ВЕТРОГЕНЕРАТОР: СТОИТ ЛИ УСТАНАВЛИВАТЬ и КАКОЙ ТИП ВЫБРАТЬ. Часть 1 (принцип действия и особенности конструкции)

Бурное развитие технологий плюс все явственней ощущаемое по таянию ледников и участившимся сильнейшим ураганам изменение климата способствуют активному освоению нетрадиционных источников энергии. Не прошло и десятилетия как солнечные панели и ветрогенераторы из дорогой экзотики стали привычным элементом ландшафта.

Солнечный свет и ветер не требуется добывать. Их запасы неисчерпаемы, то есть они исчезнут вместе с нашей планетой. И при освоении не выделяются парниковые газы. К тому же многих владельцев частных домов привлекает полная автономия в вопросах электроснабжения. Однако выбирая ветрогенератор, следует знать особенности и условия работы установок разных типов.

Работа ветроэнергетической установки (ВЭУ) базируется на преобразовании посредством специального аэродинамического устройства (ветродвигателя) кинетической энергии ветра в механическую энергию вращения вала, которая затем трансформируется в электрическую.

Основными конструктивными элементами установки являются ротор (ветродвигатель), редуктор-мультипликатор и электрогенератор. Под действием набегающего потока воздуха осуществляется вращение ротора, которое посредством редуктора доводится до стандартизированной для генератора частоты.

Ротор представляет собой собранные в ветроколесо/крыльчатку и соединенные с валом лопасти определенной формы. Вал, по сути, есть осью вращения такой конструкции и по его ориентации относительно направления ветра все ВЭУ подразделяются на два основных типа – горизонтально или вертикально осевые.

ГОРИЗОНТАЛЬНО-ОСЕВЫЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ

Горизонтально-осевые агрегаты характеризуются ориентированной параллельно набегающему воздушному потоку осью вращения. Такое же расположение ветроколеса имели столетиями украшавшие европейские сельские пейзажи ветряные мельницы. А сегодня им на смену пришли трехлопастные ветрогенераторы.

На современном уровне развития ветроэнергетики именно такие установки имеют широкое распространение как при промышленном, так и автономном электроснабжении. И ввод в эксплуатацию все новых устройств набирает обороты.

Созданные на данный момент горизонтально-осевые ветрогенераторы наиболее быстроходные. Быстроходность u определяется соотношением линейной скорости лопасти ротора к скорости набегающего воздушного потока. Когда u≥4 агрегат считается быстроходным.

К тому же горизонтально-осевые установки характеризуются самым высоким коэффициентом использования ветра. Поэтому такие ветрогенераторы с быстроходностью u = 5÷7 являются на данный момент наиболее мощными.

У подобных ВЭУ редуктор, генератор, системы управления и контроля располагаются в играющей роль машинного отделения гондоле. Она вместе с ротором устанавливается на вершине мачты или башни, стоящей на надежном фундаменте.

Для эффективной работы плоскость вращения ветроколеса должна быть перпендикулярной воздушному потоку. Поскольку ветер изменчив, то приходится его «ловить», поворачивая гондолу с ротором. Это требует мощного привода и усложняет передачу выработанной электроэнергии от генератора в сеть потребителя. Скручивание силовой шины предотвращают или ограничением угла поворота, или делая разрыв с применением токосъемника.

Кроме того у них имеется определенный эксплуатационный диапазон скоростей ветра. С одной стороны он ограничен расчетным/рабочим значением v_p, а с другой критическим или буревым – v_max. В этом диапазоне установка развивает свою номинальную мощность. При превышении v_max, чтобы агрегат не пошел в разнос, его тормозят. Для поддержания постоянной скорости вращения ротора и обеспечения торможения применяется система поворота лопастей.

Мегаваттные быстроходные трехлопастные (гораздо реже с двумя или одной лопастью) горизонтально осевые ВЭУ уже обеспечивают в качестве основного источника электроснабжения целые города в США, Китае и Европе. При таком использовании несколько установок обычно объединяют в единую систему – ветропарк.

Такие ветропарки могут иметь не только наземное базирование, но и располагаться на территории морских акваторий. Главное, чтобы при этом установки по максимуму использовали энергию ветра не создавая одна другой ветровой тени, то есть не направляя на стоящую позади уже отработанный воздушный поток.

Для автономного электроснабжения загородных домов и индивидуальных хозяйств разработаны тихоходные горизонтально-осевые ВЭУ мощностью до 30 кВт.

ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВЫЕ ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ

Вертикально-осевые установки характерны тем, что их ось вращения ориентирована перпендикулярно набегающему потоку воздуха. На ветряных мельницах подобного типа веками мололи зерно в Персии, Китае и других странах Азии. Как правило, их лопастями были прямоугольные деревянные или тканевые «паруса».

Редуктор-мультипликатор и электрогенератор у такого типа ВЭУ расположены внизу, что повышает устойчивость конструкции и облегчает техническое обслуживание. Такому агрегату не требуется «ловить» ветер, поэтому нет необходимости в системе ориентации и нет проблемы скручивания силовой шины.

Так же не нужно поворачивать лопасти – ветрогенератор работает с переменной частотой вращения, запускаясь при небольшой скорости ветра и выдерживая ураганы и песчаные бури с порывами до 60 м/с.

Ему не страшен мокрый снег и обледенение. Эксплуатировать подобные установки можно практически в любых климатических условиях – от жары пустынь до арктических морозов.

Такого типа ВЭУ отличаются большим разнообразием форм роторов. Чаще других используется ротор Савониуса (Savonius rotor), классический ротор Дарье (Darrieus rotor) и его варианты – модернизированный и более надежный Н-образный и геликоидный (усовершенствованный Горловым).

У роторов Дарье при небольших скоростях ветра выше быстроходность, но существует проблема самозапуска. Поэтому их для предварительного разгона нередко дополняют роторами Савониуса.

Пока что разработанные вертикально-осевые ветрогенераторы более тихоходны (у подавляющего большинства u≤3) и конкурируют в эффективности с горизонтально-осевыми при мощностях до 10 кВт. Это способствует быстрому росту их популярности среди владельцев загородных участков. Они активно внедряется в установках для автономного уличного освещения. Хотя и гораздо реже такого типа ВЭУ также объединяют в ветропарки.

Рассмотрев выше конструкционные особенности установок, в следующей части перейдем к обсуждению условий эксплуатации, возникающих при работе ВЭУ негативных явлений и сравним ветрогенераторы разных типов.