2.2 Классификация ветродвигателей
Существуют два основных типа ветродвигателей (рисунок 2.10):
Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые)(2…5);
Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
Рисунок 2.10 – Типы ветродвигателей
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор.
Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.
Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование – использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов неэффективно из-за низкого КПД последних. Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных приспособлений следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде. Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения, и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.
Ортогональные ветроагрегаты перспективны для большой энергетики. Сегодня перед сторонниками ортогональныхконструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска. В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете. Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Также обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию – раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14…16 м/с. Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров. У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми – взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать выходную мощность, вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и долговечность ветроустановки [8].
Таким образом, чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено, как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1,2,3 лопастями в таких экспериментах незначительна, потому что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30 % вследствие идеализации воздушного потока в трубе.
Вертикально-осевые ВЭУ имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с горизонтально-осевыми.
При расчете и проектировании конкретного ветродвигателя помимо ветровых условий его работы необходим учет, как особенностей ветроагрегата, так и всей ВЭУ. В связи с этим ВЭУ классифицируют по следующим признакам: виду вырабатываемой энергии, уровню мощности, назначению, областям применения, признаку работы с постоянной или переменной частотой вращения ветроколеса, способам управления, типу системы передачи ветровой мощности потребителю.
В зависимости от вида вырабатываемой энергии ВЭУ подразделяют на:
- ветроэлектрические;
- ветромеханические.
Электрические ВЭУ, в свою очередь, подразделяются на ветроустановки, вырабатывающие электроэнергию постоянного либо переменного тока. Механические ВЭУ служат для привода рабочих машин.
По уровню мощности ВЭУ подразделяют на четыре группы:
- очень малой мощности, менее 5 кВт;
- малой мощности, от 5 до 99 кВт;
- средней мощности, от 100 до 1 000 кВт;
- большой мощности, свыше 1 МВт.
Ветроустановки каждой группы отличаются друг от друга, прежде всего, конструктивным выполнением, типом фундамента, способом ориентации ветроагрегата на ветер, системой регулирования, системой передачи ветровой мощности, способом монтажа и способом обслуживания [4].
В зависимости от назначения электрические ВЭУ постоянного тока подразделяют на:
- ветрозарядные;
- гарантированного электроснабжения потребителя;
- негарантированного электроснабжения.
Электрические ВЭУ переменного тока подразделяют на:
- автономные;
- гибридные;
- работающие параллельно с энергосистемой соизмеримой мощности (например, с дизельной установкой);
- сетевые;
- работающие параллельно с мощной энергосистемой.
Механические ВЭУ по назначению подразделяют на:
- ветронасосные для привода водяных насосов;
- ветросиловые для работы с промышленными и бытовыми механизмами.
Классификация ВЭУ по областям применения определяется их назначением. При расчете и проектировании ветродвигателя и выборе его номинальных параметров необходим учет типа нагрузки (электрогенератор, водяной насос и т.п.), типа системы передачи ветровой мощности к потребителю, типа системы генерирования и аккумулирования электроэнергии. Система передачи ветровой мощности представляет собой определенный комплекс различны устройств для передачи мощности от вала ветроколеса к валу соответствующей машины ветроагрегата (потребителя) с повышением или без повышения частоты вращения вала этой машины. В современной ветроэнергетике чаще всего используют механический способ передачи мощности. Известны также гидравлический, пневматический и аэродинамический способы передачи ветровой мощности потребителю.
Система генерирования электроэнергии представляет собой электромашинный генератор и комплекс устройств (устройства управления, силовой электроники, аккумулятор и т. д.) для подключения к потребителю со стандартными параметрами электроэнергии.