветроустановка состоит из следующих основных частей:
– ветроколесо (ветротурбина) преобразует энергию ветрового потока в механическую энергию вращения ветроколеса;
– мультипликатор (редуктор) согласует частоту вращения ветроколеса с оборотами генератора;
– башня или мачта служит для размещения ветроколеса, редуктора и генератора на достаточно большой высоте.
Принцип действия всех ветроустановок одинаков. Ветроколесо с лопастями вращается под действием ветра и передает крутящий момент через систему передач валу генератора, который вырабатывает электроэнергию. Схема типичной ветроустановки показана на рис. 3.1.
ВЭУ можно классифицировать по геометрии ветроколеса и его положению относительно ветра. На рис. 3.2 показано взаимодействие воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы.
Рис. 3.1. Схема типичной ветроустановки: 1 – ветроколесо;2 – редуктор;
3 – генератор; 4 – электрокабель; 5 – опорная башня
Рис. 3.2. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы: u – скорость ветра; v – скорость элемента лопасти; vr – скорость элемента лопасти относительно ветра; FD – сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости vr; FL – подъемная сила, перпендикулярная силе FD
Пусть воздушный поток со скоростью u, набегает на лопасть, которая перемещается со скоростью v. Тогда скорость потока относительно лопасти будет vr. При взаимодействии потока с лопастью возникают:
1) сила сопротивления FD, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока vr;
2) подъемная сила FL, перпендикулярная силе FD. Слово «подъемная» не означает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх;
3) завихрение обтекающего лопасти потока. В результате это приводит к закрутке воздушного потока за плоскостью ветроколеса, то есть к его вращению относительно вектора скорости набегающего потока;
4) турбулизация потока, которая возникает как за колесом, так и перед ним. Поэтому лопасть часто оказывается в потоке, турбулизированном другими лопастями;
5) лопасть представляет препятствие для набегающего потока. Оно характеризуется параметром, который называется геометрическим заполнением. Этот параметр равен отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых размерах лопастей четырехлопостное колесо имеет геометрическое заполнение в два раза больше по сравнению с двухлопастным.
В настоящее время в основном используют два типа промышленных ВЭУ:
1) горизонтальные – с горизонтально осевым ветроколесом, ось вращения которого параллельна воздушному потоку;
2) вертикальные – с вертикальной осью вращения. Конструкции ветроколес с горизонтальной и вертикальной осью показаны на рис. 3.3.
Основной вращающей силой у ветроколес с горизонтальной осью вращения рис. 3.3, а является подъемная сила. Ветроколесо относительно ветра может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо устройство, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении ветроколеса башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий поток воздуха. При таких условиях работы возникают циклические нагрузки и повышенный шум. Так как направление ветра может довольно быстро меняться, то ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используют электрические серводвигатели.
Скорость вращения ветроколеса обратно пропорциональна количеству лопастей. Поэтому ВЭУ с количеством лопастей больше трех для выработки электроэнергии практически не используются [8].
Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, как правило, располагают на верху опорной башни в поворотной головке, несмотря на то, что их удобнее размещать внизу.
Рис. 3.3. Классификация ветроколес: с горизонтальной осью (а), приведены способы ориентации при переднем расположении ветроколеса; с вертикальной осью (б); с концентраторами (усилителями) ветрового потока (в): 1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – трехлопастное; 4 – многолопастное; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса; 10 – усилитель потока
Но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента обесценивают преимущества нижнего размещения.
Многолопастные ветроколеса развивают больший крутящий момент при слабом ветре. Их используют для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветроколеса [2].
ВЭУ с вертикальной осью вращения находятся в рабочем положении при любом направлении ветра. Вертикальная ось вращения за счет удлинения вала позволяет установить редуктор и генератор внизу башни.
Недостатками таких установок являются: 1) бóльшая подверженность усталостным разрушениям из-за часто возникающих в них автоколебательных процессов; 2) пульсация крутящего момента, которая приводит к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Из-за этих недостатков большая часть ВЭУ выполняется по горизонтально-осевой схеме. Но исследования различных типов вертикально осевых установок продолжаются.
Наиболее распространенные типы ВЭУ с вертикальной осью вращения показана на рис. 3.3, б.
Чашечный ротор (принцип анемометра). Ветроколесо такого типа вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти дает практически линейную зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра.
Ротор Савониуса. Ветроколесо тоже вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы и отличаются простотой и дешевизной при изготовлении. Вращающийся момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения такое ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.
Ротор Дарье. Вращающийся момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Как правило, ротор не может раскручиваться самостоятельно, поэтому для его запуска используется генератор, работающий в режиме двигателя.
Ротор Масгрува. В рабочем состоянии лопасти этого ветроколеса расположены вертикально. Но они имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.
Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.
Мощность ВЭУ зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Для повышения мощности можно использовать специальные концентраторы (усилители) воздушного потока (рис. 3.3, в). Для горизонтально-осевых ветроустановок это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), а так же другие устройства. Они направляют воздушный поток на ветроколесо с площади, большей ометаемой площади ветроколеса [2].