7. Вітроенергетика, основи перетворення енергії вітру

У вітроенергетичних установках енергія вітру перетвориться в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом ВЕУ, що безпосередньо приймає на себе енергію вітру й, як правило, перетворює її в кінетичну енергію свого обертання, є вітроколесо.

Обертання вітроколеса під дією вітру обумовлюється тим, що в принципі на будь-яке тіло, що обтікається потоком газу зі швидкістю u0, діє сила F, яку можна розкласти на дві складові: 1 – уздовж швидкості потоку, що набігає, має назву сили лобового опору FC, і 2 – у напрямку, перпендикулярному швидкості потоку, що набігає, має назву піднімальної сили FП.

Величини цих сил залежать від форми тіла, орієнтації його в потоці газу й від швидкості газу. Дією цих сил робочий орган вітроустановки (вітроколесо) приводиться в обертання. Вітроустановки класифікуються по двом основним ознакам – геометрії вітроколеса і його положенню щодо напрямку вітру. Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовою, якщо перпендикулярна – вертикально-осьовою.

Вітроустановки, що використовують силу лобового опору, складаються з укріплених вертикально на осі лопатей різної конфігурації рис. 3.7 є, ж, з, і, к).

Ефект Магнуса (ефект виникнення піднімальної сили, перпендикулярної напрямку вітру, при обертанні циліндра або конуса).

Установки, що використовують силу лобового опору, як правило, обертаються з лінійною швидкістю, меншої швидкості вітру, а установки, що використовують піднімальну силу, мають лінійну швидкість кінців лопатей, суттєво більшу швидкості вітру.

ВЕУ з великим геометричним заповненням вітроколеса розвивають значну потужність при відносно слабкому вітрі й максимум потужності досягається при невеликих обертах колеса. ВЕУ з малим заповненням досягають максимальної потужності при великих оборотах і довше виходять на цей режим. Тому перші використовуються, наприклад, у водяних насосах і навіть при слабкому вітрі зберігають працездатність, а

інші – у якості електрогенераторів, де потрібна висока частота обертання.

По количеству лопастей

-Двухлопастные и трёхлопастные ветрогенераторы

-Многолопастные ветрогенераторы

Многолопастные ветряки действительно начинают вращаться на меньших скоростях, чем двух- и трёхлопастные, но для выработки электроэнергии важен не сам факт фращения, а выход на нужные обороты. Каждая дополнительная лопасть увеличивает общее сопротивление ветроколеса, а это усложняет выход на рабочие обороты генератора, увеличивая необходимую рабочую скорость ветра. Таким образом многолопастные действительно будут начинать вращаться при меньших скоростях, но они больше применимы, где важен сам факт вращения, то есть для перекачки воды или других подобных действий. При применении же для выработки электроэнергии многолопастных ветряков, они создают лишь видимость работы. Установление же редукторов не рекомендуется, так как, во-первых, усложняет конструкцию ветрогенератора, делает его менее надёжным, и, во-вторых, редуктор будет забирать мощность.

По материалам лопастей

-Жёсткие лопасти ветрогенератора

-Парусные ветрогенераторы

Парусные лопасти действительно стоят значительно меньше жёстких стеклопластиковых и металических, проще в изготовлени. Но это дешивизна может обернуться большими расходами. При диаметре ветроколеса в 3 метра на рабочих оборотах генератора (400-600 оборотов в минуту) конец лопасти движется со скоростями в 500 км/ч. Даже в идеальных условиях это серъёзное испытание, а если учеть что в востухе постоянно есть пыль и песок, то даже для жёстких лопастей требуются ежегодное обслуживание (замена антикорозийной плёнки на концах лопастей). Без обслуживания жёсткая лопасть продолжит работать, чуть потеряв в своих характеристиках. Для парусной же лопасти может потребоваться полная замена не через год, а уже после первых сильных ветров. Поэтому для автономного электроснабжения, где требуется значительная наджность компонентов системы, применение парусных лопастей не рекомендуется.

По рабочей оси вращения

-Горизонтальные Ветрогенераторы

-Вертикальные ветрогенераторы

Вертикальные ветрогенераторы действительно учитывают порывы, не требует ориентирования по ветру, но любой вертикальный ветрогенратор обладает рабочей площадью поверхности в два раза меньшей, чем у классического горизонтального ветрогенератора с такой же площадью ветроколеса. Это значит, чтобы получить такую же мощность потребуется ветряк в два раза больший. С учётом, что для ориентирования горизонтального ветрогенератора достачно флюгера, то вертикальный ветрогенератор для автономного электроснабжения теряет все преимущества.

По шагу винта

-Фиксированый шаг винта

-Изменяемый шаг винта

Изменяемый шаг винта безусловно позволяет увеличить диапазон эффективных скоростей работы. Но внедрение этого механизма неизбежно ведёт у усложнению конструкции лопасти, уменьшению общей надёжности ветрогенратора, утяжелению ветроколеса, а значит будут требоваться дополнительные усиления конструкции. Всё это приводит к удоражанию всей системы, как при покупке, так и при эксплуатации.