Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

В честь французского инженера Жоржа Дарье, вертикальные ветровые турбины называют турбинами Дарье. В 1931 году он получил патент на разработку турбины с вертикальной осью вращения, которые имеют лопасти в форме «С» с количеством двух-трех лопастей.

У ветровых установок с вертикально расположенной осью вращения ведущий вал ротора располагается вертикально. У таких установок лопасти бывают дугообразными и длинными, и устанавливаются к башне с нижней и с верхней части. Вертикально расположенный вал ротора позволяет такому виду турбины по сравнению с ветровыми установками с горизонтально расположенной осью вращения, охватывать ветровой поток с любого направления, и для этого нет необходимости ориентироваться на ветер, поворачивать лопасти по направлению ветрового потока. Хоть ветровые установки с вертикальной осью вращения и с горизонтальной осью вращения внешне различаются, их системы имеют схожества. От взаимодействия лопастей с ветровым потоком, получается кинетическая энергия, которая через трансмиссию передается на генератор ветровой установки. При различных скоростях ветра генератор может работать эффективно благодаря системе трансмиссии. Зависимо от взаимодействия с ветровым потоком ветровые установки бывают с жестко закрепленными лопастями и с регулируемыми лопастями с изменяющимся углом. Эти две конструкции имеют преимущества и недостатки. Ветровые установки с регулируемыми лопастями, используют ветер эффективно, и могут вырабатывать больше электроэнергии. И для регулирования изменения углов лопастей, применяется подшипник, который со временем износится, что приводит к поломке ветрового агрегата. Ветровые турбины с жестко закрепленными лопастями обслуживаются легче, но используют ветровой поток менее эффективно.

Ветровые установки с вертикальным ротором имеют существенные преимущества перед ветровыми установками с горизонтальным расположением ротора. Для таких ветровых установок необязательно устанавливать систему ориентации на ветер, конструкция более упрощенная и имеют меньше гироскопических нагрузок на лопасти, систему передач и на другие важные установки.

К таким установкам можно отнести устройства Савониуса с S-образной формой лопасти, чашеобразной лопастью или с установки с пластиной. Роторы Савониуса имеют большой начальный момент, но быстроходность у них не так велика и мощность у них бывает поменьше.

Во Франции в 1920 году инженер Жорж Дарье предложил новый тип ветровой установки, а его разработкой начали интенсивно заниматься лишь с 1970 года. В сегодняшние дни ротор Дарье можно рассматривать как основного конкурента ветровых генераторов крыльчатого типа.

Лопасть ротора Дарье имеет в поперечном сечении профиль крыла, и благодаря этому ротор Дарье использует подъемную силу, появляющуюся на выгнутых лопастях. Ротор Дарье имеет небольшую начальный момент и обладает очень большую быстроходность, и благодаря этому имеет больше удельной мощности, относительно массы установки и его цене. Эти роторы имеют разные формы лопастей, в форме ромба, треугольника, в форме буквы «Ф», и бывают с одной, двумя, и с большим количеством лопастей.

Для того, чтобы лопасти пропеллера были легкими, их изготавливают из стали, дерева, из фибергласа.

На сегодняшний день, в таких странах как Дания, Великобритания, Канада, выпускаются ветровые установки мощностью 1 МВт. Самые большие ветровые установки выпускаются мощность до 3 МВт, а иногда и выше. Диаметр ветроколеса достигает до 120 метров.

Ветровую энергетику нужно развивать не по пути больших габаритов. Лучшим направлением будет производство средних турбин с большей мощностью и с удобным обслуживанием, эксплуатацией и производством. Даже если нынешние ветровые установки мощны и велики, они не могут полностью покрыть потребности в электроэнергии крупных городов. Небольшие ветроэлектростанции во работают благополучно на пользу народу. В США множество ферм, маленьких городков расположены в дали от крупных городов и магистральных сетей, поэтому ветровые электростанции в 1,5 - 2 киловатта пользуются популярностью. В Германии на Северо-Фризских островах находится установка для опреснения морской воды, работающая от энергии полученной ветровой установкой. На острове Пельворм есть полигон, на котором проводят испытание разных моделей ветровых турбин. В фермерских хозяйствах успешно применяют малые ветрогенераторы для получения электричества для механизмов качки воды. На практике доказано, что использование ветрогенераторов малой мощности обходится в 10 раз дешевле подвоза воды цистернами и в 4 раза дешевле использования дизельных установок.

Достоинства ветроустановок в том, что они работают во благо нашим потребностям. В многих регионов земного шара сильные ветра дуют в период осени в начале зимы. Это время, когда человек использует больше всего энергии для получения тепла и света. А летом наступают времена затишья сильных ветров, и в это время человек потребляет меньше энергии. Но основной недостаток перекрывает пользу от всего этого. Чтобы увеличить вырабатываемую мощность ветровой установки, нужно увеличить размер лопастей, от этого конструкция станет тяжелее. И для работы ветровой установки потребуется большая скорость ветра, которая есть не во всех регионах, и районы использования такой установки сократятся.

Проведенные опыты показывают, что ветровые установки, имеющие вертикальную ось, превосходят ветровые установки в горизонтальной осью по показателям эффективности. К преимуществам вертикально-осевых установок над горизонтально-осевыми установками относится случаи, когда ветровая установка работает в районе переменных воздушных потоков, и нужно менять направление турбины. А это повышает нагрузку на башню, на подшипники, которые направляют ветровое колесо, и надо учитывать, что на все это расходуется энергия. На вертикально-осевые ветровые установки ветровой поток распространяется равномерно. Благодаря этому есть возможность изготавливать легкую, большую установку. Генератор можно устанавливать на земле, что невозможно сделать в вертикально-осевых турбинах. Чтобы установить ротор напротив направлению ветра нет необходимости устанавливать дополнительны механизмы.

Чтобы увеличить эффективность ветровой установки, нужно корректировать технологию использования ветра при помощи применения вертикально-осевых установок на чувствительность к направлению ветрового потока, которые будут использовать технологию «крыло и парус».

Ветровая установка, разработанная при Алматинском Институте Энергетики и Связи профессором Альбертом Васильевичем Болотовым, относится к такому виду ветровой установки. Этот тип ветрового агрегата относится к совершенно новому виду – это состоящая из нескольких модулей энергетическая ветровая установка с вертикально-осевой турбиной. Новизной этой турбины является роторная турбина с противоположным вращением и моновращением роторов, электрический генератор с противоположным вращением и моновращением статора и ротора, использование солнечных панелей. На распределительном щите находятся инвертора, обеспечивающие питание электроприемников и делящие их на категории потребителей.

Конструкция ВРТБ проста, она состоит из статора с пластинами вогнутыми во внутрь и расположенным в нем вращающегося ротора с профильными лопатками. Конструктивное исполнение показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Конструктивная схема ветродвигателя: 1-ротор,

2-направляющий аппарат

Направляющие крылья берут из воздушного потока воздух и направляют его на лопатки ветрового ротора, и с обратной стороны выводит воздух. Модули ротора располагаются по обе стороны генератора и вращают его независимо от разности скорости ветра. Роторы находятся на разной высоте над поверхностью земли и вращаются с разными скоростями. Все это дает возможность создать ветровой генератор с меньшим размером и весом при одинаковой вырабатываемой мощностью, где в генераторе вращается только ротор, статор остается неподвижным.

В комплект ветровой турбины Болотова входит разработанный в АИЭС электрический генератор с электромагнитным возбуждением, имеющую структуру обмотки статора, которая обеспечивает возрастание вольт-оборотной характеристики.

Роторная турбина Болотова имеет высокие динамические показатели, преобразует в электроэнергию энергию пульсации и порывов ветра, которые обычно происходят при изменении направления ветра, которая показано на рисунке 3, и развиваемая ею мощность соответствует зависимости (кривая 1).

Рисунок 3 – Развиваемая генератором ВРТБ мощность кривая 1 в реальном времени, соответствует изменению скорости и энергии ветра – кривая 2

Роторная турбина ВРТБ обладает следующими достоинствами:

- отсутствует потребность ориентирования ветровой установки на направление ветрового потока, что обеспечивает повышенную выработку электроэнергии;

- скорость вращения роторов турбины не ограничивается и это позволяет работать со всеми ветрами, включая штормовые, что повышает коэффициент использования установленной мощности электрогенератора;

- высокая стартовая мощность способствует работе при низких скоростях ветрового потока, использовать энергию кратковременных порывов и шквалов;

- раздельное встречное вращение роторов модулей турбины с противоположным вращением позволяет удвоить результирующую (для генератора) скорость ветра и высокий коэффициент использования его энергии, особенно в диапазоне малых скоростей;

- вращение в разные стороны статора и ротора генератора позволяет удвоить скорость взаимного перемещения его магнитных систем и, как следствие, выходной мощности;

- отсутствуют внешние вращающиеся части, что обеспечивает безопасность, низкий уровень шума и отсутствие радиопомех;

- конструкция очень простота, отсутствуют вспомогательные механизмы и;

- возможность производства, транспортировки и установки общепромышленными средствами;

- возможность параллельной работы в многоагрегатных энергосистемах.

Ветровые роторные установки являются универсальными, что означает возможность получать ветер с любого направления. Коэффициент получения пользы от энергии ветра в 1,5-3 раз выше, чем у пропеллерных установок такой же мощности.