Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветро колесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется ...
Принцип действия всех ветродвигателей один: под напоромветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тембольше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взглядуветроагрегат представляется простой конструкцией.
Традиционная компоновка ветряков -- с горизонтальной осью вращения -- неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей. Кроме того, концы лопастей крупной установки двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая - мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.
По прогнозам фирмы Боинг (США) на текущее столетие --длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные из них --вдвое "слабее". В большой ветроэнергетике только при массовомстроительстве можно рассчитывать на то, что цена киловатт-часаснизится до десяти центов.
Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерновтрое более дорогую. Для сравнения отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО "Ветроэн" крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт.Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.
Типы ветродвигателей
Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей.
Они делятся на две группы:
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые)(2...5); ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные:лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей. Крыльчатые Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения. Коэффициент использования энергии ветра (см. рис. p067) у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных [14].В то же время, у карусельных -- намного больше момент вращения.Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняетсявеличиной скорости их вращения. Они могут непосредственносоединяться с генератором электрического тока безмультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателейобратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты сколичеством лопастей больше трех практически не используются.
Карусельные Различие в аэродинамике дает карусельным установкампреимущество в сравнении с традиционными ветряками. Приувеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги,после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование -- использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. multiplicator умножающий] -- повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.
Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить затем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся вСША, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки. Ортогональные Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты,перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. p066 (6)).Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию -- раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с,а номинальная мощность достигается при скорости 14...16 м/с.Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми -- взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем (см. гл.3.5) можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки. Неожиданные проявления и применения Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений.
Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания. Появление экспериментального ветродвигателя на Оркнейских островах (Англия) в 1986 году вызвало многочисленные жалобы от телезрителей ближайших населенных пунктов [16]. В итоге около ветростанции был построен телевизионный ретранслятор. Лопасти крыльчатой ветряной турбины были выполнены из стеклопластика, который не отражает и не поглощает радиоволны.Помехи создавал стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски, предназначенные для отвода ударов молний. Они отражали и рассеивали ультракоротковолновый сигнал.Отраженный сигнал смешивался с прямым, идущим от передатчика, и создавал на экранах помехи. Построенная в 1980 году в городке Бун (США)ветроэлектростанция, дающая 2 тысячи киловатт, действовала безотказно, но вызывала нарекания жителей городка. Во время работы ветряка в окнах дребезжали стекла и звенела посуда наполках [17]. Было установлено, что шестидесятиметровый винт при определенной скорости вращения издавал инфразвук. Он неощущается человеческим ухом, но вызывает низкочастотные колебания предметов и небезопасен для человека.
После доработки лопастей от инфразвуковых колебаний удалось избавиться. Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию.Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой --однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собойпрямоугольную пластинку с отогнутыми краями .Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре. На большой площади крыльев карусельный трех-четырехлопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.