Обоснование применения однолопастной ветроэлектрической установки парусного типа

сушкОВ С.Л., КГЭУ, г. Казань

Науч. рук. д-р техн. наук, профессор РУДАКОВ А.И.

Ветроэлектрические установки преобразуют энергию ветра в электрическую энергию. Пульсирующий характер скорости ветра, воздействующей на ветроколесо ветродвигателя, обусловливает изменчивость развиваемой мощности.

Основная работа ветряка происходит за счет торможения потока воздуха, и в этом случае, казалось бы, чем больше площадь ветроколеса (больше количество лопастей), тем сильнее торможение потока, однако необходимо учитывать быстроходность и эффект тихоходности ветроколеса.

Быстроходность z ветрогенератора – это отношение окружной скорости конца лопасти (wR) к скорости набегающего потока воздуха (v).

Эффект тихоходности происходит из-за того, что на определенной скорости ветра лопасти как бы мешают друг другу за счет своей турбулентности, меняя направление потока воздуха. И при определенных оборотах такой ветряк сам себя тормозит.

Однолопастные ветроустановки не получили пока широкого распространения, хотя у них самый высокий коэффициент использования энергии ветра и обороты, в сравнении с трехлопастной установкой, в два раза выше. Выше и коэффициент быстроходности, доходящий до 12. Отсюда видно, что многолопастные ветряки, в том числе и трехлопастные, коэффициент быстроходности которых в среднем составляет около 6–7 единиц, не эффективны на больших оборотах.

Причина этому – трудность изготовления и балансировки, так как здесь на больших оборотах малейший дисбаланс может привести к сильнейшим вибрациям и биениям и даже к разрушению ветрогенератора. Также однолопастные электроустановки имеют слабый стартовый момент, поэтому не любят генераторы, имеющие залипания. Но, несмотря на все минусы, здесь огромный плюс однолопастных винтов – это обороты, которые в два раза выше, чем у трехлопастного винта.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили трехлопастные электроустановки, которые считаются наиболее эффективными, и все же однолопастные установки находят все большее применение.

Однолопастной ветрогенератор вращается в 2 раза быстрее при одинаковой скорости ветра, что практически настолько же снижает его стоимость, которая составляет около 80 % стоимости трехлопастного ветряка.

Шум от вращения одной лопасти при средних ветрах 4–8 м/с в 1,5–2 раза меньше, чем у трехлопастных аналогов, несмотря на большую скорость вращения. Это результат меньшего количества источников аэродинамического шума – один вместо трех концов лопастей, с которых и срываются турбулентные вихри, создающие шум. Да и размер конца лопасти в однолопастной конструкции раза в два меньше, что снижает размер и силу воздушных вихрей. В некоторых случаях уровень шума одной лопасти не превышает значений вертикально осевых ветроэнерге-тических установок, которые называют бесшумными.

Ограничение скорости вращения при сильных ветрах осуществ-ляется изменением угла лопасти при помощи центробежного регулятора. В стандартной трехлопастной схеме углы установки лопастей постоянны и ограничение скорости вращения осуществляется путем торможения винта балластным сопротивлением. Это, в конечном счете, снижает эффективный срок службы магнитов в 1,5–2 раза.

УДК 681.3