Сравнительный анализ ветрогенераторов

Ветровые электрические установки с вертикальной осью и установки с горизонтальной осью принципиально разные установки, множество технических показателей не похожи и не повторяются. Кроме независимости вертикально-осевых ветровых установок к направлению ветрового потока, что является положительным качеством, есть ряд и других принципиальных особенностей и конструктивных исполнений, которые очень важны. Ниже приведен обзор сравнения особенностей ветровых установок с вертикальной осью вращения и ветровых установок с горизонтальной осью вращения. Рассматриваются горизонтально-осевой ветровой агрегат и вертикально осевая ветровая турбина с ротором Дарье.

Ориентация на ветер. Только при прямом попадании ветра на ветроколесо горизонтально осевой ветровой турбины обеспечивается наибольшая эффективность таких ветровых установок. Для ориентирования на ветровой поток в конструкции ветровой установки должна быть система непрерывного слежения за направлением ветра, поворота ветроколеса, его удержания в таком положении, наличие системы ориентации в конструкции ветровой установки усложняет ветровой агрегат и снижает его надежность. По информации, полученной при эксплуатации ветровых установок, 13% неисправностей и сбоя происходят на системах ориентации. При постоянных изменениях направления ветра невозможно эффективно ориентировать ветровое колесо по причине запаздывания механизмов ориентирующих ветровое колесо на ветер. На установках мегаваттного класса с диаметром ветроколеса больше 30 метров эффективность ориентации на ветровой поток снижается по причине несовпадения и разницы скоростей ветра по диаметру ветроколеса. Это приводит к невозможности ориентации ветрового колеса в оптимальное положение. Из-за всех этих причин, уменьшается энергия получаемая от ветра, выработка электроэнергии снижается и снижается эффективность использования ветрового агрегата. К недостаткам по конструктивному исполнению можно отнести необходимость разрыва жесткой связи между башней ветровой турбины и гондолой , что приводит к автоколебаниям и изменениям в частотных характеристиках неподвижной и подвижной частей конструкции. В итоге снижается надежность и возрастает экономическая затрата. На месте разрыва жесткой связи между башней и гондолой, требуется внимание на части передачи электрической энергии с вращающейся вместе с гондолой генератора к выходам к потребителям, которые находятся на земле. Для того чтобы избежать скручивание силовых шин, нужно ограничить углы поворота всей гондолы или использовать токосъемник. В любом из двух случаев в конструкцию нужно ввести дополнительные механизмы, которые будут снижать ее надежность. Таким образом, эффективная работа ветровой установки с горизонтальной осью вращения снижается по причине запаздывания системы ориентации на постоянно меняющиеся ветровые потоки и постоянного несовпадения направления ветра с осью вращения ветрового колеса. Система поворота гондолы требует ввода дополнительных приводов, которые при работе ветрового агрегата потребляют энергию на ориентирование гондолы, в конечном итоге снижает годовую вырабатываемую энергию ветровой установки. Эффективность работы ветровых установок с вертикальной осью не зависит напрямую от направления ветрового потока, и поэтому во всех системах не устанавливаются ориентация на ветер. Жесткое крепление вертикально осевой установки исключает появление колебаний и упрощает саму конструкцию.

Коэффициент использования энергии ветра. Доказано на теории, что коэффициент использования энергии ветра ветровых установок с горизонтальной осью и установок с вертикальной осью составляет 0,539 или 0, 687. Это можно объяснить тем, что в обоих типах роторы используют эффект возникновения подъемной силы когда ветровой поток обтекает крыло. Фактические достигнутые коэффициенты использования энергии ветра у горизонтально-осевых и вертикально-осевых ветровых установках достиг отметки 0,4 - 0,5.

Поворот лопастей. Поворот лопастей в горизонтально-осевых ветровых установках требуется для удержания постоянной рабочей скорости вращения, когда направление ветра постоянно меняется и как тормозная система, когда скорость ветра превышает максимальной рабочей скорости. Конструкцию ветровой установки усложняет наличие в ней системы поворота лопастей, потому что необходимы системы поворотного устройства с гидроприводами для каждой лопасти, система автоматического управления углами лопастей. В вертикально-осевых установках поворот лопастей служил бы не только как тормозная система, но и для поддержания оптимального угла атаки в любом положении лопасти на вращающейся поверхности. Вертикально-осевые ветровые установки не применяют систему поворота лопастей по причине возможного усложнения конструкции и снижения надежности ветровой установки, а так же ветровая установка станет зависимой от направления ветра. Но самым главным фактором отказа от поворота лопастей вертикально-осевых установок стало то, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевых установок не снизится.

Конструкция и эффективность лопасти. У ветровых установок с горизонтальной осью вращения сечения лопастей бывают в разных энергетических состояниях по причине разницы их углов атаки и окружных скоростей. Для уменьшения влияния этих показателей, и для того чтобы увеличить получаемую лопастью энергию ветра, применяют крутку профиля лопасти и сужают его в конце лопасти. Эти меры повышают эффективность лопастей. Но не устраняют полностью сказанные недостатки ветроколеса. Скрутка лопасти и его сужение приводят к конструктивным сложностям и к усложнению технологии изготовления лопасти. У ротора Дарье лопать выполняется конструктивно легче, прямоугольной и симметричной хорде. Все сечения лопасти имеют одинаковую эффективность и быстроходность. У ветровых установок с вертикальной осью потребление энергии ветра незначительно изменяется по длине, и это лишь зависит от скорости ветра на высоте. При простой конструкции ротора Дарье эффективность получения энергии ветра лопастями в обоих видах ветровых установок находится в похожих уровнях.

Быстроходность. У горизонтально-осевых ветровых установках наибольшее распространение получили установки с двумя или тремя лопастями и с показателем быстроходности 5-7. Это обеспечивает очень высокий коэффициент использования энергии ветра, значит наиболее эффективны. У ротора Дарье оптимальная быстроходность составляет значение 3, у трехлопастной установки этот показатель еще ниже. Нужно учитывать, что эти характеристики ротора Дарье не будут отличаться от характеристик горизонтально-осевой турбины. Снижение быстроходности в 2-3 раза снижает требования к узлам опоры и трансмиссии, а так же улучшает условия эксплуатации по причине снижения уровня динамичности ротора. Когда ветровой агрегат работает, он производит аэродинамический шум от движения лопастей и механический шум от работы механизмов. У ротора Дарье уровень аэродинамического шума ниже чем у ветровой установки с горизонтальной осью. У горизонтально-осевых установок источники механических шумов расположен на высоте, и радиус затухания намного больше, чем у вертикально-осевых установках, у которых источники шумов находятся на земле. У ротора Дарье линейная скорость вращения лопастей ниже, чем у горизонтально-осевых генераторов связи с этим образовавшийся на лопастях лед и обломки лопастей в случае их разрушения разлетается не далеко. Орнитологи дали заключение, что вертикально-осевая турбина хорошо заметна птицам, и они могут легко огибать ее, а у горизонтально-осевых турбин плоскость вращения ветрового колеса представляет угрозу.

По всем этим сравнениям можно сделать вывод, что горизонтально-осевые ветровые установки уступают вертикально-осевым установкам по следующим характеристикам:

- ориентации ветрового колеса на ветровой поток значительно снижает эффективность ветрового агрегата за счет запаздывания поворотов гондолы за постоянно меняющим направлением ветра и неколлениарности оси ветрового колеса и направления скорости ветра, делает сложным конструкцию и снижает надежность ветрового агрегата за счет введения специальных систем и механизмов;

- работа ветрового агрегата с постоянной скоростью вращения ветрового колеса, что обеспечивает максимальное пользование энергии в узком диапазоне рабочих скоростей ветра и, соответственно, снижает эффективность ветрового агрегата;

- размещение генератора и мультипликатора в гондоле на верхней части опорной башни делает сложным требования к их габаритным и массовым характеристикам, также усложняет условия пользования конструкций за счет появления дополнительных вибраций, толчков и соответственно, повышения уровня перегрузки опорной башни, мультипликатора, генератора, делает сложным условия монтажа и эксплуатации оборудования из-за его расположения на высоте опорной башни, усложняет передачу вырабатываемой электрической энергии из вращающейся гондолы на неподвижную опорную башню;

- использование поворота лопастей для регулирования скорости вращения ветрового колеса делает сложным конструкцию, кроме этого используемые в автономных ветровых агрегатах инерционные регуляторы отличаются неточностью регулирования;

- уменьшение хорды и крутка сечений в концевой части лопасти, используют для выравнивания аэродинамической отдачи всех ее сечений, что повышает энергетику лопасти, но и приводит к сложности конструкцию и технологии ее изготовления;

- повышенная быстроходность ветрового колеса повышает требования к его динамической устойчивости, балансировке, надежности, прочности;

- повышенная быстроходность ветрового колеса приводит к повышенному воздействию на окружающую среду за счет высокого уровня аэродинамических и механических шумов, большого радиуса разлета леда и обломков лопасти в случае ее разрушения. Кроме этого вращающееся ветровое колесо создает на пути птиц непреодолимую преграду.

Горизонтально-осевые ветровые установки имеют более силовую схему ветрового колеса и динамику опорной башни:

- рациональность силовой схемы ветрового колеса за счет крепления лопастей к ступице, находящейся непосредственно на оси вращения, что не требует дополнительных узлов крепления лопасти и создает оптимальную перегрузку.

Такие показатели как коэффициент использования энергии ветра, самостоятельный запуск ротора для обеих рассматриваемых схем является на одном уровне.

При проведении сравнительного анализа было учтено, что мировая ветроэнергетика имеет значительный опыт разработки, изготовления, строительства и эксплуатации ветровых установок с горизонтальным расположением ротора.

Таким образом, из проведенного анализ можно увидеть, что из-за таких принципиальных особенностей, как отсутствие необходимости ориентировании на ветровой поток, способность работы с переменной скоростью вращения, расположение генератора и мультипликатора на земле, самостоятельный запуск ротора при любом направлении ветрового потока, отсутствие системы поворота лопастей, постоянство, тихоходность, минимальное воздействие на окружающую среду, автономные вертикально-осевые ветровые установки с ротором Дарье намного отличаются от ветровых установок с горизонтально расположенным ротором по таким характеристикам, как удобство технического обслуживания и ремонта, эффективность, не сложная конструкции, надежность, экологическая чистота.