Власов В.Н.

Можно ли усовершенствовать ветрогенератор?

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 7,5 МВт.

Мощность ветрогенератора зависит от скорости ветра и ометаемой площади ,

где - скорость ветра, - плотность воздуха, - ометаемая площадь.

Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Индустрия домашних и промышленных ветрогенераторов активно развивается. Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому.

Рис.1. Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения.

Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены более меньшими ветрогенераторами (например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом одно другому не мешает — источники будут замечательно друг друга дополнять).

Рис.2. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения.

Целью нашего обсуждения будет ветрогенератор с горизонтальной осью вращения. Внимательно посмотрим на рис.1. Никого не удивляет, что лопасти ветрогенератора имеют такую форму? Они практически в точности повторяют пропеллер на двигателях самолетов, или лопасти вентилятора. Лопасти вентилятора позволяют при вращении получить воздушный поток в заданном направлении. Для самолета такая форма лопастей оправдана, так как вращение таких лопастей позволяет создать силу, обеспечивающей перемещение самолета в горизонтальном направлении, при том, что похожие на лопасти крылья обеспечивают при заданной скорости подъёмную силы. Для самолета и вентилятора, таким образом, привычная форма лопастей связана с необходимостью создать воздушный поток, перемещающийся с заданной скоростью относительно самолета или вентилятора. А какую оптимальную форму должна лопасть, если воздушный поток, т.е., ветер, уже существует, и нам необходимо, опираясь на него, получить вращение ветрового колеса в плоскости перпендикулярной направлению ветра?

При всем уважении к тем инженерам, которые когда-то предложили для ветрогенераторов лопасть, похожую на крыло самолета, но слегка повернутую по отношению в направлению воздушного потока, практически в точности копирующую лопасть на двигателе самолета, нельзя не отметить, что такая лопасть имеет некоторые недостатки. Во-первых, воздушному потоку такая лопасть оказывает заметное сопротивление и только часть энергии ветра тратится на вращение ветроколеса. Во-вторых, из-за малой толщины лопасти во вращении лопасти принимает участие малый объем воздушного потока, что также снижает КПД ветроустановки. В-третьих, лопасти шире ближе к оси ветроколеса, а основной момент снимается с дистальных (удаленных от оси) частей лопасти, которая значительно уже. В-четвертых, для получения заметной мощности ветроколесо с такими лопастями должно вращаться с большой угловой скоростью, что приводит к формирования заметных центробежных сил, а при неблагоприятных ситуациях к поломке всего ветрогенератора. В-пятых, высокая скорость вращения ветроколеса ведет к формированию ультразвуковых и инфразвуковых колебаний.

Многие недостатки ветрогенератора со «стандартными» лопастями удалось исправить в ветряке с цилиндрическими вращающимися лопастями (рис.3). Вращение лопастей обеспечивается тем же самым ветром, что вращает ветроколесо. За счет эффекта Магнуса на одной стороне вращающего цилиндра создается повышенное, а на другой пониженное давление относительно среднего давления в воздушном потоке. И если все лопасти цилиндры будут вращаться в одну сторону, то ветроколесо будет вращаться в ту же сторону, что и лопасти-цилиндры. Такие лопасти в принципе могут вращаться отдельными двигателями, а можно создать механизм, который будет вращать лопасти при вращении всего ветроколеса. Такое ветроколесо нуждается в предварительной раскрутке. Но в раскрутке, вообще-то, нуждается и обычный, особенно промышленный, ветряк.

Рис.3. Ветряк с лопастями, использующих эффект Магнуса.

В одной из статей я показал, что обыкновенное крыло самолета можно использовать в качестве энергогенератора, если специально обдувать его воздушным потоком, либо с помощью вентилятора, либо направляя на него природный воздушный поток. Причём получаемая мощность будет значительно больше мощности воздушного потока, с помощью которого будет обдуваться крыло (рис.4). Почему? Потому, что такова она подъемная сила. Но недостатком такой системы будет необходимость создавать пульсирующий воздушный поток, чтобы крыло то поднималось вверх, то опускалось вниз, тем самым обеспечивая вращение генератора то в одну, то в другую сторону. Между тем можно поступить по иному и получить возможность получать энергию при постоянном воздушном потоке.

Рис.4. Простой энергогенератор на базе крыла самолёта.

Для этого надо из крыльев самолета создать ветроколесо. Каждая лопасть, закрепленная на оси ветроколеса будет расположена своей плоскостью в плоскости направления воздушного потока. В результате все лопасти будут создавать подъёмную силу, направленную в одну сторону, что заставит все колесо вращаться в одну сторону. Причем сила, заставляющая такие лопасти вращаться будет направлена исключительно, или практически исключительно, в плоскости вращения ветроколеса. И чем больше будет «ширина» такой лопасти (в разумном пределе), тем больше будет сила. С другой стороны такие лопасти будут обладать гораздо меньшим сопротивлением по отношению к набегающему воздушному потоку. Для придания такому ветроколесу большей жесткости можно «надеть» на концы лопастей обод, который в сечении также будет повторять сечение крыло самолета. Это приведет к тому, что такой ветрогенератор будет легче поворачиваться при изменении направления ветра, а также поток воздуха будет со всех сторон сдавливать этот обод, стабилизировать положение ветроколеса и противодействовать центробежным силам, возникающих в лопастях. Не исключено, что для получения заданной мощности такое ветроколесо можно сделать с меньшим диаметром, чем в случае использования классических лопастей.

Рис.5. Ветряк с лопастями и ободом в виде крыльев самолёта.

На рис.5. схематично показано устройство ветряка с 4-мя лопастями, обрамлённого обручем. И лопасти и обруч имеют сечение, которое обычно принято в крыльях самолета. Если представить, что поток воздуха идет от читателя к ветроколесу, то ветроколесо будет вращаться против часовой стрелки. Также сечение обода таково, что давление воздуха снаружи будет выше, чем внутри, благодаря чему ветроколесо буде со всех сторон сжиматься потоком воздуха и тем самым стабилизировать положение колеса относительно потока, а также обеспечивать самоподстройку положения колеса в зависимости от отклонения направления воздушного потока от первоначального направления.

Рис. 6. ДВУХБАЛОЧНОЕ КРЫЛО биплана из древесины. А - главный лонжерон; В - задний лонжерон; С - нервюра; D - хорда.

На рисунке 6. Дана схема, как можно сделать лопасти для такого ветряка. В силу того, что такая лопасть будет испытывать меньшее сопротивление набегающему воздушному потоку, а также «подъемная» сила не будет сильно давить на крыло, так как крыло будет вращаться вместе с воздушным потоком, то можно применить материалы с меньшей прочностью, чем это требовалось для обычных лопастей. Такое колесо будет способно выдержать более сильный ветер, а мощность такого колеса можно регулировать подбором «ширины» лопасти-крыла. Что касается скорости вращения такого колеса, то в данном случае желательно, чтобы скорость вращения была небольшой, но мощность такого колеса при одинаковом диаметре с колесом со стандартными лопастями, скорее всего, будет выше.

Насколько предлагаемая форма лопастей для ветрогенераторов будет эффективней существующей, покажут только будущие эксперименты. Но у меня есть надежда, что такой ветряк будет проще в изготовлении, будет мощней при том же диаметре ветроколеса. Поживем, увидим.

20.09.2011.

П.С.

Похоже, если не полностью, то частично эта идея решена немецкими изобретателями. Достаточно познакомиться со статьёй «Новый домашний ветряк привлекает эффективностью и ценой». Германская компания WIPO Wind Power выпустила на рынок компактную и тихую ветровую турбину WindCore, отличающуюся приличной эффективностью и низкой ценой. Расчётный срок службы этого ветряка составляет 25 лет. Новинка была представлена на Европейской выставке-конференции по ветровой энергетике, которая прошла в Марселе.Уже только один внешний облик выделяет WindCore среди предшественников. Турбина обладает крупным каплевидным центральным телом, благодаря которому поток воздуха, обтекающий генератор, ускоряется и направляется к лопастям, бегающим в кольце. За счёт этого решения достигается высокая эффективность установки. Начинает работу этот аппарат уже при 3 метрах в секунду. При умеренных 5 м/с (в среднем за год) он способен выработать 2 тысячи киловатт-часов в год. Причём при порывах в 12,5 м/с мощность генератора достигает солидных 1,2 киловатта, и это при диаметре ротора всего в 1,5 метра. Выжить же без повреждений новый ветряк готов при урагане в 45 м/с.

От себя могу добавить, что форма лопастей очень напоминает крыло самолета, а не пропеллера. Отсюда высокая эффективность, способность работать при слабом ветре, а также возможность выдерживать ураганные воздушные потоки до 45 м/с, ведь лопасти практически не оказывают сопротивление потоку ветра. Обидно, что немцы меня опередили, но радует то, что конструкторская мысль находит новые решения там, где уже всё и всем известно.

02.10.2011.

Безтопливная энергетика

На главную