Ветроэнергетика сегодня

Ветроэнергетика сегодня - это активно развивающаяся отрасль. Но использование энергии ветра связано с определенными трудностями, в частности слабым и непостоянным напором ветра. Рассматриваемая далее конструкция винта позволяет повысить эффективность работы ветрогенератора.

На сегодняшний день существует множество конструкций винтов ветрогенераторов. Данная конструкция является усовершенствованной версией этого множества и обладает более высокими характеристиками в условиях использования при слабом и непостоянном ветре.
Все существующее множество можно условно разделить на два типа. Первый тип использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения), второй тип использует силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения). Данная конструкция совмещает в себе обе возможности использования силы ветра.

На рисунке выше показана конструкция ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Лопасти вращаются вокруг своей оси в обратную сторону вращения ветряка.

Ветрогенератор необходимо строго ориентировать по направлению ветра.
При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в обратную сторону вращения ветряка таким образом, что за время поворота ветряка на 360 градусов лопасть повернется на 180 градусов.

Соблюдая такую пропорцию вращения, мы в итоге получим, что лопасть, двигающаяся по направлению движения ветра, перпендикулярна потоку движения ветра. В момент обратного хода, когда лопасть движется против ветра, она повернута к потоку ребром и имеет наименьшее лобовое сопротивление.
В промежуточном состоянии лопасть расположена под углом к направлению движения ветра, и на неё действует подъемная сила, вектор которой совпадает с вектором вращения ветрогенератора.

Давайте более подробно рассмотрим силы, действующие на лопасти ветряка.
Считаем, что ветряк крутится со скоростью движения ветра или близкой к этому. Лопасть в положении 1 расположена перпендикулярно потоку ветра и движется со скоростью ветра, она не выполняет никакой работы, ее КПД равен нулю. В положении 2-3 лопасть, двигаясь по направлению движения ветра, начинает смещаться перпендикулярно потоку ветра и с учетом скорости вращения ветряка и скорости ветра набегающий поток попадает в ребро лопасти, обтекая ее, и создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. Показана стрелочками, размерами стрелок условно показал увеличение подъемной силы ветра. В положении 4 лопасть незначительно смещается по направлению ветра, основное ее движение перпендикулярно потоку, и с учетом скорости вращения ветряка и скорости ветра набегающий поток попадает в ребро лопасти, обтекая ее, и создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. В положении 5 лопасть движется перпендикулярно потоку, так как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на них. В положении 6-7-8 лопасть движется не только перпендикулярно потоку, но и начинает движение навстречу ему. Поэтому подъемная сила ветра растет, но вектор ее теперь постепенно отклоняется в сторону от направления вращения ветряка. Показано стрелочками. В положении 9 лопасть повернута к потоку ветра ребром и движется навстречу ему с такой же скоростью. Поэтому подъемная сила в 2 раза больше, но направлена перпендикулярно направлению движения ветряка. Перейдя через условный ноль, подъемная сила меняет свое направление на противоположное, сохранив величину. В положении 10-11-12 лопасть постепенно замедляет движение навстречу потоку и увеличивает движение перпендикулярно ему. Поэтому вектор подъемной силы уменьшается, но зато направление вектора постепенно выравнивается и начинает совпадать с направлением вращения ветряка. Я хочу отметить: положение лопасти остается оптимальным для набегающего потока, который обтекает ее и срыва потока не происходит.

В положении 13 лопасть движется перпендикулярно потоку, так как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на классический ветряк с горизонтальной осью вращения. В положении 14-15-16 лопасть постепенно замедляет свое движение перпендикулярно потоку ветра и увеличивает движение по направлению ветра. Подъемная сила ветра постепенно уменьшается. Вектор подъемной силы теперь совпадает с направлением вращения ветряка. Так как скорость вращения ветряка равна или близка скорости движения ветра, мы не можем получить никакой пользы от силы напора потока. Но в статическом положении, когда ветряк остановлен, возможность конструкции использовать силу напора потока является огромным плюсом. Это дает конструкции высокий стартовый порог при малой скорости ветра, позволяет растолкать конструкцию до момента, пока лопасть сориентируется относительно набегающего потока и зацепится за подъемную силу ветра.

Для сравнения рассмотрим чашечный анемометр. Воздушный поток давит на левую и правую сторону анемометра одинаково, но за счет того что с одной стороны чашечка повернута к потоку выпуклой стороной, а с другой вогнутой, создается разница в давлении на левую и правую сторону. Конструкция поворачивается. Эта разница составляет 5-10%. В моей конструкции лопасть в положении 1 повернута плоскостью к потоку, а в положении 9 - ребром. При таком расположении лопастей разница давления на левую и правую половину будет гораздо больше, чем у чашечного анемометра. Отсюда вывод: стартовый порог конструкции выше стартового порога традиционных ветряков с вертикальной осью вращения, ну и конечно с горизонтальной тоже.
У конструкции есть недостатки: в частности, по фронту и тылу ветряк наиболее полно использует подъемную силу ветра, но по флангам подъемная сила ветра или стремится к нулю или вектор подъемной силы ветра отклоняется от направления вращения ветряка.Для сравнения рассмотрим классический ветряк с горизонтальной осью вращения. Давайте условно разделим обметаемую поверхность на три области: А, Б, С. В области А лопасть движется быстрее скорости ветра и никакой работы не выполняет, а только создает низкочастотный неприятный шум. В области Б лопасть движется со скоростью ветра и производит максимальную работу. В области С лопасть движется гораздо медленнее скорости ветра, вследствие чего производит меньше работы. В силу особенности конструкции имеет большой размер и вес в основании лопасти, что приводит к излишней парусности и инертности ветряка. Из рассмотренного выше видно, что лопасть ветряка с горизонтальной осью вращения работает фрагментарно. В моей конструкции лопасти работают всей своей поверхностью и, если вспомнить теорию, гораздо ближе к идеалу. Идеальный ветряк имеет бесконечно длинные и бесконечно тонкие лопасти.

Давайте подробней рассмотрим устройство нашей конструкции. На первый взгляд кажется что конструкция ветряка довольно сложная, требует строгой ориентации по направлению ветра, выдвигает требования вращения лопастей с заданной пропорцией, но это не так.
Рассмотрим один из вариантов реализации конструкции с заданными параметрами.

Ветрогенератор закреплен на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Необходимое соотношение вращения и направления вращения ветрогенератора и лопастей реализуется с помощью редуктора 4 и передается на лопасть 1 с помощью ремня 2. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси, в обратную сторону вращения ветрогенератора, (ветрогенератор вращается по часовой стрелке, лопасть вращается против часовой стрелки) таким образом, что за время поворота ветрогенератора на 360 градусов лопасть повернется на 180 градусов. Направление ветрогенератора по отношению к ветру определяется положением лопастей, которое в свою очередь зависит от шестеренки ориентации ветрогенератора по ветру 5. Шестеренка 5 закреплена на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Положение шестеренки 5 определяется флюгером 3 (хвостовое оперение) который жестко закреплен на шестеренке 5 и поворачивает её вокруг оси в зависимости от направления ветра. Таким образом мы видим что для организации нужного вращения лопастей достаточно несложного механизма редуктора 4 и ремня 2, которые являются довольно простыми деталями и не могут увеличить стоимость ветрогенератора. Для ориентации ветрогенератора по ветру нет необходимости поворачивать всю конструкцию, как ветрогенератор с горизонтальной осью вращения, достаточно повернуть шестеренку 5, с чем легко справится флюгер 3, без дополнительных затрат энергии.

При небольших размерах ветрогенератора и малом количестве лопастей флюгер легко справляется с задачей ориентации ветрогенератора по направлению ветра, однако при увеличении размеров ветряка и количества лопастей на шестеренку 5 (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру) будет действовать значительный крутящий момент, который будет поворачивать шестеренку 5 по ходу вращения ветрогенератора. Флюгер будет противодействовать этой силе и возвращать шестеренку в исходное состояние, оптимальное для правильной ориентации ветрогенератора по направлению ветра. В результате взаимодействия этих противоположно направленных сил будет возникать раскачивания шестеренки 5, которое будет передаваться через редуктор 4, и ремень 2, на лопасть 1, что приведет к ненужной вибрации. Для того, чтобы исключить возможность возникновения ненужной нам вибрации, необходимо заменить флюгер на другую конструкцию.


Рассмотрим принцип действия этой системы ориентирования. На рисунке выше слева схематично изображена крыльчатка и экран, который заслоняет крыльчатку от ветра. В таком положении крыльчатка находится в покое. Когда направление ветра меняется, экран уже не закрывает крыльчатку полностью и поток ветра давит на незакрытые экраном лопасти крыльчатки, приводя их в движение. Крыльчатка 9 вращается, передавая это вращение через понижающий редуктор 11 шестеренке 5, на которой закреплен экран 10. Экран вращается в ту же сторону, что и крыльчатка, но с заданным редуктором замедлением и закрывает крыльчатку от потока ветра. Вследствие чего крыльчатка останавливается. Когда направление ветра меняется в другую сторону, все происходит точно так же, только крыльчатка крутится в другую сторону и экран, поворачиваясь в сторону поворота крыльчатки, закрывает ее. Размер экрана влияет на чувствительность конструкции. Если размер экрана составляет четверть длины окружности, конструкция становится более чувствительной к смене направления ветра.

Применение редуктора дает нам возможность более четко фиксировать положение шестеренки 5 и исключает возможное раскачивание и ненужные вибрации. С другой стороны меньшее противодействие на поворот крыльчатки делает конструкцию более чувствительной к малейшему изменению направления ветра. Чем больше понижающий коэффициент редуктора, тем большее поворотное усилие удерживает шестеренка 5 и выше чувствительность конструкции к изменению направления ветра. Но большой понижающий коэффициент увеличивает время отработки изменения направления ветра, что нежелательно в условиях частого изменения направления ветра.

Компромисс между жесткостью положения шестеренки 5, размерами крыльчатки 9 и экрана 10, чувствительности конструкции к изменению направления ветра, и временем отработки поворота необходимо установить экспериментально с учетом особенностей эксплуатации в конкретных условиях.Рассмотрим конструкцию редуктора подробно. На рисунке выше изображено: крыльчатка 9, редуктор в разрезе 11 и шестеренка 5 (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру). Крыльчатка 9 жестко закреплена на корпусе редуктора 11 и составляет с ним единое целое. Вся эта конструкция крепится на мачту 7 с помощью подшипника и свободно вращается вокруг мачты. Шестеренка А жестко закреплена на мачте 7 и не вращается относительно мачты. Четыре шестеренки Б крепятся к осям С через подшипники и свободно вращаются на этих осях. Оси С жестко закреплены в шестеренке 5. Шестеренка 5 крепится к мачте 7 через подшипник и свободно вращается вокруг мачты.

Вращающаяся крыльчатка передает крутящий момент на корпус редуктора 11, который в свою очередь вращает шестеренки Б. Шестеренки Б движутся вокруг шестеренки А и передают это движение через оси С шестеренки 5, которая определяет положение лопастей ветрогенератора относительно ветра. Для увеличения понижающего коэффициента редуктора можно использовать несколько сегментов.

Для данной конструкции ветрогенератора можно применить электронную систему ориентирования по ветру. Для этого необходимо убрать экран и крыльчатку. На место крыльчатки устанавливается электродвигатель, который управляется электронной схемой ориентирования по направлению ветра. Такая схема ориентирования дает возможность дистанционно управлять положением лопастей. При необходимости отворачивать ветрогенератор от ветра, тем самым останавливая его для обслуживания, подключения и отключения оборудования и т. д.

В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения, где ведомое оборудование находится высоко над землей, данная конструкция ветрогенератора имеет неоспоримое преимущество. Конструкция ветрогенератора позволяет легко передавать крутящий момент вниз к основанию мачты с помощью вала 12. Это значительное преимущество, если ведомое оборудование имеет большой вес и габариты и не может быть поднято высоко над землей.
Ветряк использует подъемную силу ветра как движущую силу, но реализует это посредством иной траектории движения лопастей, в сравнении с классическим ветряком с горизонтальной осью вращения. Воспользоваться силой напора потока конструкция может только в момент старта, что дает ей высокий стартовый порог. Конструкция не будет вращаться быстрее скорости ветра, и лопасти, расположенные перпендикулярно потоку, не будут тормозить вращение. Давайте подробнее рассмотрим, как работает ветряк.

Если конструкция вращается со скоростью ветра, ее лопасти расположены к набегающему потоку строго параллельно, поток обтекает лопасть равномерно с обоих сторон и подъемная сила не возникает. Если вращение ветряка отстает от скорости ветра на какой-то угол, то набегающий поток давит на лопасть с положительным углом атаки и создает подъемную силу ветра. Ветряк будет стремится достигнуть скорость ветра, но чем ближе скорость вращения ветряка к скорости ветра, тем меньше будет угол атаки набегающего потока, а следовательно и подъемная сила. Если мы будем нагружать ветряк, пытаясь затормозить его, угол атаки будет расти, а следовательно будет расти подъемная сила ветра. Скорость вращения ветряка падать не будет, но крутящий момент многократно вырастет. Ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Если проводить аналогии, то классический ветряк с горизонтальной осью вращения должен уметь менять угол поворота и заклинивания лопасти в зависимости от скорости ветра в каждый момент времени. Такие лопасти сделать очень трудно.

Если сравнивать конструкцию с простым горизонтальным ветряком, то она конечно гораздо сложнее. Но это необходимое усложнение конструкции для того, чтобы адаптировать ее к нашим условиям эксплуатации. Я живу в Краснодаре. Среднегодовая ветровая нагрузка у нас - 6 м/с, перепад скоростей - от полного штиля до ураганных порывов при частых изменениях направления ветра. И такие условия почти на всей территории России. В таких условиях классический ветряк с горизонтальной осью вращения работать эффективно не будет. Необходимо усложнять конструкцию, делать поворотные лопасти, усовершенствовать систему ориентирования по ветру (во избежание раскачки). То есть мы вынуждены усложнять конструкцию, чтобы повысить ее эффективность. Если мой ветряк легко справится с задачей регулирования угла атаки в зависимости от снимаемой нагрузки и скорости ветра, то с классическим горизонтальным ветряком не все так просто. Делая поворотные лопасти, мы будем вынуждены отказаться от углов заклинивания лопасти, то есть придется сделать лопасть прямой, а это ухудшит аэродинамику винта. Поворачивать весь ветряк вместе с генератором гораздо сложнее, чем повернуть шестеренку 5 в моей конструкции (шестеренка ориентации ветрогенератора по ветру).

Основное преимущество моей конструкции перед классическим горизонтальным ветряком - это большой крутящий момент при скорости движения лопастей со скоростью ветра. Высокий стартовый порог. Простота ориентирования по направлению ветра.
Классический горизонтальный ветряк имеет очень высокую быстроходность (может доходить до 300 об. секунду), но стоит приложить к нему нагрузку, как скорость вращения резко падает.

Как провести численные сравнения получаемой мощности, я не знаю, если можете - подскажите.
Ветрогенератор надо рассматривать как комплекс: винт плюс полезная нагрузка, которую винт тянет. И согласование винта с нагрузкой - очень важный момент. Рассмотрим классический ветряк с горизонтальной осью вращения. При отборе мощности скорость вращения начинает падать, но мощность растет до какой-то величины. Мы продолжаем увеличивать отбор и тогда и мощность, и обороты падают. Задача контролера регулированием отбора мощности - держать постоянно максимальные значения, балансировать на пике. Если винт имеет поворотные лопасти, то в зависимости от скорости вращения лопасти меняют угол атаки, чтобы повысить эффективность работы ветрогенератора. Все эти регулировки приблизительные, мы точно не знаем, почему упали обороты. Изменилась скорость ветра, перегрузили ветряк отбором мощности или какие-то другие причины. Потом не надо забывать, что углы заклинивания лопасти рассчитываются под конкретную скорость ветра, и винт может выдать максимум, только если ветер соответствует параметрам винта. А делая лопасти поворотные, мы вообще вынуждены отказаться от углов заклинивания, что сильно ухудшает аэродинамику винта. Теоретический КИЭВ идеального винта с горизонтальной осью вращения Н.Е. Жуковский 0,593 Г.Х. Сабинин 0,683 при этом реальный винт, имеющий практический КИЭВ 0,4, считается отличным результатом. Грубо говоря, практический КИЭВ - это две трети от теории. Это не потому, что теория плохая, просто невозможно сделать лопасть, которая будет менять углы заклинивания и угол атаки в зависимости от скорости ветра. Непонятно как регулировать угол атаки лопасти в зависимости от снимаемой мощности (почему упала мощность, необходимо увеличить угол атаки или просто изменилась скорость потока). Поэтому все горизонтальные винты работают с усредненными параметрами, углы заклинивания рассчитываются по средней скорости ветра, углы атаки лопасти в зависимости от скорости вращения, без учета снимаемой нагрузки, и т д и т п.

С моей конструкцией по-другому, ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Если мы перегрузим ветряк, угол атаки станет слишком большим, произойдет срыв потока с лопасти и обороты ветряка упадут ниже скорости ветра. Это четкая граница, мы можем нагружать ветряк до тех пор, пока скорость его вращения равна скорости ветра. Ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности и выдает максимум, пока его скорость вращения равна скорости ветра.

Скорость вращения моего ветряка никогда не превысит скорость ветра в отличии от ветряков с горизонтальной осью вращения, но крутящий момент, который он способен выдать, многократно превышает крутящий момент ветряка с горизонтальной осью вращения. А вращение со скоростью ветра дает свои преимущества. Так при диаметре ветряка 2 м длина его окружности будет равна 6,28 м. То есть при скорости ветра 6м/с ветряк будет делать примерно один оборот в секунду. А при ураганном ветре 25 м/с будет делать всего 4 оборота в секунду. Это небольшая скорость вращения и никаких запредельных перегрузок конструкция испытывать не будет, хотя при таком ветре уже шифер с крыш улетает. Не надо сравнивать с ветряками, которые используют силу напора потока как движущую силу, так как они выполняют максимальную работу, когда их лопасть движется в три раза медленнее скорости ветра, а моя конструкция - когда лопасть движется со скоростью ветра. Следовательно моя конструкция в три раза эффективней.

Насчет потерь на механизме синхронизации, поворота лопастей. Давайте рассмотрим подробнее. При полном отсутствии ветра мы руками раскручиваем конструкцию за плечо, на котором закреплена лопасть и механизм поворота лопасти. Мы затратим какую-то энергию на вращение конструкции, часть этой энергии потратится на вращение лопасти вокруг своей оси. Но при работе ветряка все происходит не так. Лопасть является движущей деталью конструкции, на лопасть действует подъемная сила ветра. Рассмотрим лопасть подробнее. Лопасть симметрична хорде, обе грани лопасти одинаково закруглены (так как лопасть поворачивается к потоку то одной гранью, то другой). При стекании с закругленного конца лопасти поток будет срываться, образуя область низкого давления что приведет к тому, что вектор подъемной силы ветра будет смещен немного назад относительно центра симметрии лопасти. Короче говоря, лопасть, расположенная под каким-то углом к набегающему потоку, будет стремится повернуться параллельно потоку. Будет возникать крутящий момент. Это если у чемодана ручку прикрепить не по центру а сместить в сторону, чемодан перекосит, чемодан тяжелее не станет, просто точка опоры не совпадает с центром тяжести. Когда лопасть движется по фронту, относительно набегающего потока, возникающий закручивающий эффект совпадает с направлением вращения лопасти. Когда по тылу возникающий закручивающей эффект противодействует вращению лопасти. Эти силы одинаковы, но противоположно направлены и должны уравновесить друг друга. Но на практике лопасть, движущаяся по фронту, будет получать больше энергии от потока, чем лопасть, движущаяся по тылу (она находится как бы в тени первой, часть энергии поток уже отдал, и его воздействие на лопасть более слабое). Поэтому в результате сложения этих противоположно направленных сил у нас останется положительный остаток, совпадающий с направлением вращения лопасти. Чем больше лопастей имеет конструкция, тем больше затеняющий эффект и тем сильнее будет проявляться крутящий момент лопасти.

В настоящее время классический ветрогенератор с горизонтальной осью вращения применяется для промышленного производства электроэнергии. Это объясняется тем, что у него высокий КИЭВ, простотой конструкции. Но эти ветряки требовательны к месту размещения. Это должны быть площадки с сильным постоянным ветром. Таких мест немного, в основном побережье морей и океанов. Для работы в других условиях мы вынуждены усложнять конструкцию, придавая ей новые качества. Бесшумность (для возможности размещения рядом с местом проживания), простота ориентирования по ветру, высокий стартовый порог, устойчивость к ураганным порывам ветра.

Моя конструкция обладает всеми этими качествами. Ее ниша на рынке - это небольшие ветрогенераторы, размещаемые на крышах или вблизи жилых построек.
Основная идея этой конструкции - получить компактный недорогой ветряк, который способен устойчиво работать при слабых и умеренных ветрах. Такая ветровая нагрузка практически по всей территории России. Это открывает перед конструкцией широкую область применения и огромный рынок сбыта.