ВЕТРОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА С ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Прямое набегание пoтока. Ветроприемные устройства с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, так как они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого поверхности, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность — отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.



Рис. 1.2. Типы парусных крыльев:
а — наиболее старинный тип с двусторонним расположением крыла (около 1600 г.): 1 — клинья; 2 — срезанный конец; 3 -мах; б — традиционная форма старинного датского типа (одна опорная полка вынесена вперед): 1 — убирающееся полотнище паруса; 2 — опорная полка; 3 — передняя кромка; 4 — концевая планка; 5 —продольные связи; 6 — рейка; в — крыло с жалюзи и воздушным тормозом; 1—жалюзи; 2 — тормозные жалюзи; г — крыло с жалюзи и щитком: 1— жалюзи; 2 — щиток.


Ветроколесо может быть выполнено с различным числом лопастей; от однолопастных устройств с контргрузами до многолопастных (с числом лапастей до 50 н более). Для снижения изгибающих нагрузок у корпя лопастям часто придают сужающуюся к периферии форму. Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т. е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению потока. Такой тип устройств применяется только при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветродвигателей обычно используются для этой цели хвостовые оперения, у больших — сервосистемы.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд способов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, применение клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу ветроколеса или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.



Рис. 1.3. Типы ветроприемных устройств;
а — с горизонтальной осью вращения: 1 — однолопастное ветроколесо; 2 — двухлопастное; 3— трехлопастное; 4— многолопастное; 5 —многолопастное велосипедного типа; 6—барабанное; 7 — ветроколесо, направленное навстречу потоку; 8—ветроколесо, расположенное по потоку (за башней); 9 — ветроколесо с пневматической передачей мощности; 10 — парусное крыло; 11 — ветроколесо с диффузором; 12 — ветроколесо с концентратором энергии; 13— многоветряковое с несколькими ветроколесами; 14 — ветроколеса встречного вращения; 15— ротор Савоннуса; 16 — ветроколесо, использующее энергию свободных вихрей; 6 —с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления: 1 — ротор Савоииуса;. 2 — ротор Савоннуса многолопастный; 3 — ротор пластинчатый; 4 — ротор чашечный; в — с вертикальной осью вращения с использованием подъемной силы: 5 — ротор Дарье 0-образный; 6 — ротор Дарье Д-образный; 7—-ротор с прямыми крыловыми лопастями (Giromill); 8 — ветротурбина; г —с вертикальной осью вращения комбинированного типа; 9 — роторы Дарье 0-образиый и Савоииуса; 10—ротор Савоннуса щелевой: 11 — ротор с использованием эффекта Магиуса; 12— с несущими поверхностями; д — с вертикальной осью вращения других типов: 13 — ветроколесо с дефлекторным устройством; 14 — солнечно-ветровое устройство; 15 — ветроколесо с турбиной Вентури; 16 — ветроколесо с вихревым устройством.

Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться в рабочем положении перед башней или за ней.
Современный вариант старинного ветроколеса с парусными лопастями, сконструированный в Принстонском университете из металлических труб и обшивки, имеет форму, близкую к форме воздушного винта, и называется иногда парусным крылом. Оно имеет жесткую трубчатую переднюю кромку, на которой закреплены короткие рейки по форме концевой и корневой хорд. Между их свободными концами натянут трос, который служит задней кромкой лопасти.
Поверхности лопастей обычно состоят из свернутого в рулон паруса, который скользит над трубчатой передней кромкой и тросом и растягивается при натяжении троса. Аэродинамическое качество парусного крыла примерно такое же, как и у обычных жестких лопастей воздушного винта, а масса меньше примерно на 50%. Размеры парусного крыла ограничиваются допускаемыми напряжениями в материале; его диаметр не превышает 9 м.
Различные типы ветродвигателей с горизонтальной осью вращения выполняют также со встречным вращением ветроколес.

Известны многоветряковые установки, которые монтируются на одной башне с целью снижения доли ее стоимости для ветроустановки с данной мощностью. Применяются входные сужающиеся конусообразные устройства для увеличения скорости потока, попадающего на ветроколесо, и снижения степени турбулентности, используются устройства с закручиванием потока около ветроколеса для увеличения его угловой скорости. Из рис. 1.4 видно, как установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.

Перпендикулярное направление действия ветра па установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует применения систем ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности, что приводит к потере их эффективности. Они не имеют существенных преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.



Рис. 1.4. Типовое семейство ветродвигателей с горизонтальной осью вращения при среднегодовой скорости ветра. 7,6 м/c:
1 — на территории, удаленной от побережья; 2 — на побережье (D — диаметр ветроколеса, м).

Источник: Ветроэнергетика/Под ред. Д. де Рензо - М. Энергоатомиздат, 1982

Ветроэнергетика

Из различных альтернативных технологий производства энергии, наилучшие перспективы в среднесрочном плане просматриваются у ветроэнергетических систем. На протяжении большей части прошлого столетия их использовали, главным образом, в отдаленных районах, не подключенных к центральной сети энергоснабжения. Ситуация резко изменилась в начале 70-тых, когда разразился "энергетический кризис" и цены на нефть буквально взлетели. Именно в те времена отношение к ветряным электростанциям радикально изменилось - их стали воспринимать как серьезный источник энергии. Это создало стимул для развития технологий, появились новые конструкции ветряных турбин, и самое главное - снизилась стоимость их производства. Дополнительную мотивацию для дальнейшего развития отрасли обеспечили власти Калифорнии - в этом штате была введена льготная система налогообложения. В настоящее время суммарная мощность всех ветряных электростанций в мире составляет уже около 25 ГВт. Большая их часть расположена в Калифорнии и в Дании. В Канаде их использование по-прежнему сосредоточено в отдаленных районах, однако на юге Альберты уже начинается реализация проектов строительства ветряных электростанций, которые будут включены в общую сеть поставок электроэнергии.

Прогресс в сфере технологий обеспечивает быстрое снижение стоимости таких систем - одновременно увеличивается и их надежность в эксплуатации. Средняя стоимость энергии, генерируемой ветряными турбинами, уменьшилась с 15-20 цент/кВт-ч в 80-тых до 7-9 цент/кВт-ч в настоящее время. Это уже сопоставимо с уровнем затрат электростанций, использующих ископаемое топливо, и дешевле, чем производство энергии западными атомными электростанциями. Такого резкого снижения затрат удалось добиться, главным образом, за счет увеличения надежности ветряных турбин - современные установки можно эксплуатировать 95-98% времени.

В современных турбинах используются два типа конструкции - на горизонтальной или вертикальной осях. Несмотря на различную форму, основные механизмы этих двух систем не имеют различий принципиального характера. Кинетическая энергия ветра передается лопастям турбин, а затем через трансмиссию - электрическому генератору. Трансмиссия нужна для того, чтобы обеспечить наиболее эффективное функционирование генератора во всем диапазоне изменения скорости ветра. В соответствии с новейшими тенденциями, оптимальной считается классическая датская концепция - конструкция с тремя лопастями и ротором, размещенным с той стороны башни, откуда дует ветер. Перемещение системы в нужное положение при изменении направления ветра осуществляется электродвигателями.

Размеры современных турбин варьируются в широком диапазоне: от небольших - мощностью 100 Вт, предназначенных для энергоснабжения отдельных жилых домов или коттеджей, до огромных установок с диаметром лопастей до 50 м, способных генерировать более 1МВт электроэнергии. В настоящее время промышленность преимущественно выпускает турбины, установленные на горизонтальных осях, с тремя лопастями диаметром 15-30 м. Мощность таких турбин составляет 50-350 кВт; их часто группируют в "ветряные фермы", поставляющие энергию в централизованную сеть. В Канаде, где имеются обширные территории с весьма умеренной скоростью ветра, предпочитают использовать турбины на вертикальных осях - при слабых ветрах они функционируют эффективнее.
Для эффективного функционирования турбин огромное значение имеет место их размещения. В общем случае, скорость ветра увеличивается с высотой. Поэтому большую часть турбин располагают на вышках, хотя их высота обычно не превышает 30 м - из-за ограничений, которые связаны с прочностью доступных материалов. На ветряных электростанциях турбины обычно располагают друг от друга на расстоянии 5-15 диаметров лопастей. Эта дистанция необходима, чтобы избежать воздействия турбулентности, возникающей при прохождении ветра через каждую из турбин, на функционирование остальных.

В настоящее время ветряные электростанции интенсивно используются в четырех основных сферах:

* Энергоснабжение в отдаленных районах, в которых маленькие ветряные установки часто оказываются самыми недорогими источниками энергии. Турбины для этих систем имеют весьма простую конструкцию и могут долгое время функционировать без человеческого вмешательства даже в суровых климатических условиях. Обычно их применяют для поддержки телекоммуникаций, энергоснабжения жителей сельской местности и на водонасосных станциях. В отдаленных районах более чем 70 стран установлены маленькие ветряные турбины американского производства.

* Централизованная сеть местного уровня, где ее функции состоят в обеспечении энергией расположенных поблизости жилых домов, ферм и предприятий. Поскольку в среднем ветряная турбина генерирует электричество только 25-30% времени, это важный источник энергии в регионах, где ветры зависят от сезона или где системы хранения энергии экономически нецелесообразно подключать к коммунальной сети.

* Энергоснабжение в регионах, где ветряные электростанции могут представлять важный источник энергии для централизованной сети. Например, на холмах Южной Калифорнии установлены тысячи таких турбин.

* Гибридные системы. В отдаленных районах ветряные электростанции часто включают в дополнительные системы генерирования энергии - дизельные генераторы и солнечные батареи. Такие гибридные системы обеспечивают повышенную надежность энергоснабжения и эксплуатационную гибкость.

* По оценкам промышленных экспертов, многие страны, включая США, Великобританию и Данию, легко могли бы обеспечивать 20-40% своих потребностей в электроэнергии за счет ветряных турбин. По мнению аналитиков, в течение ближайших нескольких лет суммарная по миру мощность ветряных электростанций будет увеличиваться со скоростью 20-25% в год. Этот рост будет происходить за счет реализации новых проектов. Перспективы рынка альтернативных источников этого типа становятся настолько привлекательными, что даже крупнейший в мире производитель газовых турбин - группа General Electric - приняла решение расширить свою деятельность в этом направлении. Недавно группа приобрела у обанкротившейся Enron ее дочернюю фирму, которая специализируется на производстве оборудования для ветряных электростанций. Эта компания занимает четвертое место в мире по объему производства ветряных турбин.