Прекрасный обзор роторных( вертикальных) ветроустановок от ученых их Воронежа.

Автор: Павел Беляков, к.т.н., доцент, профессор каф. электрической энергетики Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж); доцент каф. электромеханических систем и электрическогоснабжения 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

Краткая предистория вопроса

Ветряки с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен. Наиболее древний документ, дошедший до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется не очень точно и относится к периоду 500-900 годами н.э. В документе описывается персидский механизм, применявшемся для подъема воды и помола зерна. Позже такой ветро_двигатель получил латинское название «panemone», что означает: вращается при любом направлении ветра.
Ветро двигатели с вертикальной осью использовались и в Кнр, который часто упоминается, как место их рождения. Широко распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Кнр больше 2000 лет назад, однако наиболее раннее документальное упоминание датируется 1219 г. н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветро_двигатель, очевидно, применялся для размола зерна и перекачивания воды.


Pис. 1: Первые ветро_двигатели с вертикальной осью вращения
Этапы новейшей истории развития ветродвигателей с вертикальной осью вращения отмечены патентами на конструкции, успешно используемые в настоящее время:

  • ротор Савониуса (С.Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рис. 2а);
  • ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рис. 2б);
  • ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рис. 2в);
  • ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рис. 2г);
  • геликоидная турбина Горлова (А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины В.Э.У. «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рис. 2д). и др.


Рис. 2: Этапы новейшей истории ветродвигателей с вертикальной осью вращения

Принцип действия
Преобразование энергии в современных В.Э.У. осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования ветроэнергии в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями. За рубежом при разговоре об аналогичных устройствах чаще всего пользуются термином ветро_турбина.
Ветро_Двигатель отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, габаритов активной части и режима работы. Известны два основных способа отбора мощности у движущегося воздушного потока, на которых базируется работа современных ветродвигателей.
В первом способе используется феномен подъемной силы крыла, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущемся потоке воздуха. Для простоты назовем их «ветродвигатели подъемной силы».
В основе второго способа лежит дифференциальное (неодинаковое) лобовое сопротивление твердого тела несимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления воздушного потока. Назовем их «ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления».
Существуют также многочисленные конструкции, которые сочетают в себе два вышеуказанных способа в различном процентном соотношении.
Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования ветроэнергии и быстроходность, соответственно.

Под коэффициент использования ветроэнергии понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать коэффициент использования ветроэнергии Ср и называть «Си Пи фактор». Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина Ср не может быть более 0,593. Это число получило название лимит Бетца и по определению является величиной безразмерной.
Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветро_двигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если  4.
Вертикально-осевые ветро_двигатели «подъемной силы»
На рисунке 3 показаны: устройство простейшего ортогонального ветродвигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от ее положения относительно направления ветра.

Рис. 3: Работа конструкции, использующей подъемную силу крыла

Где: U – скорость ветра, V – тангенциальная скорость перемещения лопасти; W — суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;  α – угол атаки; Т – сила, создающая крутящий момент; N – сила, риложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки; L – подъемная сила лопасти ; D – сила лобового сопротивления лопасти.

Ветро_Двигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режим авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.

При увеличении количества лопастей до трех и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), СPувеличивается от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, и достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холостом ходу при скоростях ветра 3 м/с и выше. Оптимальный режим работы данных ветродвигателей (максимальное значение СP) достигается при значениях 1 от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора более пяти, как правило, приводит к снижению быстроходности и уменьшению СP.

Рис. 4: Многообразие конструкций современных вертикально-осевых ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла
Следует отметить, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра, и они не нуждаются в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности. Это одно из основных преимуществ установок данного типа при сравнении с горизонтально-осевыми В.Э.У..
Однако продолжают появляться новые схемы вертикально-осевых В.Э.У., в частности установка «с качающимся крылом», в которой углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики, принцип действия которой понятен из рисунка ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Производство таких установок значительными сериями не ведется.

Рис. 5: Пример конструкции вертикально-осевая ветро_турбины с наведением на ветер
Вертикально-осевые ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»
Первые ветро_двигатели с вертикальной осью работали, используя данный принцип, который заключается в том, что твердое тело несимметричной формы (например, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), обладающего постоянной скоростью V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями FЛС1 и FЛС2соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепить на траверсе с двух сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w.

Еще записи на эту же тему:



Страницы: 1 2 3

8 коммент. к “Прекрасный обзор роторных( вертикальных) ветроустановок от ученых их Воронежа.”

  • Владимир | 31 Август, 2010, 20:33

    Большое спасибо за интересный материал. Когда то приходилось заниматься проектированием фундаментов для ветровых  установок мощностью 1мвт ,высотой башни 60м с учетом статических и динамических  вибрационных нагрузок.Пришлось просмотреть довольно много материалов в этой области,но ничего подобного не встречалось. НИС ГИДРОПРОЕТА -однажды, в 70 годах ,предложил одну ветроустановку с вертикальной осью к опытному испытанию в Дагестане, на сопке, в районе стройплощадки Чиркейской ГЭС.Установка была построена и испытана.Потом все как то заглохло к сожалению.Может о ней кто нибудь вспомнит? С уважением Владимир СПб 31.08.2010г

  • vodkov | 31 Август, 2010, 20:59

    Очень интересный и содержательный материал.Большое спасибо.С уважением Владимир СПб 31.08.2010г

  • abrst | 21 Февраль, 2011, 17:59

    В интернете повсеместно обсуждаются ветрогенераторы и в качестве основы берут коллекторный электродвигатель, при использовании которого энергия ветра преобразуется в пульсирующий постоянный ток. Предлагаю всем желающим приобрести коллекторный двигатель постоянного тока производства Германия, 1200 об/мин, с силой тока от 15-80 Ампер, 48 Вольт. Данный электродвигатель идеален для ветряка, так как содержит в конструкции постоянные магниты. В наличие два двигателя. Цена 5000 руб два дешевле. Вышлю почтой по предоплате. Пишите kir.ser83@yandex.ru

  • Макс | 9 Апрель, 2011, 0:14

    Хорошее изложение материала. Плюсы и минусы обозначены. Только начал интересоваться данной темой.

    Спасибо автору.

  • Светлов Петр | 3 Июнь, 2011, 18:37

    Уважаемый Павел Беляков рассмотрел не все новые принципы работы Ветродвигателей. См. сайт Светлов Петр Викторович в Рамблере «Ветроагрегат» на воздушной падушке, мощностю десятки МегоВат совершенно новой конструкции.

  • Александр | 26 Январь, 2014, 22:57

    Максимально возможный СР если лопасти будут в виде парусов и управляться самым оптимальным образом к направлению ветра, учитывая угол поворота ветроколеса. Сделать это не сложно. Система управления парусом незначительно утяжеляет ветроколесо. Выработка электроэнергии начинается с 0,5 -1 м/сек, проверено на практике. Учитывая то что неуправляемые лопасти требуют повышенного запаса прочности, конструкция получается не тяжелее и даже надёжнее, так же проверено экспериментально. Единичная мощность до сотен мВт. Что вы можете получить с классических ветроигрушек??? Побаловаться можно, а в целом дорогое тупиковое направление!!!

  • Светлов Петр | 17 Ноябрь, 2014, 17:47

    Супертурбоветроагрегат с вертикальной осью вращения на воздушной падушке соаершенно новой конструкции см.» Светлов Петр Викторович Банк данных изобретений»

  • Михаил | 18 Январь, 2015, 11:51

    Уважаемый автор ! Прошу дать уточнение по схеме: непонятно почему указанный угол атаки и подъемная сила имеют разные знаки. Ведь если угол атаки положителен, а указано так, то подъемная сила указана в другую сторону.  Особенный профиль лопасти? Не симметричный?

Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.