Этапы развития ветродвигателей


СОДЕРЖАНИЕ:

Этапы развития ветродвигателей

Предположительно древнейшие ветровые мельницы были распространены в Вавилоне, о чем свидетельствует кодекс царя Хаммурапи (около 1750 до н. э.). Описание органа, приводившегося в действие ветряной мельницей, — первое документальное свидетельство использования ветра для приведения механизма в действие. Оно принадлежит греческому изобретателю Герону Александрийскому, I век н. э. Персидские мельницы описываются в сообщениях мусульманских географов в IX в., отличаются от западных конструкцией с вертикальной осью вращения и перпендикулярно расположенными крыльями, лопатками или парусами. Персидская мельница имеет лопасти на роторе, расположенные аналогично лопаткам гребного колеса на пароходе и должна быть заключена в оболочку, закрывающую часть лопаток, иначе давление ветра на лопасти будет одинаковым со всех сторон и, так как паруса жестко связан с осью, мельница не будет вращаться. Еще один вид мельниц с вертикальной осью вращения известен как китайская мельница или китайский ветряк. Конструкция китайской мельницы значительно отличается от персидской использованием свободно поворачивающегося, независимого паруса.
Зафиксировано упоминание о ветряной мельнице в Иране в 644 году, когда в обвинительном акте против некоего Абу Лулуа, убившего халифа Умара ибн ал-Каттаба, он назван «строителем ветряных мельниц». Немногим более чем через 200 лет ветряные мельницы появляются в городке Сиетеке на границе между Ираном и Афганистаном.

Использование мельниц с вертикальной осью вращения получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока. Позже была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, состоящая из десяти деревянных стоек, оснащённых поперечными парусами. Подобный примитивный тип ветряной мельницы находит применение до настоящего времени во многих странах бассейна Средиземного моря.
В XI веке ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и при возвращении крестоносцев попали в Европу. Первое упоминание о ветряной мельнице в Европе, вначале во Франции, относится к 1105 году: в архивах сохранилось разрешение, выданное некоему монастырю на постройку мельницы. Французские хроники 1180 года и английские 1190 года уже прямо говорят о работающих ветряных мельницах, но ещё совсем не о тех, с которыми впоследствии сражался хитроумный идальго Дон Кихот Ламанчский! Это были неуклюжие сооружения с вращающимися в горизонтальной плоскости лопастями, укреплёнными на деревянном корпусе. По принципу действия английские и французские мельницы были однотипными. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны.
Ветряные мельницы не сразу стали такими, какими мы их видим на полях Эстонии, Голландии и других стран. Первые египетские мельницы снабжались не крыльчатым, а барабанным колесом. Лопасти устанавливались вертикально на плоскости колеса. Этот двигатель работал при любом направлении ветра, но был не так эффективен, как двигатель с крыльчатым колесом. Поверхность лопастей ветряного колеса, – расположение оси которого совпадает с направлением ветра, полностью обдувается потоком воздуха, поэтому сила вращения колеса значительно больше. Крыльчатое колесо начинает работать при ветре небольшой силы, а барабанное колесо работает только при сильном ветре. И все же ветряные мельницы с крыльчатыми колесами появились только в VII веке нашей эры в Персии.

Любопытная подробность – голландские ветряные мельницы на самом деле никакие не мельницы и никогда ими не были. Ветряные колеса приводили в движение насосы, откачивающие избыток воды. Голландия – страна многочисленных каналов и отвоеванной у моря земли. Чтобы предотвратить наводнения, воду откачивают и направляют в водоотводные каналы. Хотя само понятие «ветряная мельница» у нас ассоциируется с образом голландского ветряка.
Таким образом ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора (Приложение 2 Рис. 8 Ветряные мельницы с горизонтальной ориентацией ротора) известны с 1180 г. во Фландрии, Юго-Восточной Англии и Нормандии. В XIII веке в Священной Римской империи появились конструкции мельниц, в которых всё здание поворачивалось навстречу ветру.
Экономический расцвет Голландии, куда Петр I (1672–1725) ездил учиться уму-разуму, в XVI веке был вызван именно развитием ветроэнергетики в этой стране. Голландцы успешно перешли от первоначального использования ветряков для осушения низких приморских земель к их приспособлению в качестве привода различных производств. В результате Голландия стала самой энерговооруженной страной в тогдашней Европе.

Наиболее удачную конструкцию ветряной мельницы еще в XVII веке предложил голландец Ян Андриаанезоон (впоследствии во всём мире её стали называть «голландской»). С помощью этой мельницы он осушил 27 озёр, заслужив у соотечественников почётное прозвище «Леегватер» – «опустошитель вод».

Максимальное распространение ветряных мельниц в доиндустриальной Европе наблюдалось в 1700-е годы, когда на равнинах Германии, Италии, России, Украины, Испании и, конечно же, Голландии – классической страны ветряных мельниц – мерно вращали свои крылья деревянные великаны. В 30-х годах XVIII столетия в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. А к концу XIX века в Голландии их насчитывалось свыше 10 000 (в 1923 г. – только 2500, а в наше время – едва тысяча), а в маленькой Дании – 30 тысяч для бытовых целей и 3 тысячи ветродвигателей, которые использовались в промышленности.

Такое положение дел было в Европе вплоть до появления двигателей внутреннего сгорания и электрических двигателей в XIX веке. Водяные мельницы были распространены в основном в горных районах с быстрыми реками, а ветряные — в равнинных ветреных местностях.

В России ветряные мельницы традиционно использовалась для помола зерна (ветряные мельницы) или подъёма воды. По разным источникам, в Российской империи к началу минувшего столетия насчитывалось более четверти миллиона ветряков. Русские плотники создали множество конструкций мельниц. Из них можно выделить два типа – «столбовки» и «шатровки». Первые были распространены на Севере, вторые – в средней полосе и Поволжье. В «столбовке» мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Эти мельницы изображены на картинах Айвазовского. Принцип устройства «шатровок» иной: нижняя их часть в виде усеченного восьмигранного сруба была неподвижной, а меньшая по размеру верхняя часть вращалась под ветер. Их можно видеть на полотнах Поленова, Левитана, Серебряковой.
Ветродвигатели для перекачивания воды и размола зерна массово применялись по всей Украине. Украина – страна с многовековыми традициями использования энергии ветра. Как известно из архивных данных, перед 1917 годом общая мощность таких ветряков на территории нынешней Украины составляла 1400 МВт. (Для сравнения: Хмельницкая АЭС имеет мощность 2000 МВт, а суммарная установленная мощность современных ветроэлектростанций в странах Европейского Союза в 1994 году равнялась 1510 МВт). В старину, во времена Гетьманщины, Украиной управляла выбираемая народом администрация – козацкая старшина. Жалования ей не полагалось, деревень тоже никто не раздавал. Но каждый полковник, сотник или иной чиновник высокого ранга обладал монопольным правом на определенные виды деятельности. В первую очередь это касалось помола зерна, который в те времена осуществлялся ветряными мельницами. Сложившийся тогда порядок обеспечил самое широкое распространение ветряных мельниц, надолго ставших неотъемлемой частью украинского пейзажа.
Музей Переяслава-Хмельницкого под открытым небом демонстрирует народное зодчество и быт Среднего Приднепровья. Особой достопримечательностью музея является коллекция украинских ветряков, насчитывающая 14 памятников. Много ветровых мельниц есть и в Пирогово.
Первые промышленные ветроэлектростанции были сконструированы в Дании в 1890 году. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье был запатентован во Франции в 1925 г. и в США в 1926 г.).
В 1914–1918 гг. Н.Е. Жуковский и его ученики В.П. Ветчинкин, Г.Х. Сабинин, Н.В. Красовский, Г.Ф. Проскура и другие впервые создают теорию ветродвигателей.

Теория и испытания крыла и винта самолёта применяются и к изучению явлений, происходящих при прохождении воздушного потока через ветровое колесо.

Теорию идеального ветроколеса впервые разработал в 1914 г. В.П. Ветчинкин (1888– 1950) на основе теории идеального гребного винта. В этой работе он установил понятие коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом.

В 1920 г. Н.Е. Жуковский изложил теорию «ветряной мельницы типа НЕЖ», где сделан вывод коэффициента использования энергии ветра идеальным ветроколесом. Аналогичные теории были разработаны позднее в России профессором Г.Х. Сабининым и в Украине харьковским ученым академиком АН УССР (с 1929 г.) Г.Ф. Проскурой (1876–1958).

Теория идеального ветроколеса Н.Е. Жуковского получила название классической теории. Она устанавливает, что максимальный коэффициент использования энергии ветра идеальным ветроколесом равен 0,593.

Наиболее полно с точки зрения практического применения теория идеального ветроколеса изложена профессором Г.Х. Сабининым. Согласно его теории максимальный коэффициент использования энергии ветра ветроколесом равен 0,687. Г.Х. Сабининым разработана также теория реального ветроколеса.

В мире было немного учёных, занимавшихся аэродинамикой ветроколеса: в Германии – руководитель Геттингенской аэродинамической и испытательной лаборатории доктор Альберт Бетц, а также профессор Штутгартского университета Ульрих Хюттер, в США – известный аэродинамик Теодор фон Карман (1881–1963).

У.Хюттер запатентовал несколько десятков изобретений в области ветроэнергетики, опубликовал несколько десятков научных статей и докладов. Он разработал технику экспериментов с установкой дымовой шашки или трассера на лопасти и первый применил её в исследованиях. На конец одной из лопастей ветроколеса уста

навливалась дымовая шашка, которая при запуске поджигалась электрическим током. Уходящий за плоскость вращения спиральный дымовой след сбоку фиксировался на фото-, киноили видеоплёнку (рис. 4.24). Дешифровка снимков позволяла судить об эффективности работы ветроколеса в конкретные моменты времени, когда записывалась скорость ветра, измеренная на метеовышке.

Создание теоретических основ использования энергии ветра активизировало работу изобретателей и конструкторов. Ещё до революции российский изобретатель А.Г. Уфимцев, названный А.М. Горьким «поэтом технический мысли», разработал проект ветровой электрической станции (ВЭС), у которой 56 ветровых электрических установок (ВЭУ) с диаметром ветроколёс по 40 м на высоте 350 м над уровнем земли при скорости ветра 9 м/с должны вырабатывать мощность 100 МВт. Этот проект и в наши дни не утратил актуальности, к тому же строители давно уже сооружают объекты такой и даже большей высоты.
В начале 30-х годов в СССР впервые разрабатывалась ВЭС мощностью 2–25 тысяч кВт. До этого мощность таких станций в мире не превышала 100 кВт. Работа имела огромное государственное значение. В 1932 г. в конкурсе по проектированию сверхмощной ВЭС принимает участие Ю.В. Кондратюк (1897–1941).

В апреле 1933 г. экспертиза проектов ВЭС закончилась победой эскизных проектов Ю.В. Кондратюка и Украинского института промышленной энергетики (УИПЭ, г. Харьков). Получив напутствие наркома Г.К. Орджоникидзе, Юрий Васильевич приезжает в Харьков, где со своим коллективом работает над техническим проектом ВЭС параллельно с группой УИПЭ.

Летом 1934 г. академическая экспертиза рекомендует проект Кондратюка к строительству. Г.К. Орджоникидзе создаёт в Москве контору по строительству КрымВЭС, которая под научным руководством Юрия Васильевича разрабатывает рабочий проект небывалой станции. В 1936 г. началось её строительство на Ай-Петри. Ю.В. Кондратюк спроектировал ВЭС на 12 тыс. кВт, равной которой по мощности нет в мире и поныне. После смерти Орджоникидзе эта работа была свёрнута.

Современные ветряные электростанции (ветрогенераторы) обеспечивают электроэнергией небольшие хозяйства и предприятия.

ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ

ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ преобразует энергию ветра в механическую работу. Основная рабочая часть В. д. — ветровое колесо. В. д. по принципу работы разделяются на 3 основных типа: 1) карусельные, 2) барабанные и 3) крыльчатые. Барабанные В. д. отличаются от карусельных лишь расположением ветрового колеса в воздушном потоке; ось ветрового колеса барабанного В. д. располагается в горизонтальной плоскости, перпендикулярно к направлению ветра (рис. 1), а ось ветрового колеса карусельного В. д. располагается в вертикальной плоскости (рис. 2). Принцип работы карусельных и барабанных В. д. основан на использовании силы сопротивления поверхности, находящейся под действием воздушного потока и перемещающейся в его направлении. Отсюда крупные недостатки данного принципа работы: воздушный поток, обтекающий ветровое колесо, действует только на половину лопастей, в то время как другая часть лопастей либо прикрыта ширмой, либо расположена ребром к направлению ветра. Движение лопастей в направлении ветрового потока обусловливает тихоходность двигателя (поверхности не могут перемещаться быстрее движущего их потока). В результате В. д. карусельного и барабанного типа отличаются низким коэф-том использования энергии ветра. Принцип работы крыльчатых В. д. отличен от принципа работы карусельных и барабанных. У крыльчатых В. д. крутящий момент ветрового колеса создаётся за счёт подъёмных сил, к-рые возникают при набегании воздушного потока на его лопасти, стоящие под нек-рым углом к направлению относительной скорости потока. Этот угол называют углом атаки (рис.3). В данном случае лопасти перемещаются перпендикулярно к направлению потока и находятся под одинаковой нагрузкой в течение всего процесса их работы при определённой скорости ветра. Благодаря этому получается высокий коэф-т использования энергии ветра и большая быстроходность В. д. При протекании воздушного потока через ветровое колесо нек-рая часть его энергии превращается в механическую работу. Отношение энергии, полученной в виде механической работы, к энергии, заключённой в воздушном потоке, протекающем через ветровое колесо, принято называть коэф-том использования энергии ветра. По теории Н. Е. Жуковского, В. П. Ветчинкина, теоретический коэф-т использования энергии ветра равен 0,593; по новой теории Г. X. Сабинина, он равен 0,68. Этот коэф-т называют идеальным, т. к. приведённое значение его м. б. получено лишь от ветрового колеса, работающего без потерь. Реальный коэф-т использования энергии ветра значительно ниже и характеризуется след. данными: 1) крыльчатые В. д. — 0,35 — 0,42; 2) карусельные — 0,06 — 0,10; 3) роторные — 0,15 — 0,24. В практике широко применяются крыльчатые В. д. 2 типов: 1) многолопастные тихоходные и 2) малолопастные быстроходные.

Рис. 1. Схема ветрового колеса барабанного типа

Рис. 2. Схема ветрового колеса карусельного ветродвигателя

Рис. 3. Схема крыльчатого ветрового колеса и его положение в потоке ветра: Рx — сила, создающая лобовое давление; Рy — сила, создающая крутящий момент: а — угол атаки; р — угол заклинения лопасти; у-у — плоскость вращения ветрового колеса

Многолопастные В. д. имеют ветровое колесо с 8 и более лопастями. Особенностью многолопастных В. д. является тихоходность и большой начальный — пусковой момент ветрового колеса, что делает их удобными для работы с машинами, требующими большого начального момента при трогании, напр., поршневой насос, чигирь и т. п. Многолопастные В. д. применяются, гл. обр., для работы с поршневыми насосами.

Рис. 4. Общий вид ветродвигателя ТВ-5

Рис. 5. Схема регулирования ветродвигателя ТВ-5 выводом ветрового колеса из-под ветра

Малолопастные В. д. имеют ветровое колесо с числом лопастей от 2 до 6. Особенность этих двигателей — быстроходность. В отношении же пускового момента быстроходные В. д. уступают многолопастным, т. к. этот момент у них мал. Поэтому быстроходные В, д. удобны для работы с такими машинами, к-рые требуют малого момента при трогании и большого числа оборотов, при установившемся режиме работы, как, напр., генераторы и центробежные насосы.

Цельнометаллические В. д. В СССР применяются 3 типа этих В. д., изготовляемых промышленностью: ТВ-5, ТВ-8 и ВИМЭ-Д-12. В. д. ТВ-5 имеет многолопастное ветровое колесо с диам. в 5 м (рис. 4). Начинает работать при скорости ветра от 3 до 4 м /сек. При скорости ветра 8 м /сек начинает действовать регулирование, ограничивающее обороты и мощность двигателя путём вывода ветрового колеса из-под ветра (рис. 5). При скорости ветра до 8 м /сек ветровое колесо занимает положение 1, а при скорости ветра выше 8 м /сек — положение 2, и, наконец, при скорости ветра выше 14 м /сек ветровое колесо занимает положение 3 и останавливается. Выход колеса из-под ветра при скорости последнего выше 8 м/сек обусловливается тем, что ось вращения колеса смещена относительно вертикальной оси головки В. д. Центр давления ветрового потока также смещён относительно вертикальной оси. Вследствие этого сила ветра создаёт крутящий момент, поворачивающий головку В. д. в горизонтальной плоскости и уводящий ветровое колесо от прямого воздействия воздушного потока. В обратное положение ветровое колесо возвращается пружиной, к-рая с одной стороны прикреплена к хвосту, располагающемуся приблизительно параллельно направлению ветра, а с другой — к головке В. д. Так. обр., в процессе регулирования всё время соблюдается равновесие между моментом от усилия пружины и моментом от давления ветра на ветровое колесо, стремящимся повернуть колесо вокруг вертикальной оси головки. В зависимости от степени натяжения пружины, ветровое колесо может выходить из-под ветра при большей или меньшей его скорости. В. д. монтируют на металлической башне ферменной конструкции выс. в 15 м и применяют только для подъёма воды поршневым насосом.

Рис 6. Общий вид ветродвигателя ТВ-8

Рис.7. Регулирование ветродвигателя ТВ-8 выводом ветрового колеса из-под ветра боковой лопатой

В. д. ТВ-8 имеет ветровое колесо диам. 8 м с 18 лопастями (рис. 6). Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических зубчатых колёс вертикальному валу, к-рый у основания башни приключён к приводной лебёдке, имеющей кривошипный механизм для привода штанги насоса и шкив от к-рого ременной передачей можно вращать центробежный насос, мельничный постав и др. с.-х. машины. Установка на ветер осуществляется хвостом (подобно флюгеру). Регулирование оборотов и мощности осуществляется боковой лопатой, закреплённой позади плоскости вращения ветрового колеса. При увеличении скорости ветра выше 8 м /сек сила ветра, действующая на лопату, поворачивает головку В. д. в горизонтальной плоскости и выводит ветровое колесо из-под ветра (рис. 7). В. д. смонтирован на металлической башне ферменной конструкции выс. 15 м.

В. д. ВИМЭ-Д-12 — быстроходный (рис. 8.) Ветровое колесо двигателя имеет в диам. 12 м и состоит из 3 лопастей, с обтекаемым аэродинамическим профилем. Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических шестерён вертикальному валу, к-рый внизу приключён к редуктору.

Рис. 8. Общий вид ветродвигателя ВИМЭ-Д-12

Рис. 9. Различные положения конца лопасти в процессе работы ветродвигателя ВИМЭ-Д-12 (регулирование)

На концах горизонтального вала редуктора насажено 2 шкива для передачи вращения генератору, центробежному насосу, мельничному поставу или др. машинам. Установка на ветер осуществляется хвостом. Регулирование мощности и оборотов В. д. осуществляется поворотом конца лопасти под необходимый угол атаки к ветровому потоку. Различные положения конца лопасти в процессе работы В. д. показаны на рис. 9 (1 — В. д. остановлен, 2 — В. д. начинает работать, 3 — В. д. работает и регулируется). Регулирование В. д. обеспечивает постоянство оборотов ветрового колеса, с неравномерностью 1,5-3%. В. д. при наличии такого регулирования может работать с постоянными оборотами даже при скорости ветра 40 м /сек. Пуск и остановка В. д. осуществляются снизу ручной лебёдкой, к-рая натягивает трос, соединённый через муфты, рычаги и блок с тягами центробежных грузов, расположенных в крыле. Равномерность хода этого В. д. позволяет использовать его для привода машин, требующих большую равномерность хода. Вообще регулирование В. д. устанавливается в соответствии со среднегодовыми скоростями ветра в данной местности. Регулирующие пружины подбирают так, чтобы в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 4 — 5 м /сек В. д. начинали регулироваться при скорости ветра 8 м/сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 6 — 7 м /сек — при скорости ветра 10 м /сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 8 м /сек и выше регулирование начинается при скорости ветра 14 м /сек. Техническая характеристика современных В. д. и развиваемая ими мощность приводятся в табл. 1.

Табл. 1. Основные показатели современных отечественных ветродвигателей

Табл. 2. Часовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды на разные высоты в зависимости от рабочей скорости ветра

Эксплоатационные показатели ветродвигателей ТВ-5 и ТВ-8, применяемых в с. х-ве для водоснабжения, приведены в табл. 2 и 3.

Табл. 3. Годовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды в зависимости от среднегодовых скоростей ветра

( Примечание. Среднегодовая скорость ветра для данного р-на устанавливается по материалам наблюдения местной метеорологической станции.)

Данные этих табл. позволяют подобрать тот или иной тип ветродвигателя в зависимости от потребности х-ва в воде, а также в зависимости от среднегодовой скорости ветра и дебита источника воды.

Механизация различных процессов с.-х. работ (водоснабжение, осушение заболоченных мест, помол) требует огромного количества энергии. Эту энергию может дать сила ветра.

См. также Мельница, Электрификация сельского хозяйства.

Литература: Кармишин А., Ветродвигатель «ВД-8м», М., 11937; Красовский Н., Как использовать энергию ветра, М.-Л., 19 36; Перли С., Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты, Харьков, 1938; Рогожкин Н., Практическое руководство по эксплоатации и ремонту ветродвигателей ВД-5 и ВД-8. Под ред. А. В. Кармишина, Ростов н/Д, 1940; Сабинин Г., Теория и аэродинамический расчёт ветряных двигателей, М.-Л., 1931 (Центр, аэрогидродинамический ин-т, вып. 104); Фатеев Е., Ветродвигатели, 2 изд., М.-Л., 1946; его же, Ветродвигатели в сельском хозяйстве, М., 19 4 8, его же, Ветродвигатели и ветроустановки, М., 1948.

  1. Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 1 (А — Е)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное — М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1949, с. 620

ГЛАВА 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

Развитие любой страны в значительной мере связано с обеспеченностью ресурсами, в том числе энергетическими. Установлено, что темпы прироста национального дохода примерно соответствуют темпам роста потребление энергии.

Человек всегда стремился использовать силы природы, развитие производственных процессов потребовало перехода от применения мускульной силы к использованию новых источников энергии. Прежде всего человек обратился к силе воды и ветра, которые использовались в промышленном производстве, но главным образом в сельском хозяйстве.

Впервые энергия ветра была использована, по- видимому, для передвижения парусных судов, а позднее — также для подъема воды и размола зерна. Первые ветряные двигатели, по предположению — с вертикальной осью вращения, были построены более 2 тыс. лет назад. Вавилоняне еще до нашей эры использовали их для осушения болот, в Египте, на Ближнем Востоке, в Персии строили ветряные водоподъемники и мельницы. До настоящего времени в некоторых странах бассейна Средиземного моря можно встретить ветряные мельницы с крыльями, имеющими поперечные паруса.

В Европе, вначале во Франции, ветряные мельницы появились в ХХII в. Ф.Энгельс писал, что « ветряная мельница была изобретена около 1000 г.». В Англии работали мельницы, однотипные по принципу действия с французскими. В Германии первая мельница была построена в 1393 г. Из Германии они распространились в другие страны. В ХIV столетии голландцы широко использовали ветряные мельницы для осушения болот и озер. В начале ХVII в. большая часть территории осушалась с помощью ветроустановок мощностью до 30 — 35 кВт. В этот же период появились усовершенствованные конструкции мельниц и новые ветряные двигатели, которые использовали для привода машин бумагоделательных фабрик, лесопилок и других устройств. В 30-х годах ХVIII в. в Голландии работали 1200 ветроустановок, которые предохраняли 2/3 страны от обратного превращения в болота. Первое изложение теории ветродвигателя относят к началу ХVIII в. В более систематизированном виде она появилась в конце ХIХ в. в Америке и Европе.

Конструкции первых ветряных мельниц в России были, по-видимому, заимствованы в Германии, и их называли немецкими. К началу ХVIII в. число мельниц стало значительным, и их применение приобрело государственное значение. Многое для их распространения в России сделал Петр 1. В ХVIII — ХIХ вв. мельницы сооружались практически повсеместно, и к началу первой мировой войны в России эксплуатировалось более 200 тыс. мельниц, которые ежегодно перемалывали 2/3 всего товарного зерна.

К середине прошлого столетия в США эксплуатировалось почти 6 млн. маломощных ветродвигателей для подъема воды, выработки электроэнергии и выполнения других простых работ. Более 150 тыс. установок насчитывается в США и сегодня.

В России наряду с кустарными мельницами в начале прошлого столетия началось изготовление в заводских условиях (в мастерских) тихоходных многолопастных деревометаллических ветродвигателей системы инж. В.П. Давыдова, которые применяли главным образом для механизации подъема воды. Некоторое число ветродвигателей завезли из Германии, Франции и США, где их производство было налажено несколько раньше. В основном выпускалось многолопастные двигатели, но они уже были снабжены системами автоматического регулирования скорости вращения и мощности, механизмами ориентации ветроколеса по направлению потока. Суммарный годовой выпуск в основных промышленно развитых странах составлял сотни тысяч двигателей. Позднее, в начале нашего столетия, ряд стран ( США, Франция, Германия, Австралия, Великобритания и .др.) начал в значительных количествах выпускать на заводах также и более совершенные по конструкции и экономичные быстроходные ветроагрегаты, предназначенные в первую очередь для получения электрической энергии. Их использовали для освещения небольших и удаленных объектов и зарядки аккумуляторных батарей.

В нашей стране широкое развитие научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области ветроэнергетики началось буквально с первых дней Советской власти. Уже в 1918 г. В.И.Ленин считал необходимым поручить Академии наук включить в план реорганизации промышленности и экономического подъема России наряду с другими проблемами водные силы и ветряные двигатели вообще и в применении к земледелию. Через 3 года он снова возвращается к этому вопросу и в письме к А.П. Серебровскому подчеркивает важность использования ветродвигателей в Азербайджане. В.И. Ленин указывал на необходимость использования не первоклассных сортов топлива для получения электрической энергии с наименьшими затратами на добычу и перевозку горючего. Именно поэтому он придавал большое значение таким энергетическим источникам , как ветер.

Первый этап развития ветроэнергетики в нашей стране ( до середины 30-х годов) характеризуется в основном теоретическими исследованиями. Н.Е. Жуковским и его учениками Г.Х. Сабининым, В.П. Ветчинкиным и др. была разработана теория идеального и реального ветродвигателей, которой пользуются во всем мире. В тот же период созданы аэродинамические профили высокого качества для лопастей ветроколес, спроектированы опытные установки и проведены продувки моделей в трубах, изучены характеристики ветродвигателей. Проводились испытания различных конструкций ветроагрегатов и установок, совершенствовались методы их расчета и проектирования.

Параллельно велись работы по созданию новых моделей и типов ветродвигателей. Уже в 1924 году под руководством Н.В. Красовского в отделе ветродвигателей (ОВД) ЦАГИ был разработан быстроходный двигатель мощностью до 50 л.с. с новой системой регулирования частоты вращения колеса, предложенной Г.Х. Сабининым. Она получила название стабилизаторной. С целью расширения работ по созданию ветродвигателей и использованию энергии ветра в 1930 г на базе ОВД ЦАГИ был организован Центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ), единственный в мире в то время научно исследовательская организация такого профиля.

В те годы удалось быстро разработать конструкции тихоходных ветродвигателей ВД-5 и ВД-8 для серийного производства. После модернизации эти двигатели, предназначенные для подъема воды, а также для работы с некоторыми сельскохозяйственными машинами (мельницами, дробилками кормов, силосорезками и др.), начали выпускать в больших количествах под марками ТВ-5 и ТВ-8. Была также создана конструкция и освоено производство быстроходного ветродвигателя Д-12 со стабилизаторной системой регулирования, который использовался в сельском хозяйстве, в Арктике, на зимовках, на метеостанциях и для энергоснабжения других объектов.

В связи с началом электрификации сельского хозяйства были организованы работы по созданию ветроэлектрических станций (ВЭС). В 1930 году была спроектирована, а в 1931 году сооружена в Крыму самая крупная в мире ВЭС Д-30 мощностью 100 кВт. Станция работала до 1942 года и давала электроэнергию в сеть Севастополь энергонапряжением 6300 В. Среднегодовая выработка энергии ВЭС превышала 270 МВт/ч. Во время Великой отечественной войны она была разрушена. К этому же периоду относится создание в нашей стране проектов самых крупных в мире ВЭС мощностью 1000 и 5000 кВт, которые не смогли быть реализованы из-за войны.

С 1936 г. основные проектные и следовательские работы по использованию энергии ветра, в первую очередь для нужд села, были переданы Всесоюзному НИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ). В 1938 г. в составе Всесоюзного научно- исследовательского института сельскохозяйственного машиностроения (ВИСХОМ) было организовано конструкторское бюро по серийным ветродвигателям. Ряду предприятий поручили выпуск установок. За 4 предвоенных года только в колхозах и совхозах было построено более 8000 ветросиловых установок, с помощью которых механизировали трудоемкие процессы на фермах, в первую очередь водоснабжение животных.

В этот период и в первые послевоенные годы был принят ряд партийных и правительственных постановлений о развитии ветроиспользования. ХVIII съезд партии в резолюции по 3-му пятилетнему плану (1938-1942 гг.) указал на необходимость в целях экономии топлива широко развить строительство небольших ветроэлектростанций, организовать массовое производство ветродвигателей и широко развернуть сооружение колхозных ветросиловых установок.

В годы Великой Отечественной войны, когда не хватало топлива, в деревне широко развернулось строительство ветряных мельниц. Сразу после окончания войны было организовано промышленное производство модернизированных ветродвигателей типов ТВ-5, ТВ-8, УНДИМ-Д-10, электрических зарядных ветроагрегатов небольшой мощности и других установок, созданы и выпущены опытными партиями ветроэлектрические станции Д-18 и 1Д-18 ЦАГИ мощностью 30кВт. В законе о 4-м пятилетнем плане развития народного хозяйства страны записано: « Обеспечить массовое строительство ветростанций».

В годы, предшествовавшие второй мировой воине, и вплоть до середины 50-х годов во многих странах наряду с расширением масштабов производства и применения ветродвигателей небольшой и средней мощности большое внимание начали уделять созданию и строительству крупных ВЭС. Так, в начале 1941г. в США была построена станция 1,25 МВт с двухлопастным ветроколесом. Несколько лет она успешно работала, вырабатывая энергию, которая поступала в местную электрическую сеть. В марте 1945 г. ее эксплуатация была прекращена вследствие повреждения одной из лопастей, вызванного вибрацией.

После войны датчане создали три типа ВЭС мощностью 12,45 и 200 кВт для работы на электрическую сеть. Великобритания построила для испытаний несколько демонстрационных 100-киловатных ветроэлектростанций, в том числе одну установку принципиально нового типа системы Андро с пневматической передачей мощности от ветроколеса генератору, установленному вместе с воздушной турбиной в нижней части машины. Под руководством проф. У. Хюттера в Германии был осуществлен ряд усовершенствований ВЭС. Самая крупная из них имела расчетную мощность 100 кВт. Наиболее совершенными из них были установки фирмы Allgaier . Французские ученые и конструкторы создали несколько ветроэлектрических станций мощностью от 130 до 800 кВт с синхронным и асинхронными генераторами. Они работали на электрические сети совместно с другими, в основном тепловыми, электростанциями. В этот же период велись работы в области ветроэнергетики в Швеции, Австралии, Канаде, Нидерландах, Аргентине, Мексике и в ряде других стран.

В нашей стране 50-е годы явились новым этапом дальнейшего расширения работ в области использования энергии ветра. В августе 1954 г. Совет Министров СССР принимает развернутое постановление о дальнейшем развитии ветроэнергетики и расширение масштабов использования ресурсов ветра, которым были определены задания по организации исследований, разработке новых конструкций ветроагрегатов, их производству и внедрению в народное хозяйство, улучшению эксплуатации. Была создана Центральная научно-исследовательская лаборатория по ветродвигателям (ЦНИЛВ), группы или лаборатории ветроэнергетики в ряде республиканских научно-исследовательских и проектных институтов. Основное внимание в этот период уделялось использование энергии ветра в сельскохозяйственном производстве.

Уже в середине 50-х годов резко возрос выпуск ветроэнергетического оборудования различных типов только в 1956 г. было произведено 9 тыс. ветродвигателей. Одновременно во Всесоюзном НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) расширились исследования в области эксплуатации ветроустановок, их агрегатирования с рабочими машинами и генераторами по вопросам аэродинамики расширились работы в ЦАГИ. Разработками ветроэнергетического кадастра, вопросов аккумулирования энергии, новых методов расчета конструкции и оптимизации сфер применения, исследованиями в области повышения надежности и эффективности эксплуатации был занят ряд центральных и республиканских институтов и организаций. Были изобретены новые системы регулирования ветродвигателей, разработаны эффективные методы использования ВЭС, конструкции ветроагрегатов различного назначения, в том числе для пастбищного водоснабжения «Беркут» с электронасосом повышенной частоты, УВЭУ-(1-4)-6 (ныне АВЭУ-6), снабженный погружным электронасосом с двигателем промышленной частоты, ВБ-3Т с насосом вибрационного типа и ряд других. В Казахстане была сооружена многоагрегатная ВЭС мощностью 400кВт, построены и испытаны образцы агрегатов и станций мощностью от 0,2 до 30 кВт. В 1971 году на ряде заводов был организован выпуск опытных партий агрегатов четырёх типов и проведена их эксплуатационная проверка на пастбищах Чёрных земель Кизлярских степей ив других зонах. Продолжались работы над созданием ветроагрегата Вихрь с пневматическим насосом, электрических агрегатов Сокол и УВЕУ-(8-16)-12 мощностью 15 кВт а так же разрабатывались проекты более мощных экспериментальных ВЭС до 100кВт предназначенных для комплексного использование.

По неполным данным ЮНЕСКО, в 1960г. в мире насчитывается более 1 млн ВЭС различных типов и назначение, в том числе более полумиллиона быстроходных ветроэлектрических агрегатов. Большинство ветродвигателей использовалось в системах сельскохозяйственного водоснабжения, для зарядки аккумуляторных батарей и питания энергией небольших объектов, на линиях радиорелейной связи и для других целей в районах с благоприятным ветровым режимом, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, В 1968 г. только в Австралии эксплуатировалось почти 250 тыс. ветроустановок.

В годы так называемого «энергетического кризиса» (начало 70-хгодов), вызванного увеличением во всем мире потребления энергии, постепенным сокращением запасов традиционных энергоресурсов и ростом цен на жидкое топливо, во многих странах резко расширились работы по использованию возобновляющихся источников энергии, в первую очередь Солнца, ветра, теплоты недр Земли и др. В соответствии с национальными энергетическими программами созданы новые более эффективные ветроустановки и станции с единичной мощностью до 2-3 МВт, ведутся разработка новых конструкций и поиск экономичных технологий преобразования энергии ветра в электрическую, химическую энергию и теплоту. По существу ставится и решается проблема технического перевооружения этого направления энергетики на основе широкого использования результатов фундаментальных и прикладных исследований, внедрения достижений НТР.

Дальнейшее развитие ветроэнергетики как отрасли науки и техники, разрабатывающей теоретические основы , методы и средства использования энергии ветра для производства механической, электрической энергии и теплоты, является важной народнохозяйственной проблемой. Одна из задач отрасли- на каждом из этапов развития страны определять масштабы целесообразного использования ветровой энергии в народном хозяйстве. Из двух составных частей ветроэнергетики- ветротехники и ветроиспользования — первая призвана разрабатывать теоретические основы и совершенствовать практические приемы проектирования технических средств, вторая — обосновывать и решать теоретические и практические вопросы оптимального использования ресурсов ветровой энергии, рациональной эксплуатации установок, определения их технико-экономических показателей, обобщения и распространения опыта применения ветроустановок в различных отраслях, зонах и условиях, чтобы решить главную задачу — обеспечить потребность страны в энергии.

Реферат: Ветрогенераторы

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Казанский государственный технологический университет»

Кафедра теоретических основ теплотехники

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

( подпись с указанием даты подписания)

студент группы 2271-81___ (Илалов Р.Р.)

(подпись с указанием даты подписания)

2. Типы ветрогенераторов

3. Компоненты ветроустановки

4. Ветрогенераторы и окружающая среда

5. Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Еще в Древнем Египте за три с половиной тысячи лет до нашей эры применялись ветровые двигатели для подъема воды и размола зерна. За пятьдесят с лишним веков ветряные мельницы почти не изменили свой облик. Например, в Англии имеется мельница, построенная в середине XVII в. Несмотря на свой преклонный возраст, она исправно трудится и по сей день. В России до революции насчитывалось приблизительно 250 тыс. ветряных мельниц, общая мощность которых составляла около 1,5 млн. кВт. На них размалывалось до 3 млрд. пудов зерна в год.

Рис.1. Персидская ветряная мельница

Рис.2. Греческая ветряная мельница

С появлением ветряных мельниц, была облегчена одна из самых тяжелых крестьянских работ — вращение тяжелых каменных жерновов, перетирающих зерно в муку. Теперь это делал ветер, крутя крылья мельницы. Одна из первых ветряных мельниц была найдена в Персии — в ней крылья были насажены на ту же ось, что и жернова. Всем была хороша персидская мельница, но вот беда — она могла работать лишь при сильном устойчивом ветре. Когда его порывы стихали, вращать жернова приходилось по старинке — с помощью быков, а то и рабов. И вот, приблизительно шестьсот лет назад, началось строительство мельниц башенного типа с огромными крыльями, расположенными горизонтально к поверхности земли. Одна из первых таких мельниц появилась в Голландии, издавна славившейся изобретательными мастерами. В 1745 году некий Эдмунд Ли осчастливил мельников изобретением нового типа крыльев — деревянных каркасов, обтянутых материей. Выдумка оказалась настолько удачной, что применяется в ветряных мельницах и сейчас.

Рис.3. Ветряная мельница Эдмунда Ли

Ветряные мельницы оказались прекрасными источниками даровой энергии. Неудивительно, что со временем их стали использовать не только для размола зерна. Ветряки вращали дисковые пилы на больших лесопилках, поднимали грузы на большие высоты, использовались для подъема воды. Наряду с водяными мельницами они оставались, практически, самыми мощными машинами прошлого. В той же Голландии, например, где ветряков было больше всего, они успешно работали до середины нашего века. Часть их действует и в настоящее время. Что интересно, мельницы в средневековье вызывали у некоторых суеверный страх — настолько непривычными были даже простейшие механические приспособления. Мельникам приписывали общение с нечистой силой. Время шло, и люди все чаще задумывались о ветре как о источнике бесплатной энергии. Наступил такой этап развития технологии, когда стали строить электрогенераторы. И в Дании в 1890 году построили первый ветрогенератор для производства электричества. Такие ветрогенераторы устанавливались в труднодоступных местах, куда было неудобно или невыгодно передавать ток с обычных электростанций. В конце концов, ветровые турбины стали давать четверть всей нужной датской промышленности энергии. Между 1920 и 1930 годами ветровые генераторы стали появляться в Австралии и США. В 1937 году в Крыму была построена крупнейшая в мире, как говорили тогда, ветроэлектрическая станция. Она действительно была внушительных размеров, но ток, который ветрогенератор давал в электрическую сеть Севастополя, мощностью своей не превышал 100 кВт.

Рис.4. Ветрогенератор в Калифорнии

Россия располагает значительными ресурсами ветровой энергии, которая может быть использована в следующих регионах: области: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская; края: Краснодарский, Приморский, Хабаровский; а также: Дагестан, Калмыкия, Карелия, Коми, Ненецкий автономный округ, Таймырский автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

2. Типы верогенертаторов

Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от ориентации оси вращения по отношению к направлению потока ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом (рисунок 5-7):

• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;

• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);

• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока .

Рис.5. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Рис.6. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения с использованием силы сопротивления и подъемной силы

Рис.7. Ветрогенераторы других типов

Разработаны также устройства для преобразования энергии ветра в электроэнергию без применения движущихся частей. К ним относится, например, устройство, в котором для выработки электрической энергии на основе термоэлектрического эффекта Томсона применяется процесс охлаждения в ветровом потоке.

а) Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения

Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу, предпочтительнее, поскольку они могут развить в несколько раз большую силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления. Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые действует подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными (быстроходность -отношение окружной скорости элемента поверхности к скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей стоимости единицы установленной мощности.

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей; от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного, господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов как правило применяются для этой цели хвостовые оперения, у больших — ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра используется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, установленных на лопастях или вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно плоскости вращения колеса.

Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, или же вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору, или другой рабочей машине.

Из рисунка 8 видно, как установленная мощность Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит от его размеров.

Рис.8. Мощности ветрогенераторов различных размеров при скорости ветра 7,6 м/с

Перпендикулярное направление действия ветра на установки с горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов съема мощности, что ведет к потере их эффективности. Они не имеют преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с горизонтальной и вертикальной осью вращения.

б) Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Такие роторы имеют важные преимущества перед ветрогенераторами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения.

К таким установкам относятся устройства с пластинами, чашеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, однако меньшими быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.

В 1920 г. во Франции Дарье предложил новый тип ротора, интенсивной разработкой которого начали заниматься с 1970 г. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.


Ротор Дарье относится к ветрогенераторам, использующим подъемную силу, которая появляется на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, и большую быстроходность, в силу этого — относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости. Такие роторы имеют различную форму (Φ-, Δ-, Υ- и ромб-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей.

Крылья пропеллера должны быть легкими и в то же время достаточно прочными. Они делаются из дерева, стали или искусственных материалов — таких как фиберглас.

Современные ветрогенераторы конечно, более производительны чем ветряки. Количество вырабатываемого ими электричества зависит от силы ветра и площади лопастей пропеллеров. Например, увеличивая вдвое площадь лопастей, можно получить вчетверо больше электричества.

Малые и средние ветровые турбины как правило снабжают электричеством острова или небольшие отдаленные поселения. В США, например, ветрогенератор на острове Каттиханк Айлэнд, расположенном неподалеку от побережья штата Массачусетс, вырабатывает достаточно энергии для снабжения двухсот человек — всего населения острова. В нашей стране ветрогенераторы применяются, в основном, на севере — на Кольском полуострове, в Якутии и даже на антарктических научных станциях.

Сегодня в США, Великобритании, Дании и Канаде производятся ветровые турбины мощностью 1 МВт электроэнергии (этого хватает, чтобы мгновенно вскипятить 500 чайников). Самые большие ветрогенераторы в мире — английская LS-1 на острове Оркни и американская MOD5-B на Гавайских островах. Лопасти английской турбины имеют размах 60 метров, она производит приблизительно 3 МВт электроэнергии. Американская еще больше: размах лопастей 96 метров.

Однако вряд ли ветровая энергетика будет развиваться по пути гигантизма. Скорее, будущее принадлежит средним турбинам, более удобным в производстве и эксплуатации. Как бы ни были велики и мощны современные ветрогенераторы, они пока не могут полностью обеспечить потребности крупных городов. Небольшие ветровые электростанции успешно действуют во многих странах мира. В США, например, где множество ферм и малых городов расположено в труднодоступной местности, всячески поощряется строительство ветрогенератор в 1,5 киловатта. На одном из Северо-Фризских островов в Германии уже много лет работает установка для опреснения морской воды, а на острове Пельворм даже создан полигон для испытаний разных моделей ветроустановок. В нашей стране ветрогенераторы малой мощности успешно применяются в южных животноводческих хозяйствах для механизации подъема воды. Практика показала, что использование их обходится в 4 раза дешевле, чем использование дизельных двигателей, и в 10 раз дешевле подвоза воды автомобилями.

Непостоянство силы ветра требует надежной аккумуляции (сохранения) энергии на периоды затишья. Однако существующие аккумуляторы электроэнергии очень дороги и могут работать с хорошей отдачей лишь с малыми ветрогенераторами. Вследствие этого энергию ветра лучше аккумулировать в самом продукте, который она производит, — в смолотой муке, измельченных кормах, воде, наполнившей водонапорную башню. Все это повышает ценность применения ветровой энергии именно в сельском хозяйстве.

Одно из достоинств ветроустановок заключается в том, что они действуют как бы в унисон с нашими потребностями. В большинстве регионов земного шара наиболее сильные ветра дуют осенью и в начале зимы — как роз тогда, когда человек больше всего нуждается в свете и тепле. И наоборот, времена затишья — в основном летом — совпадают с периодами сокращения потребления энергии (мы говорим, разумеется, о бытовом потреблении). Но это и другие достоинство выглядят бледновато по сравнению с основным недостатком: чтобы увеличить мощность ветроустановки, надо наращивать размер лопастей, то есть, утяжелять конструкцию. Однако тогда для работы ветрогенератора потребуется еще большая скорость ветра, а значит, сузятся районы применения установки. Заколдованный круг.

Также имеются такие разновидности:

Ветрогенератор бесшумный, инерционный с вертикальным ротором, использующий в своей работе принцип магнитной левитации — это единственно правильное вложение денег в период мирового экономического кризиса для полного автономного обеспечения электроэнергией, отоплением, гвс.

Ветрогенераторы изготавливаются различной мощности от 500Вт-25кВт.

Каждый ротор проходит серию регулировок и центрирования, т.к. в будущем требуется бесперебойная работа двух магнитов, выполненных из специальных сплавов неодимовые магниты. Они спроектированы, произведены и испытаны в различных климатических условиях.

К достоинствам ветрогенераторов можно отнести самостарт ( на скорости 1.5 м/с) и самораскрутку на скорости ветра 3.5 м/сек, плавную работу за счет смещения лопастей закрепленных на верхней крышке ветрогенератора относительно монолитно закрепленного короба . Лопасти зафиксированы на верхней крышке генератора. легко смещающейся относительно тела благодаря неодиумовым магнитам, парящими друг над другом (эти магниты выполняют роль подшипников). из-за отсутствия трения между магнитами, лопастям легко раскрутить крышку генератора к которой с внутренней стороны присоединены также неодиумовые магниты. Между полюсами которых при скольжении находятся медные катушки.

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на яхтах, с/х фермах для водоснабжения и т. д.

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.

Строение малой ветряной установки:

-Ротор, лопасти, ветротурбина

-Генератор (как правило это синхронный трёхфазный с возбуждением от постоянных магнитов напряжением =24 В)

-Мачта с растяжками

-Контроллер заряда аккумуляторов

-Аккумуляторы (необслуживаемые на 24 В)

Считается, что применение малых ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

-Высокой стоимости инвертора

50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в

220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))

-Высокой стоимости аккумуляторных батарей

25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)

-Для обеспечения надёжного электроснабжения к такой установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами приводящими к удорожанию энергии получаемой от ветрогенераторов являются:

-Необходимость получения электроэнергии промышленного качества

220В 50 Гц (применяется инвертор)

-Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяется аккумуляторы)

-Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор)

В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощю ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.

Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.

Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.

В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.

Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно потдерживать в широких диапазаонах 19—25°С — в бойлерах горячего водоснабжения — 40—97°С без ущерба для потребителей.

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10—$0,11 за кВт·ч. AWEA ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветряной энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветряные турбины будут установлены в 15 млн домах и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд

3. Компоненты ветроустановки

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:

— Генератор – необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.

— Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.

— Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.

Список дополнительных необходимых компонентов:

— Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей.

— Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей.

— Анемоскоп и датчик направления ветра – отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.

— АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания!

— Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.

Ветрогенератор EuroWind 2

Ветряк мощностью 3 киловатта — это одна из самых популярных моделей и является самым лучшим выбором для семьи. Этот ветрогенератор обеспечивает энергией дом небольшого или среднего размеров. Данный ветрогенератор можно комбинировать с солнечными батареями и дизельным генератором для непрерывного обеспечения энергией.

Для загородного дома этого ветрогенератора более чем достаточно. Для его установки не требуется бригада рабочих, ветрогенератор устанавливается даже в одиночку.

Такие ветрогенераторы полностью удовлетворяют потребности небольших кафе, магазинов, строительных городков, кемпингов и других объектов, которые находятся вдали от источников электроэнергии.

Среднегодовая выработка энергии 5800 кВт в год (при средней скорости ветра 6 м/с)

Максимальная мощность 3000 Вт

Напряжение ветрогенератора 120 Вольт

Время зарядки аккумуляторов около 10 часов

Рекомендуемые аккумуляторы 10 шт. 12В 200Ач

Напряжение после инвертора 220 Вольт 50 Гц

Количество лопастей 3 шт.

Диаметр ротора 3,2 метра

Материал лопастей FRP (композитный материал — фибергласс)

Тип ветрогенератора PMG (на постоянных магнитах)

Защита от ураганного ветра AutoFurl (автоматическая)

Высота мачты 9 метров

Контроллер заряда AIC (автоматический)

Рабочая температура от -40 до +60 C

Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования

4. Ветрогенераторы и окружающая среда

Сегодня, когда экологические проблемы постепенно становятся одной из главных забот человечества, использование разных источников энергии рассматривается не только с точки зрения их мощности и экономичности, но и влияния на окружающую среду.

На первый взгляд ветровая энергия абсолютно чиста экологически и не наносит ущерба природе и людям. Но это не совсем так. Мощные ветровые электростанции с сотнями и тысячами ветровых турбин приносят немало проблем: они производят невообразимый шум, могут служить помехой для радио- и телетрансляций. Кроме того, огромные вышки нередко препятствуют миграции птиц. Разумеется, по сравнению с тем огромным ущербом природе, который наносят тепловые электростанции, вред от ветрогенераторов почти незаметен, однако если мы хотим в будущем иметь абсолютно «чистую» энергетику, проблемы влияния ветроустановок на окружающую среду надо решать уже сейчас. Одним из таких решений — и наиболее перспективным — является установка ветрогенераторов в открытом море, на большом удалении от берегов. Это повысит не только безопасность, но и экономичность, так как на просторах Мирового океана ветры дуют с особой силой. Разумеется, установка ветрогенераторов в открытом море требует больших затрат, однако экологическая чистота стоит денег, затраченных на нее.

Первая ветряная электростанция в открытом море уже действует. Это установка Эбельтофф в Дании. 16 ее турбин производят 55 кВт электроэнергии — вполне хватает для полного снабжения поселка из 600 домов. Специалисты подсчитали, что только Западная Европа, береговая линия которой протянулась более чем на 20000 километров, в состоянии получать около триллиона киловатт-часов электроэнергии в год, если воздвигнуть ветрогенераторы вблизи от побережья. А возможности нашей страны в этом плане еще выше.

На сегодняшний день технология строительства платформ для ветрогенераторов в открытом море отработана (большую роль здесь сыграл опыт строительства морских скважин для добычи нефти) и уже применяется.

Как уже опмечалось, главной проблемой применения ветровой энергии является непостоянство ветра. Имеется несколько способов аккумулировать энергию на случай безветренных дней. Простейший из них — создать систему двух резервуаров, один из которых залегает ниже другого. В ветреные дни производимое электричество можно использовать для закачки воды из нижнего резервуара в верхний. А когда ветрогенератор бездействует, достаточно открыть перемычку — и вода устремится из верхнего резервуара в нижний, вращая по пути турбину, которая будет давать электроэнергию. Еще один способ аккумулирования — использование ветровой энергии для электролиза воды — получения водорода и кислорода из воды. Водород — идеальное топливо, которое может заменить любой тип горючего. Теплота его сгорания втрое выше, чем у бензина. Если в ветреные дни создать достаточный запас водорода, его можно транспортировать в любое место по газопроводам, а затем использовать в топливных элементах.

Ученые подсчитали, что общий ветроэнергетический потенциал земли приблизительно в 30 раз превосходит годовое потребление электричества во всем мире. Разумеется, весь этот запас энергии использовать не удастся. Для нормальной работы ветроустановок скорость воздушных потоков не должна в среднем за год падать меньше 4-5 м/с, и в то же время не должна превышать 50 м/с. Впрочем, максимальная скорость ветра может быть и выше. Американские инженеры создали генератор с вертикальными роторами, которые вращаются наподобие карусели. По своей эффективности он превосходит лопастные генераторы почти втрое и способен выдерживать даже ураганные ветры. Видимо, с развитием технологии появятся и более совершенные конструкции. Скорее всего, технология не пойдет по пути повышения размеров ветроустановок. Будущее принадлежит ветрогенераторам мощностью от 5 до 100 киловатт, которые будут обеспечивать нужды сельского хозяйства и небольших поселений. Впрочем, имеется возможность применения и более мощных (до 5 мегаватт) установок, которые будут вырабатывать электроэнергию в составе уже существующих энергетических систем. Кроме того, ветровая энергия может быть использована для производство удобрений, для получения сжатого воздуха, который будет направляться в водоемы для их аэрации — повышения содержания кислорода, необходимого для его обитателей. Разные отросли промышленности все активнее делают заявки на ветровую энергию.

5. Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной фермы может занимать год и более.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.

Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.

Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.

Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.

Нестабильность работы генератора. Из-за того что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.

Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветряных электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар.

На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.

Итак, ветрогенераторы — это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую. Сегодня ветрогенераторы – высокотехнологичное изделие мощностью от 5 КВт до 4 500 КВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров – от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности.

Ветрогенераторы применяются в самых различных местах. Это открытые территории с хорошим ветропотенциалом, поля, острова, мелководье, горы. Как следствие энергетической политики в России- места, где подключение к существующим сетям дороже ветроэнергетического проекта или доставка дизельного топлива обходится дорого.

Работает ветрогенератор очень просто, почти как и сотни лет назад:

— Набегающие потоки ветра на высоте башни ветрогенератора — от 40 до 100 метров вращают лопасти ветрогенератора. Энергия вращения передается по валу ротора на мультипликатор, который в свою очередь вращает асинхронный или синхронный электрический генератор.

Широко распространены конструкции ветрогенераторов, не имеющих мультипликатора, что существенно увеличивает их производительность. При изменении направления ветра сенсоры на башне ВГ подают команду, и механизм ориентации поворачивает башню ветрогенератора по ветру. Стабилизация вращения ветроколеса ветрогенератора достигается различными методами, один из которых – поворот лопастей или их фрагментов вокруг своей оси под углом к направлению ветра.

— Ветрогенераторы могут работать как по одиночке (единичный комплекс), так и группами (ветропарк). Часто один или несколько ветрогенераторов работают параллельно с дизель-генераторами в качестве средства экономии расходов на дизельное топливо.

Что же дает ветрогенератор? Вот примеры для ориентировки: Ветрогенератор мощностью 800 КВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 1.500.000 КВт часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с — 1.100.000 КВт часов электроэнергии.

Ветрогенератор мощностью 2000 КВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 3.700.000 КВт часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с — 2.300.000 КВт часов электроэнергии.

Ветровая энергия

Развитие ветроэнергетики в мире

С древнейших времен человек использовал энергию ветра сначала в судоходстве, а затем для замены своей мускульной силы. Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около г. Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных еще во 2–1 вв. до н. э. В 7 в. н. э. в Иране строили ветряные мельницы уже более совершенной конструкции — крыльчатые. Несколько позднее (8–9 вв.) ветряные мельницы появились на Руси и в Европе. Начиная с 13 в. ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии, для подъема воды, размола зерна и приведения в движение различных станков. В начале 20 века в крестьянских хозяйствах России насчитывалось около 250 тыс. ветряных мельниц, которые ежегодно перемалывали половину урожая. С изобретением паровых машин, а затем двигателей внутреннего сгорания и электродвигателей старые примитивные ветряные двигатели и мельницы были вытеснены из многих отраслей и остались, главным образом, в сельском хозяйстве.

Энергия ветра оценивается в 175–219 тыс. ТВт · ч в год, при этом развиваемая им мощность достигает (20–25) · 10 9 кВт. Это примерно в 2,7 раза больше суммарного расхода энергии на планете. Считают, однако, что полезно может быть использовано только 5 % этой энергии; в настоящее время используется значительно меньше.

Использование энергии ветра — динамично развивающаяся сегодня отрасль мировой энергетики. Если суммарная установленная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире в 2000 г. составляла 17,8 ГВт, то в 2005 г. она достигла уже 59,27 ГВт (табл. 3.1). Темпы развития ветроэнергетики во всем мире в 2005 г. значительно увеличились. Мощность вновь введенных ВЭУ составила 11408 МВт, что превышает показатель предыдущего года на 40 %. В последние годы происходит ускоренное развитие ветроэнергетики в неевропейских странах.

Таблица 3.1
Состояние развития ветроэнергетики в мире в 2005 г. и прогноз на 2010 г.

В Европе, где в последние 10 лет темпы развития ветроэнергетики были также довольно высоки, ситуация стабилизировалась на высоком уровне и ввод в 2005 г. 6372 МВт ВЭУ обеспечил прирост мощности примерно на 8% по сравнению с 2004 г. С долей в 69% Европа остается лидирующим континентом по производству энергии от ВЭУ. Ведущими странами в области ветроэнергетики являются Германия и Испания. Из 6373 МВт, введенных в 2005 г., 3572 МВт (56%) приходится на эти две страны. В Дании 13% электроэнергии вырабатывается с помощью ВЭУ, половина турбин изготавливается в этой стране.

Суммарная установленная мощность ВЭУ в мире в 2006 и 2007 гг. соответственно достигла 73904 и 93849 МВт. По прогнозам Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA) к 2010 г. установленная мощность мировой ветроэнергетической отрасли достигнет 170 000 МВт.

В 2007 г. наибольшее число ветряных установок внедрили США. За год мощность ВЭУ увеличили на 5215 МВт и по суммарной установленной мощности они вышли на второе место в мире.

Рис. 3.1. Ветропарк в штате Калифорния, США

Тенденцией последних десятилетий является непрерывный рост единичной мощности сетевых ВЭУ. Еще 10 лет назад типичной ВЭУ в составе ветровых ферм была установка мощностью 300–500 кВт. В 2000–2002 гг. серийной стала ВЭУ мощностью 1–1,2 МВт. Это приводит к снижению стоимости установленного киловатта, которая сегодня находится на уровне 1000 $ за 1 кВт. При благоприятных характеристиках ветра стоимость электроэнергии, вырабатываемой крупной ветровой установкой, приближается к ее стоимости на топливных электростанциях.

Рис. 3.2. ВЭУ в акватории моря (Испания)

В 1998 г. немецкая компания Sudwind выпустила на рынок ВЭУ мощностью 1,8 МВт. В середине 1999 г. компания NEG Micon установила ВЭУ мощностью 2 МВт с диаметром ротора 72 м. Эта же компания в 2003 г. на выставке в Мадриде продемонстрировала ВЭУ мощностью 4,2 МВт. Сегодня несколько компаний производят ВЭУ с мощностью в интервале 3–5 МВт. Это гиганты с диаметром ротора более 100 м и с высотой башни около 100 м. Например, ВЭУ NEG Micon NM110/4200 мощностью 4,2 МВт имеет ротор диаметром 110 м весом 69 т с тремя лопастями длиной 54 м каждая.

Рис. 3.3. Типичный современный ветропарк

В мире ВЭУ достигли сегодня уровня коммерческой зрелости и в местах со среднегодовыми скоростями ветра более 5 м/сек успешно конкурируют с традиционными источниками электроснабжения.


С 1995 г. установленная мощность ВЭС в мире увеличилась почти в 20 раз: с 4800 МВт до 93849 МВт (на конец 2007 г.). Расширение мирового рынка ветроэнергетики привело к значительному падению цен на энергию, производимую ветром. При расположении ветропарков на площадках с хорошим ветровым режимом производимая ими электроэнергия оказывается дешевле, чем энергия угольных, газовых и атомных станций. Кроме того, если бы скрытые издержки, связанные с воздействием на окружающую среду и здоровье людей при использовании ископаемого топлива и ядерной энергии, были включены в стоимость электроэнергии, выработка электричества ВЭС оказалась бы еще дешевле.

В России до недавнего времени развитию ветроэнергетики не уделялось должного внимания. Разрабатывавшиеся в конце прошлого века ВЭУ мощностью в 250 кВт не были доведены до необходимых требований по надежности и эффективности. Поэтому практически все крупные ВЭУ, действующие сегодня в России, укомплектованы импортными агрегатами.

Ветроэнергетические установки

Ветер как источник энергии характеризуется, прежде всего, скоростью. Скорость ветра в данном месте очень непостоянная величина. Для нее характерны быстрые изменения (порывы) и медленные (погодные, суточные, сезонные). Поэтому данное место характеризуют среднегодовой скоростью ветра. Обычно в справочниках на основании данных метеостанций приводятся скорости ветра на высоте 10 м. Для сооружения крупной (ВЭУ) предпочтительно знать скорость ветра на высоте 80 м.

Кинетическая энергия потока воздуха E (Дж), занимающего объем V (м 3 ), имеющего плотность ρ (кг/м 3 ) и движущегося со скоростью w (м/с), определяется по формуле

Мощность ветрового потока N (Вт), проходящего через площадь S (м 2 ), определяется по формуле

Для S = 1 м 2 получаем значение удельной мощности ветрового потока со скоростью w:

Обычно в ветроэнергетике используется рабочий диапазон скоростей ветра, не превышающих 25 м/с. Эта скорость соответствует 9-балльному ветру (шторм) по 12-балльной шкале Бофорта. Ниже для указанного рабочего диапазона скоростей ветра приведены значения удельной мощности Nуд:

С помощью ВЭУ в механическую энергию может быть преобразована только часть энергии ветрового потока. Отношение кинетической энергии ветрового потока Eв, преобразованной с помощью ветровой турбины в механическую энергию, к кинетической энергии невозмущенного ветрового потока E называется коэффициентом мощности, или коэффициентом использования энергии ветра,

С учетом коэффициента мощности мощность ветротурбины

Для каждой ВЭУ можно выделить следующие три характерных значения рабочей скорости ветра:

  1. w min р , при которой 0≤w≤w min р и мощность ВЭУ равна нулю;
  2. w N р, при которой w min р≤w≤w N р и мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;
  3. w max р , при которой w>w max р и мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора.

Для ориентировочных расчетов в диапазоне скоростей ветра от w min р до w N р полезная мощность ВЭУ для заданных скорости ветра w на высоте башни Hб(м) и диаметре ротора ВЭУ D(м) рассчитывается по формуле

где S = πD 2 /4; ηр — КПД ротора (около 0,9); ηг — КПД электрогенератора (около 0,95); ξ — коэффициент мощности, обычно принимаемый равным 0,45 в практических расчетах; ρ = 1,226 кг/м 3

После подстановки всех указанных значений в (3.6) получаем для ориентировочных расчетов

Для малых ВЭУ w min р находится обычно в пределах 2,5–4 м/с, а w N р — от 8 до 10 м/с. Для крупных ВЭУ указанные значения составляют 4–5 и 12–15 м/с.

В большинстве конструкций ветроэнергетических установок для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию используется принцип подъемной силы крыла.

Принято считать, что крупные ВЭУ целесообразно устанавливать в месте, где среднегодовая скорость ветра не ниже 5 м/с. Для оценки количества электроэнергии, которое будет произведено данной ВЭУ за год, необходимо также знать усредненную по многолетним наблюдениям вероятность наличия ветра с той или иной скоростью. На этом основании вычисляется коэффициент использования установленной мощности, т. е. число часов в году, в течение которых ВЭУ работает как бы с номинальной мощностью. Эта величина определяется как частное от деления выработанной за год электроэнергии на номинальную мощность ВЭУ. Для благоприятных мест с более или менее постоянным ветром (ущелья, горные хребты, шельф) этот показатель может достигать 3000 ч/год (коэффициент использования установленной мощности около 0,3).

Существуют две основные разновидности ВЭУ: с горизонтальным и с вертикальным валом. Сегодня в подавляющем числе случаев применяются ветровые турбины с горизонтальным валом (ТГВ), устанавливаемом параллельно вектору скорости ветра. Приемником энергии ветра является ветроколесо, состоящее из того или иного числа лопастей (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Принципиальные схемы ветровых колес: 1 — однолопастное колесо;
2 — двухлопастное колесо; 3 — трехлопастное колесо; 4 — многолопастное
колесо

ВЭУ большой мощности, как правило, 3-х или 2-х лопастные. Малые ВЭУ иногда выполняются как многолопастные. Лопасти имеют аэродинамический профиль и при взаимодействии с ветром создают подъемную силу, лежащую в плоскости колеса, направленную тангенциально и создающую полезный крутящий момент.

В подавляющем большинстве случаев мощность от ветроколеса передается электрогенератору. Для различных ВЭУ применяются разные типы электрогенераторов: от генераторов постоянного тока с постоянными магнитами (для малых ВЭУ), до синхронных или асинхронных генераторов переменного тока. В зависимости от используемого электрогенератора вал ветроколеса соединен с ним либо непосредственно, либо через мультипликатор. Если синхронный генератор ВЭУ присоединен к сети переменного тока, его ротор вращается с синхронной скоростью и необходимое передаточное число обеспечивается мультипликатором. В этом варианте резкие колебания скорости ветра передаются на трансмиссию, вызывая механические напряжения. Эти напряжения несколько демпфируются при использовании асинхронного генератора, допускающего некоторое отклонение от синхронной скорости (скольжение). Поскольку каждой скорости ветра соответствует оптимальная скорость вращения ветроколеса, то в ряде схем генератор также вращается с переменной скоростью. В этих случаях получение тока нужного качества и синхронизация с сетью обеспечиваются электроникой. При этом может быть применен генератор постоянного тока, либо переменного тока с плавающей частотой.

Одна из серьезных проблем для крупных ВЭУ — защита от скоростей ветра, превышающих расчетную. С этой целью используются аэродинамические ограничители и механические тормоза. Простейший аэродинамический тормоз основан на том, что при увеличении скорости вращения лопасти угол атаки лопасти растет и, когда он превысит 11–12 град, происходит срыв потока и скачкообразное уменьшение подъемной силы. Более тонкое аэродинамическое регулирование достигается изменением угла атаки путем поворота лопасти вокруг ее оси.

Наряду с ТГВ разрабатываются и иногда применяются ВЭУ с турбинами с вертикальным валом (ТВВ). Такие ВЭУ имеют некоторое количество вертикальных лопастей, размещенных по периметру круга того или иного диаметра и механически соединенных с вертикальным валом, вращающимся в центре этого круга. Вертикальный вал либо непосредственно, либо через мультипликатор, соединен с электрогенератором, установленным на уровне земли. Достоинством ТВВ является отсутствие поворотного устройства, следящего за направлением ветра, и отсутствие высокой башни. Недостатками — более низкий КПД и необходимость первоначальной раскрутки ротора от внешнего источника.

Хотя существуют проекты и были созданы достаточно крупные ТВВ, сегодня областью их преимущественного применения являются автономные установки сравнительно небольшой мощности. На рис. 3.5 изображена ВЭУ, выпускаемая итальянской компанией ROPATEC AG. Компания производит ВЭУ мощностью от 750 Вт до 6 кВт. Ее отличительная особенность в том, что она автоматически запускается независимо от направления ветра при скорости 2–3 м/с. Для этого ротор представляет собой сочетание роторов Савониуса (аналогичный ротору чашечного анемометра) и Дарье. В отличие от ТГВ данная установка не имеет ограничений по скорости ветра сверху. При скорости более 14 м/с ВЭУ не отключается и аэродинамически поддерживается нужное число оборотов.

Рис. 3.5. ВЭУ ТВВ фирмы РОПАТЭК

ВЭУ 750 Вт имеет диаметр ротора 1,5 м и весит 140 кг. Разработка ROPATEC отличается тем, что она практически бесшумна, имеет специальный генератор, непосредственно без мультипликатора связанный с ротором.

ВЭУ можно применять не только для выработки электроэнергии, но и для непосредственного привода различных агрегатов. Есть целый ряд производств, где имеет значение лишь недельный или месячный объем выпускаемой продукции, а ритмичность ее производства в течение этих периодов времени не так важна. В первую очередь это те производства, где срок годности продукции мало зависит от длительности ее хранения. К ним можно отнести выпуск сырья и полуфабрикатов для изготовления строительных материалов: дробление щебня, известняка, глины для производства кирпича, дробление или помол гипса и алебастра, помол мергеля и клинкера в производстве цемента.

Дробление и особенно помол любого продукта исключительно энергоемки. Поэтому представляет практический интерес изучение возможности использования ветродвигателей для привода помольного оборудования, что является развитием известного подхода, который ранее применялся во многих странах, в том числе в России. До широкого применения электроэнергии в сельскохозяйственном производстве небольшие ветряные мельницы мощностью от 2 до 10 кВт были весьма распространены. Например, до 1917 г. в России было около 250 тыс. крестьянских ветряных мельниц, перемалывавших ежегодно более 32 млн т зерна. Указанные объемы помола зерна вполне сопоставимы с объемами производства современной мукомольной промышленности России.

Использование энергии ветра для предлагаемых целей представляет практический интерес в случае, когда мощность ветроустановки составляет не менее 100–200 кВт, а годовое число часов со скоростью ветра 6–8 м/с в данной местности — не менее 2000–3000. Для ветроустановок подобного типа в настоящее время появилась возможность использования списанных несущих винтов средних и тяжелых вертолетов. По действующим в авиации правилам после наработки определенного количества часов в воздухе вертолетный винт, несмотря на его вполне годное состояние, с летательного аппарата снимается.

Несущий винт вертолета МИ-8 имеет диаметр 22 м и при скорости ветра 8 м/с на ветроустановке может развить мощность 150 кВт, а винт вертолета МИ-6 диаметром 35 м применим для ветроустановки мощностью 300 кВт.

В России существует значительный нереализованный задел в области ветроэнергетики. Фундаментальные исследования аэродинамики ветряка, осуществленные в ЦАГИ, заложили основу современных ветротурбин с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Однако жесткая ориентация на большую энергетику (угольная, ядерная и гидроэнергетика) и почти полное игнорирование новаций и экологических проблем надолго затормозило развитие ветроэнергетики. Выпускаемые «Ветроэном» ВЭУ не отвечали современным требованиям и представлениям высоких технологий ветроэнергетической индустрии. Толчком для дальнейшего продвижения и создания современного ветроэнергетического оборудования стала федеральная научно-техническая программа «Экологически чистая энергетика».

Опытный образецветроагрегата мегаваттного класса был спроектирован и построен МКБ «Радуга», который организовал кооперацию предприятий авиационной промышленности. Разработка, изготовление и строительство финансировалось правительством Калмыкии. Ветроагрегат был построен недалеко от Элисты и вырабатывал 2300–2900 тыс. кВт ч электроэенергии в год. Ветроагрегат подключен к сети. В МКБ «Радуга» были спроектированы ветроагрегаты мощностью 8 кВт и 250 кВт.

Российской Ассоциацией развития ветроэнергетики «Energobalance Sovena» совместно с немецкой фирмой «Husumer Schiffs Wert» (HSW) были изготовлены 10 ветроагрегатов сетевого исполнения единичной мощностью 30 кВт. Ветропарк с установленной мощностью 300 кВт был построен в 1996 г. в Ростовской области и запущен в эксплуатацию.

Суммарная мощность ВЭС России составляет всего 16,5 МВт. Успешно эксплуатируются станция «Куликово» (5,1 МВт) в Калининградской области, ветроэлектрический парк «Заполярный» (2,5 МВТ), станция «Тюпкильди» в Башкирии (2,2 МВт), Ростовская ВЭС (0,3 МВт), Анадырская ВЭС (2,5 МВт) на Чукотке, ВЭС на о. Беринга (1,2 МВт) и Мурманская ВЭС (0,2 МВт). Большинство этих станций носит экспериментальный характер.

В России к перспективным районам — зонам ветровой активности относятся острова Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, районы Нижней и Средней Волги и Каспийского моря, побережье Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Такие зоны также есть в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале. Эти районы не входят в число районов, относящихся к центральному энергоснабжению, в связи с чем целесообразно в этих зонах для обеспечения их электроэнергией использовать ветровые электростанции.

Таблица 3.2 Основные технические данные ВЭУ России

Сегодня возможны следующие сценарии развития ветроэнергетики в России: закупка и монтаж зарубежных ветроагрегатов; трансферт западных технологий и организация производства в России; кооперация с зарубежными фирмами и производство ветроагрегатов в России; организация производства собственных ветроагрегатов, ноу-хау которых защищено международным законодательством.

Для России предпочтительней последний сценарий, однако он сдерживается существующим налоговым законодательством, монополией производителей электроэнергии, отсутствием инвестиций и развалом производства.

Рис. 3.6. ВЭС «Куликово»

Оценивая перспективы ветроэнергетики для России, можно заключить, что в ближайшее время будут внедряться в основном автономные ВЭУ средней и малой мощности, преимущественно в отдаленных регионах, для потребителей, не присоединенных к централизованным системам энергоснабжения.

Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 6.4.1.

Рис. 6.4.1. Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол ϕ. Этот угол называют углом заклинения лопасти (рис. 6.4.1). При этом на её элементы набегает воздушный поток с относительной скоростью W под углом α , который называют углом атаки, и действует с силой R. Углы ϕ и α в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Px и Py. Силы Pxпроизводят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы Pyдействуют в плоскости y − y вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

Рис. 6.4.2. а – схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти; б – графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки α, т. е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки α , и при некоторой окружной скорости ωR, где ω угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рис. 6.4.2, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъёмную силу.

Если мы будем уменьшать угол ϕ каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки α примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъёмной силой. Лопасть с переменным углом заклинения со получает форму винтовой поверхности.

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46%.

Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности.

Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V , равна:

Подставив (6.3.2) в выражение кинетической энергии (6.3.1), получим:

откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости.

Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например, у ветродвигателей карусельного типа.

Мощность T определяется произведением силы P на скорость V :

Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения.

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 6.3.3); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U , с которой перемещается поверхность F, т. е.:

где Px – сила сопротивления, которая равна :

где Cx – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; F – поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.

В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной:

Подставив значение Px из уравнения (6.3.6) в уравнение (6.3.5), получим:

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью и выраженной уравнением (6.3.8), к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

После преобразований получим:

Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.

Из уравнения (6.3.10) мы видим, что ξ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент ξ получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V.

Установлено, чтобы получить максимальное ξ , поверхность должна перемещаться со скоростью:

Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ = 0,192 .

Классификация ветродвигателей по принципу работы

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Быстроходностью называется отношение окружной скорости конца лопасти к скорости ветра: Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы.

  • ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn ≤ 2 .
  • ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn > 2.
  • ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn ≥ 3.

Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

  • карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра;
  • роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра, а именно:

  1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10%, что установлено экспериментальными исследованиями.
  2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.
  3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветродвигателя.

У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра 18%.

Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигателей этого класса.

Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличилась в 100 раз: от 20-60 кВт при диаметре ротора около 20 м в начале 1980 годов до 5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 м к 2003 году. Некоторые прототипы ветродвигателей имеют еще большие мощность и диаметр ротора. За тот же период стоимость генерируемой ветряками энергии снизилась на 80 %. Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моря представлена на рис. 6.2.3 (в ценах 2001 г.).

Ветроэнергетический кадастр

Ветер возникает вследствие неравномерного горизонтального распределения давления, которое, в свою очередь, обусловлено неравенством температур в атмосфере. Под действием перепада давления воздух испытывает ускорение, направленное от высокого давления к низкому. Однако вместе с возникновением движения воздуха на него начинают действовать другие силы: отклоняющая сила вращения Земли (сила Кориолиса), сила трения, а при криволинейных траекториях и центробежная сила. Ветер характеризуется скоростью и направлением.

К глобальным ветрам относятся пассаты и западный ветер. Пассаты образуются в результате нагрева экваториальной части земли. Нагретый воздух поднимается вверх, увлекая за собой воздушные массы с севера и юга. Вращение земли отклоняет потоки воздуха. В результате устанавливаются дующие круглый год с постоянной силой северо-восточный пассат в северном полушарии и юго-восточный — в южном. Сила пассатного ветра обычно составляет 2–3 балла. Западный ветер дует круглый год с запада на восток в полосе от 40 до 60° южной широты вдоль кромки дрейфующих льдов Антарктиды. Сила этого ветра достигает 8–10 баллов и редко бывает менее 5 баллов.

В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются по-разному, можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра.

К местным ветрам относятся бризы. Бризы — это легкие ветры, окаймляющие берега материков и больших островов, вызываемые суточными колебаниями температуры. Их периодичность обусловлена различием температур суши и моря днем и ночью. Днем суша нагревается быстрее и сильнее, чем море. Теплый воздух поднимается над береговой полосой, а на его место устремляется прохладный воздух с моря — морской бриз. Ночью берег охлаждается быстрее и сильнее, чем море, поэтому теплый воздух поднимается над морем, а его замещает холодный воздух с суши — береговой бриз.

Вторыми, постоянно дующими ветрами, являются муссоны. Эти ветры дуют в Индийском океане и связаны с сезонным изменением температуры материка и океана. Летом солнечные лучи сильнее нагревают сушу и ветер дует с моря на сушу. Зимой муссон дует с суши на море. Вращение земли вызывает появление сил Кориолиса, которые отклоняют муссоны вправо. Поэтому летом дуют юго-западные муссоны, а зимой — северо-восточные.

Для систематизации характеристик ветровой обстановки в конкретном регионе с целью ее эффективного энергетического использования разрабатывается ветроэнергетический кадастр, представляющий собой совокупность аэрологических и энергетических характеристик ветра, позволяющих определить его энергетическую ценность, а также оптимальные параметры и режимы работы ветроэнергетических установок.

Основными характеристиками ветроэнергетического кадастра являются:

  • среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра;
  • повторяемость скоростей;
  • максимальная скорость ветра;
  • распределение ветровых периодов и периодов энергетических затиший по длительности;
  • удельная мощность и удельная энергия ветра;
  • ветроэнергетические ресурсы региона.

Основной характеристикой ветра является его средняя скорость за определенный период времени (сутки, месяц, год). Средняя скорость ветра определяется как среднеарифметическое значение ряда замеров скорости, сделанных через равные интервалы времени в течение заданного периода. Скорость ветра возрастает с увеличением высоты над поверхностью Земли. Самые мощные и наиболее постоянные потоки ветра находятся на очень большой высоте. Примерно две трети всей ветровой энергии на планете скапливается в верхних слоях тропосферы, далеко за пределами досягаемости современных ветровых электростанций.

Суточный ход средней скорости ветра представляет собой изменение скорости ветра в течение суток, усредненное по всем суткам в определенном месяце по многолетним наблюдениям.

Годовой ход средней скорости ветра — это изменение в течение года многолетней среднемесячной скорости ветра.

При определении ресурсов ветровой энергии учитываются валовый, технический и экономический потенциалы.

Валовый (теоретический) потенциал ветровой энергии региона — это среднемноголетняя суммарная ветровая энергия движения воздушных масс над данной территорией в течение одного года, которая доступна для использования.

Технический потенциал ветровой энергии региона — это суммарная электрическая энергия, которая может быть получена в регионе от использования валового потенциала ветровой энергии при современном уровне развития технических средств и соблюдении экологических ограничений.

Экономический потенциал ветровой энергии региона — это величина годового поступления электрической энергии в регионе от использования ветроэлектрических установок, получение которой экономически оправдано при существующем уровне цен на производство, транспортировку и потребление энергии и топлива и соблюдении экологических норм.

Экономический потенциал ветровой энергии России составляет 10 млн т у. т./год. На рис. 3.7 представлена карта ветроэнергетических ресурсов.

Рис. 3.7. Карта ветроэнергетических ресурсов России. Цифрами обозначены
зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1 — более 5 м/с; 2 — от 3 до 5 м/с; 3 — до 3 м/с

К достоинствам ветровой энергии, прежде всего, следует отнести доступность, повсеместное распространение и практически неисчерпаемость ресурсов. Источник энергии не нужно добывать и транспортировать к месту потребления: ветер сам поступает к установленному на его пути ветродвигателю. Эта особенность ветра чрезвычайно важна для труднодоступных (арктических, степных, пустынных, горных и т. п.) районов, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, и для относительно мелких (мощностью до 100 кВт) потребителей энергии, рассредоточенных на обширных пространствах.

Основное препятствие к использованию ветра как энергетического источника — непостоянство его скорости, а следовательно, и энергии во времени. Существует опасность нарушения работы общей энергосистемы в том случае, если в ней будет присутствовать значительная доля электроэнергии, получаемой от ВЭС. Нестабильность ветра вынуждает устанавливать резервные источники энергии, которые бы могли в нужный момент компенсировать недостающую часть электроэнергии. В качестве примера такого резерва можно привести газотурбинные электростанции либо аккумуляторы. Все это приводит к повышению стоимости ветровой электроэнергии.

Происхождение ветра, ветровые зоны России

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловливают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вращение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти причины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляции, в той или иной степени связанных друг с другом.

На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном с юго-востока, как показано на схеме рис. 6.1.1. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скорости. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у поверхности земли достигает 6-8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континентов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

Рис. 6.1.1. Схема общей циркуляции земной атмосферы.

В субтропических широтах в поясах высокого давления зоны пассатов сменяются штилевыми областями. К северу и югу от этих областей приблизительно до 70°на всех высотах дуют ветры между западным и юго-западным румбами в северном полушарии и между западным и северо-западным — в южном полушарии. В этих широтах, кроме того, в атмосфере непрерывно возникают и затухают вихревые движения, усложняющие простую схему общей циркуляции атмосферы, показанную на рис. 6.1.1.


Местные ветры

Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.

Бризы

Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

Днём при солнечной погоде суша нагревается сильнее, чем поверхность моря, поэтому нагретый воздух становится менее плотным и поднимается вверх. Вместе с этим более холодный морской воздух устремляется на сушу, образуя морской береговой ветер. Поднимающийся над сушей воздух течёт в верхнем слое в сторону моря и на некотором расстоянии от берега опускается вниз.

Таким образом возникает циркуляция воздуха с направлением внизу – на берег моря, вверху – от суши к морю. Ночью над сушей воздух охлаждается сильнее, чем над морем, поэтому направление циркуляции изменяется: внизу воздух течёт на море, а вверху с моря на сушу. Зона распространения бриза около 40 км в сторону моря и 40 км в сторону суши. Высота распространения бризов в наших широтах достигает от 200 до 300 м. В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Чёрного и Каспийского морей.

Муссоны

Годовые изменения температуры в береговых районах больших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы,. называется муссонами. Возникают муссоны по следующим причинам. Летом континент нагревается сильнее, чем окружающие его моря и океаны; благодаря этому над континентом образуется пониженное давление, в воздух внизу устремляется к континенту от океанов, а вверху наоборот, течёт от континентов к окружающим океанам. Эти ветры носят название морских муссонов. Зимой континенты значительно холоднее, чем поверхность моря; над ними образуется область повышенного давления; вследствие этого нижние слои воздуха направляются от континента к океанам, а в верхних слоях – наоборот, от океанов к континентам. Эти ветры называются материковыми муссонами.

Сильные муссоны можно наблюдать на южном побережье Азии – в Индийском океане и Аравийском море, где летом они имеют юго-западное направление, а зимой – северо-восточное. У восточных берегов Азии также наблюдаются муссоны. Зимою дуют суровые северозападные материковые ветры; летом юго-восточные и южные морские влажные ветры. Эти ветры значительно влияют на климат Дальневосточного края.

Различные зоны страны имеют ветровые режимы, сильно отличающиеся один от другого. Значение среднегодовой скорости ветра в данном районе дает возможность приближенно судить о целесообразности использования ветродвигателя и об эффективности агрегата. Карта ветроэнергетических ресурсов России представлена на рис. 6.1.2.

Рис. 6.1.2. Карта ветроэнергетических ресурсов России. Цифрами обозначены зоны со среднегодовыми скоростями ветра: 1 – выше 6 м/сек; 2 – от 3,5 до 6 м/сек; 3 – до 3,5 м/сек.

Прибрежные зоны северной части страны, Каспийское побережье и северная часть Сахалина отличаются, как это видно на карте, высокой интенсивностью ветрового режима. Здесь среднегодовые скорости ветра превышают 6 м/сек. В этих районах часто наблюдаются ураганные ветры (выше 30 м/сек), которые сопровождаются снежными метелями и буранами. Поэтому в указанной зоне можно использовать только агрегаты с ветродвигателями высокой быстроходности (двух-трехлопастные), прочность которых рассчитана на ветровые нагрузки при скоростях ветра 40 м/сек. В Арктике и на побережье наиболее эффективно применение ветроэлектрических станций, работающих совместно с тепловым резервом, а также небольших ветроэлектрических агрегатов.

Большинство областей европейской части России относятся к зоне средней интенсивности ветра. В этих районах среднегодовая скорость ветра составляет от 3,5 до 6 м/сек. К этой же зоне относится часть территории, лежащая юго-восточнее озера Байкал.

Третья зона занимает обширную территорию Восточной Сибири и Дальнего Востока, некоторых областей европейской части России. В этой зоне скорости ветра относительно невелики – до 3,5 м/с, и широкое применение здесь ветроэнергетических установок не рекомендуется.

Виды ветродвигателей

Дата публикации: 19 ноября 2013

Для начала давайте договоримся, что говоря о ветродвигателях мы имеем в виду ту часть ветро-силовой установки (ВСУ), которая преобразует энергию ветра в энергию вращательного движения. Ветродвигатель приводится в движение ветром, он напрямую или посредством какого-то передающего механизма связан с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу (например, генератор или водяной насос). Часто ветродвигатель называют ротором или ветроколесом.

В этой заметке мы расскажем об основных типах ветродвигателей. Дилетанту, впервые столкнувшемуся с ветроэнергетикой не просто сделать правильный выбор из множества типов таких установок.

Компас выбора

В первую очередь, надо чётко знать, что тебе надо, какую желаемую мощность ожидаешь получить от своей установки, какие погодные условия местности и после всего переходить к детальному знакомству с тем или иным типом ветряка. А различные виды ветрогенераторов выдают совершенно разные результаты своей работы. В данной публикации вы узнаете, какие типы ветрогенераторов существуют на сегодняшний день, и вам нетрудно после знакомства с ними сделать правильный выбор.

Для скромных аппетитов подходящим выбором будет так называемый ортогональный ветрогенератор, который может подойти к применению в той местности, где бывают очень слабые дуновения ветерка. Он имеет несколько параллельных к оси лопастей, расположенных на некотором расстоянии от неё. (см. фото).

Итак, ветрогенераторы по своему виду различаются по:

  • количеству лопастей,
  • материалам, из которых изготовлены лопасти,
  • расположению оси вращения к поверхности земли,
  • шаговому признаку винта.

По числу лопастей они бывают одно-двух-трёх и многолопастные. Последние начинают своё вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где сам факт вращения важен, а не вырабатываемая электроэнергия. То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев.

По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла, но в ходе эксплуатации можно замучиться ремонтировать их.

По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.

По шаговому признаку винта ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но какова конструкция! Она сложна, увеличивает вес ветряка, то есть, потребует неисчислимых лишних затрат. Куда более прост и надёжен фиксированный шаг.
Таков, вкратце, ваш компас, чтобы не заблудиться в выборе.

Нужно еще привести список некоторых терминов и сокращений, которые будут использованы в дальнейшемю

  • КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. В случае применения для расчета механистической модели плоского ветра (см. далее) он равен КПД ротора ветросиловой установки (ВСУ).
  • КПД – сквозной КПД ВСУ, от набегающего ветра до клемм электрогенератора, или до количества накачанной в бак воды.
  • Минимальная рабочая скорость ветра (МРС) – скорость его, при которой ветряк начинает давать ток в нагрузку.
  • Максимально допустимая скорость ветра (МДС) – его скорость, при которой выработка энергии прекращается: автоматика или отключает генератор, или ставит ротор во флюгер, или складывает его и прячет, или ротор сам останавливается, или ВСУ просто разрушается.
  • Стартовая скорость ветра (ССВ) – при такой его скорости ротор способен провернуться без нагрузки, раскрутиться и войти в рабочий режим, после чего можно включать генератор.
  • Отрицательная стартовая скорость (ОСС) – это значит, что ВСУ (или ВЭУ – ветроэнергетическая установка, или ВЭА, ветроэнергетический агрегат) для запуска при любой скорости ветра требует обязательной раскрутки от постороннего источника энергии.
  • Стартовый (начальный) момент – способность ротора, принудительно заторможенного в потоке воздуха, создавать вращающий момент на валу.
  • Ветродвигатель (ВД) – часть ВСУ от ротора до вала генератора или насоса, или другого потребителя энергии.
  • Роторный ветрогенератор – ВСУ, в которой энергия ветра преобразуется во вращательный момент на валу отбора мощности посредством вращения ротора в потоке воздуха.
  • Диапазон рабочих скоростей ротора – разность между МДС и МРС при работе на номинальную нагрузку.
  • Тихоходный ветряк – в нем линейная скорость частей ротора в потоке существенно не превосходит скорость ветра или ниже ее. Динамический напор потока непосредственно преобразуется в тягу лопасти.
  • Быстроходный ветряк – линейная скорость лопастей существенно (до 20 и более раз) выше скорости ветра, и ротор образует свою собственную циркуляцию воздуха. Цикл преобразования энергии потока в тягу сложный.

Два вида, два соперника

Как уже было отмечено, в продаже пока существуют ветрогенераторы двух видов (по расположению вала вращения к поверхности земли) – горизонтальные и вертикальные. Поговорим вначале о вертикальных.

Ветросиловые установки (ВСУ) с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок.

Ротор Савониуса

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса.

В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За нам и осталась слава изобретателя этой новинки.

Ротор Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС, это, как минимум, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения (см. фото). И какое бы направление ветра не было, как бы резко он не изменял свои порывы, такой ветряк будет спокойно вращаться вокруг своей оси, вырабатывая энергию. Это единственное и главное преимущество вертикального ветряка перед горизонтальным.

А главный его недостаток – низкое использование ветровой энергии. Объясняется это тем, что лопасти-полуцилиндры работают только в четверть оборота, а остальную часть окружности вращения они как бы тормозят своим движением скорость вращения. Расчёты показали, что при этом используется лишь третья часть ветровой энергии.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

В 1931 году французский конструктор Жорж Дарье (George Darrieus) предложил свой вариант ротора, который имеет от двух и более плоских лопастей. Он еще проще, чем ВС: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Прост в изготовлении и монтаже, но с малой эффективностью — КИЭВ – до 20%.

Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию. Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре. Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Геликоидный ротор

Ещё один вид ветрогенератора с вертикальной осью вращения – с геликоидным ротором. Он способен равномерно вращаться благодаря закрутке лопастей. Достоинство: уменьшает нагрузку на подшипник и увеличивает срок службы. Но из-за сложной технологии слишком дорогой. (См. рисунок).

И, наконец, существуют ветрогенераторы с многолопастным ротором. Это один из самых эффективных типов из разряда вертикальных ветрогенераторов. (См. рисунок).

Ветрогенераторы с горизонтальной осью

Переходим к описанию горизонтальных ветрогенераторов. По количеству лопастей их разделяют на одно-двух-трёх и многолопастные. Достоинства горизонтальных – более высокий КПД по сравнению со своими вертикальными соперниками. Недостаток: необходимость устройства флюгера для постоянного поиска направления ветра. Кроме того, при повороте к ветру скорость вращения снижается, что уменьшает его КПД.

Главное достоинство однолопастных – высокие обороты вращения. У них вместо второй лопасти установлен противовес, мало влияющий на сопротивляемость движению воздуха, что даёт возможность использовать их для генераторов с высокими оборотами вращения. А это позволяет уменьшить массу и габариты всей установки. (См. рисунок однолопастной ВЭУ).

Двухлопастные ВЭУ мало чем отличаются по мощности с однолопастными и рассматривать их более подробно не имеет смысла.

Трёхлопастные горизонтальные ветряки – самые распространённые на рынках сбыта. Их мощность на выходе может достигать семи мегаватт.

Многолопастные установки с числом лопастей до пяти десятков обладают большой инерцией, за счёт чего при небольших оборотах вращения развивают большой крутящий момент. Такое преимущество позволяет использовать установки для работы водяных насосов, где они и занимают лидирующее положение.

Как курицу превратили в страуса

Кто не в курсе, что ветровые установки используют в качестве дополнительного источника? Все в курсе. Но как всегда, человечеству этого показалось мало, курицу пытаются превратить в страуса и, представьте себе, фигурально выражаясь, такое удаётся. В результате неустанных поисков появились совершенно новые типы ветрогенераторов, которые способны производить электричество…без лопастей. А есть и такие, которые обходятся даже без воздуха и ветра! Сейчас более подробно.

Уже выпущен довольно результативный ветрогенератор, который ловит ветер без лопастей. Такой ветрогенератор действует по принципу парусника (см. фото). «Парус», который скорее смахивает на тарелку, ловит напор воздуха, за счёт чего начинают двигаться поршни, которые находятся сразу за тарелкой, в верхней части установки.

Поршни приводят в действие гидросистему, которая и вырабатывает электричество. Такое сооружение не имеет ни шестерёнок, ни передатчиков и почти не шумит. КПД намного выше, чем у классического ветрогенератора. Кроме всего прочего, расходы при эксплуатации наполовину ниже, чем у привычных установок. Страна рождения такого проекта – Тунис.

Но и этого оказалось мало! В Португалии решили не прибегать к ветровым услугам, а использовать морскую воду. Ведь море постоянно движется, волнуется, иногда штормит, но никогда не останавливается. Налицо кинетическая энергия пропадает даром.

И пять лет тому назад, в нескольких километрах от берега, на воды Атлантического океана была спущена установка, которая даёт более 2 мегаватт электроэнергии, что вполне хватает для освещения более полутора тысяч домов.

Схематическое устройство таково. Сооружение состоит из трёх секций, между которыми находятся поршни. Внутри секций вмонтированы гидродвигатели и генераторы. Принцип работы простой до безобразия. Секции качаются на волнах, которые их изгибают, что приводит в движение гидропоршни. Те давят на масло, оно поступает в гидравлические двигатели и далее движение передаётся на генераторы. Всё, электроэнергия пошла на берег.

Сейчас работает три секции, к ним планируют подсоединить ещё 25 таких конверторов и тогда проектная мощность морской установки увеличится до 20 мегаватт, что даст возможность снабдить током около 15000 домов.

Теперь вы верите в то, что из курицы можно сотворить настоящего страуса!

Поплавковые электростанции конструируют во всем мире, в том числе и в России:

Основные этапы развития электродвигателя: принципы, конструкции, авторы.

Развитие техники знает немало сложных и острых моментов, принимавшихся как кризисы, выход из которых сопровождался «Фудными и долгими усилиями ученых, изобретателей и организаторов производства. К числу таких событий можно отнести энергетический кризис XVII—XVIII столетий, когда водяное колесо, хорошо послужившее прогрессу человечества в эпоху мануфактур, стало сдерживающим фактором дальнейшего развития капиталистического производства, ограничивая мощность и масштабы механического привода. Пришедший на смену ранней гидроэнергетике «его величество пар», перевернувший, по выражению К. Маркса, промышленное производство в XVIII в., породил мощную и быстро развивающуюся теплоэнергетику с паровыми котлами и машинами.

В начальный период развития электрических двигателей их изобретателям приходилось вступать в дискуссии по такому поводу: так как для производства электрической энергии с помощью электромашинных генераторов все равно необходим первичный паровой двигатель, то не целесообразнее ли приводить в действие станки непосредственно от парового двигателя, не теряя напрасно энергию при ее многоступенчатых преобразованиях? Аргументы в пользу индивидуального привода и транспорта электроэнергии на большие расстояния появились только в последней четверти прошлого столетия, когда назрел новый энергетический кризис, связанный с ограниченными возможностями теплового центрального двигателя. Выйти из этого кризиса позволили электрические машины, которые за несколько десятилетий совершили новый переворот в промышленном производстве.

Важнейшими научными предпосылками электромеханики послужили достижения в области электродинамики и открытие электромагнитной индукции. Свою положительную роль при разработке первых конструкций электрических машин и электромагнитных „устройств сыграл и опыт конструирования машин и механизмов доэлектрического периода.

Первоначально развитие электрических генераторов и электрических двигателей шло раздельными путями, что вполне соответствовало состоянию науки об электричестве и магнетизме того периода: принцип обратимости электрической машины был открыт только в 30-х годах, но его использование в широких масштабах начинается лишь с 70-х годов прошлого века. В связи с зтий представляется вполне правомерным рассматривать отдельно историю создания электродвигателя и генератора в период до 3870 г.

А поскольку единственным надежным н изученным источником электроэнергии был до середины XIX века только гальванический цемент, то естественно, первыми стали развиваться электрические машины постоянного тока.

В развитии электродвигателя постоянного тока молено наметить три основных этапа, впрочем, достаточно условных, так как конструкции и принципы действия электродвигателей, характерные для одного этапа, в отдельных случаях появлялись вновь спустя много лет. Вместе с тем, более поздние и более прогрессивные конструкции в их зачаточной форме нередко можно найти в первоначальном периоде развития электродвигателя. Для характеристики каждого этапа совершенствования электродвигателя в дальнейшем изложении рассматриваются только наиболее типичные конструкции.

Начальный период развития электродвигателя (1821 —1834 гг.) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую и начинается с описанного выше опыта Фарадея (рис. 4.1).

Возможность превращения электрической энергии в механическую показывалась и во многих других экспериментах. Так, в книге П. Барлоу «Исследование магнитных притяжений», опубликованной в 1824 г., описывалось устройство, известное под названием «колеса Барлоу» и являющееся одним из исторических памятников предыстории развития электродвигателя. Колесо Барлоу представляло собой два медных зубчатых колеса, сидящих на одной оси, которые соприкасались с ванночками, наполненными ртутью, и находились между полюсами постоянных магнитов. При пропускании тока через колеса они начинали быстро вращаться (pиc. 4.5).

В качестве примера другой конструкции электродвигателя может служить прибор, описанный в 1833 г. английским ученым У. Риччи. Магнитное поле в этом двигателе создавалось постоянным неподвижным подковообразным магнитом, между полюсами которого на вертикальной оси помещался электромагнит. Взаимодействие полюсов постоянного магнита и электромагнита приводило к вращению электромагнита вокруг оси. Направление тока периодически изменялось коммутатором, который представлял собой желобок с ртутью, образующий кольцо и разделенный перегородками на две части: концы обмотки вращающегося электромагнита касались ртути. Это был прообраз будущего коллектора. Действительно, в 1836 г. двухпластинчатый коллектор в виде разрезанной вдоль медной трубки предложил английский физик, изобретатель электромагнита Вильям Стерджен (1783—1850).

Колесо Барлоу не нашло практического применения и до сих пор остается лабораторным демонстрационным прибором. Электродвигатель Риччи вследствие своей примитивной конструкции и незначительной мощности также не мог получить практического применения.

Для первого этапа развития Электродвигателя характерным примером, отражающим иное конструктивное направление, может служить прибор американского физика Дж. Генри (рис. 4.6). В 1831 г. он опубликовал статью «О качательном движении, производимом магнитным притяжением и отталкиванием», в которой описал построенную им модель электродвигателя. Под полюсами горизонтально расположенного электромагнита 3, 4 способного совершать качательное движение, вертикально устанавливались постоянные магниты 1, 2. Изменение полярности электромагнита осуществлялось за счет перемены направления тока в его обмотке, соединявшейся посредством проводников 11—14 с гальваническими элементами 5 и 6 (к электродам элементов припаяны чашечки с ртутью 7 и 8, 9 и 10).

Электродвигатель Генри интересен тем, что в этом устройстве впервые сделана попытка использовать притяжение разноименных и о сталкивание одноименных магнитных полюсов для получения непрерывного движения (в данном случае — качательного). В модели, построенной самим Генри, электромагнит совершал 75 качаний в минуту. Мощность двигателей подобного типа была очень небольшой: один из таких двигателей, построенный в 1831 г., по современным опенкам имел мощность 0,044 Бт и, конечно, не мог использоваться на практике, да к сам изобретатель не придавал ему серьезною значения.

Как на первом этапе, так к позднее было предложено много конструкций двигателей с качательным движением якоря. Однако более прогрессивными оказались попытки построить электродвигатель с вращательным движением якоря.

Второй этап раннего развития электрических двигателей (1834—1860 гг.) характеризуется преобладанием конструкций с врашательным движением явно полюсного якоря. Вращающий момент на валу у таких двигателей обычно был пульсирующим.

Наиболее характерные и существенно важные работы по конструированию электродвигателей этого рода принадлежат петербургскому профессору 5. С. Якоби.

Борис Семенович Якоби (1801—1874 гг.) принадлежит к числу иностранных ученых, которые, откликнувшись на приглашение русских университетов и Петербургской Академии наук, переехали в Россию и связали с ней всю свою творческую жизнь. Мориц Герман Якоби принял русское имя, прожил 39 лет в России, сначала в Дерпте, а затем в Петербурге.

Б. С. Якоби заинтересовался «электромагнитными вращениями» еще в пору своей деятельности в области архитектуры (он был архитектором — строителем по образованию). С начала 30-х годов прошлого столетия он все более увлекается работами в области электромагнетизма. Состоя в Петербургской Академии наук с 1839 г., в 1865 г. он был избран академиком по физике, заменив Умершего Э. X. Ленца.

В 1834 г. Б. С. Якоби послал в Парижскую Академию наук сообщение об изобретенной им «магнитной машине». Более полное описание электродвигателя Якоби было опубликовано в 1835 г.

Представляют интерес некоторые высказывания Якоби, в которых он определяет свой подход к изобретению электродвигателя. «В мае 1834 г. я построил свой первый магнитный аппарат, дающий постоянное круговое движение но я не мог сначала отрешиться от идеи получить возвратно-поступательное движение, производимое последовательным притягивающим и отталкивающим действием магнитных стержней, а затем уже превратить это возвратно-поступательное движение в постоянное круговое известным в технике способом. Мне казалось, что такой прибор будет не больше, чем забавной игрушкой для обогащения физических кабинетов. Все эти соображения. заставили меня окончательно отказаться от попытки построить аппарат, получающий возвратно-поступательное движение. »

Сомнения Якоби легко объяснимы: привычный паровой двигатель давал возвратно-поступательное движение, и, конечно, хотелось построить новый, электрический двигатель, дающий такое же «нормальное» движение. Современные работы в области линейных электродвигателей свидетельствуют о том, что сама идея поступательного движения в электрических машинах не является перечней, но техническую резолюцию совершили машины вращательного движения, Внешний вид первого двигателя Якоби показан т рис. 4.7. Этот электродвигатель работал по принципу взаимодействия двух комплектов электромагнитов» один из которых располагался на подвижной раме, другой — на неподвижной.

В качестве источника питания электромагнитов применялась батарея гальванических элементов. Для изменения полярности подвижных электромагнитов использовался коммутатор.

Коммутатор представлял собой оригинальную и глубоко продуманную часть устройства электродвигателя Якоби. Конструктивно он состоял из четырех. металлических колец 1-4, установленных на валу и изолированных от него (рис. 4.8); каждое кольцо имело четыре выреза по одной восьмой части окружности. Вырезы заполнялись тестирующими вкладками; каждое кольцу было смещено на 45 по отношению к предыдущему. По окружности кольца скользил рычаг 5, представляющий собой своеобразную щетку; второй конец рычага был погружен в соответствующий сосуд с ртутью, к которому подводились проводники от батареи. Таким образом, при каждом обороте кольца 4 раза разрывалась электрическая цепь. К электромагнитам вращающегося диска отходили от колец проводники, укрепленные на валу машины. Обмотки всех электромагнитов неподвижной рамы были соединены последовательно и ток в них имел одно и то же направление. Обмотки электромагнитов вращающегося диска были также соединены последовательно, но направление тока в них с помощью коммутатора изменялось 8 раз за один оборот вала. Следовательно, полярность этих электромагнитов также изменялась .8 раз за один оборот вала и электромагниты поочередно притягивались и отталкивались электромагнитами неподвижной рамы. На рис. 4.8 стрелками указаны направления токов для данного положена вала.

В описании машины, содержащемся в сообщении Парижской Академии наук, Б. С. Якоби, в частности, писал: «Полезная работа этого аппарата, измеренная прибором, аналогичным тормозу Прони, эквивалентна работе поднятия груза в 10—12 фунтов на высоту в один фут в секунду. Успешная работа этой машины обусловлена удачной конструкцией жиротропа или коммутатора, осуществляющего перемену полюсов восемь раз за один оборот, т.е. в 1/2 или 3/4 секунда (обычная скорость вращения машины). » Как видно, здесь содержатся результаты испытаний машины, подчеркивается важность новой детали — коммутатора, и приводятся цифры, позволяющие судить о характеристиках работающего двигателя. Например, пользуясь современной системой единиц, можно подсчитать мощность двигателя, составлявшую примерно 15 Вт.

Элементы новизны машины были настолько своеобразны, что Б. С. Якоби приводит сравнение ее с паровой машиной в духе, вполне созвучном той эпохе: «Механизм мотора очень несложен по сравнению с паровой машиной: нет ни цилиндра, ни поршня, ни клапанов и т.д., изготовление которых требует очень тонкой работы и стоит больших средств; нет также трения, благодаря которому теряется больше половины всей производимой работы; в этой машине потерю составляет только трение в подшипниках. Далее, машина эта дает непосредственное постоянное круговое движение. кроме того, нет опасности взрыва».

Изобретатель был увлечен идеей создания экономичного электродвигателя и не сумел избежать типичного заблуждения своего времени, заявив: «Наконец, чтобы коротко определить всю значительность новой силы, можно сказать: в электрической машине скорость не стоит денег». Но не следует строго осуждать ученого за эту фразу: закон сохранения и превращения энергии в полном его понимании еще не был известен, соответствующие работы Майера, Джоуля и Гельмшлыдэ были еще впереди (40-е годы прошлого столетия). Б. С, Якоби пришлось затратить еще несколько лет труда и проявить редкую изобретательность, чтобы осуществить хотя бы скромных масштабах свое желание «посвятить все свое время и всю свою энергию этому делу именно теперь, когда не остается больше никаких сомнений в успехе задуманного, и не только для того, чтобы не отказываться от своих прежних трудов, но и для того чтобы мое новое отечество, с которым я уже связан многими узами, не лишилось возможности сказать, что Нева раньше Темзы ли Тибра покрылась судами с магнитными двигателями». Эти слова он написал в записке министру просвещения и президенту Академии наук, прося у него материальной помощи для экспериментов. Широкой поддержки у министра Якоби не нашел, но тем не менее четыре года спустя, в 1838 г. по Неве двигался бот, вмещавший 12 пассажиров и приводимый в движение электродвигателем Якоби.

Это был уже совсем другой двигатель, и конструкция его точно отражала типичные пути изобретательской мысли: поскольку не был еще создан принципиально новый экономичный и малогабаритный электрический двигатель, то Якоби пошел по пути объединения многих машин с электромагнитами, имеющими сосредоточенные, катушечные обмотки, в один агрегат. Сначала это был так называемый сдвоенный двигатель «первого» типа. Он имел 24 неподвижных электромагнита (по 12 с каждой стороны), а между ними — вращающийся диск с 12 электромагнитам и. К 1838 г. Якоби создал двигатель нового типа, но в этой своей конструкции он уже не был первым.

В 1837 г. американский техник Т. Девенпорт также построил электродвигатель с непосредственным вращением якоря, в котором взаимодействовали подвижные электромагниты с неподвижными постоянными магнитами. Электродвигатель Девенпорта (рис. 4.9) имел четыре подвижных горизонтальных крестообразно расположенных электромагнита 1—4, укрепленных на деревянном диске, Жестко связанном с перекальным валом. Эти электромагниты были расположены внутри двух постоянныхмагнитов в форме полуокружностей 5, 6, опирающихся на деревянное кольцо. Магниты соприкасались одноименными по. люсами и создавали кольцо с двумя полюсами N и S. На особой подставке были расположены медные пластины 5, 7, разделенные посередине изоляцией. К ним подводился ток от источника питания. Концы последовательной обмотки каждой пары электромагнитов имели пружинящие контакты 9—12. Полярность электромагнитов в соответствующие моменты изменялась коммутатором.

Сравнивая конструкции электродвигателей Якоби и Девенпорта, можно отметить, что принцип их действия одинаков (у Девенпорта появились неподвижные постоянные магниты вместо электромагнитов Якоби), но двигатель Девенпорта был более компактным благодаря расположению в одной плоскости подвижных и неподвижных частей. Это обстоятельство не могло не привлечь внимания Якоби, стремившегося увеличить мощность своего электродвигателя при сравнительно небольшом увеличении его габаритов.

В 1837 г. в распоряжение Якоби был предоставлен бот, вмещающий 12 пассажиров и рассчитанный на 10 гребцов, на котором предполагалось установить электродвигатель и произвести затем соответствующие испытания и Технико-экономические подсчеты. В процессе совершенствования двигателя Якоби пошел по пути конструктивного объединения на общем вертикальном валу нескольких электродвигателей в один агрегат, расположив неподвижные и вращающиеся магниты в одной плоскости. При этом увеличивались размеры электродвигателя в вертикальном направлении, что было вполне удобно для опытной судовой установки.

Двигатель Якоби конструкции 1838 г. представлял собой комбинацию 40 небольших электродвигателей (рис. 4.10), объединенных по 20 шт. на двух вертикальных валах, установленных в деревянной станине.

Для питания током обмоток электромагнитов на «электрическом боте» были установлены гальванические элементы. Изменение направления тока в обмотках подвижных электромагнитов осуществлялось коммутаторами, аналогичными описанным выше.

Вращение с вертикальных валов с помощью конических шестерен передавалось на горизонтальный, на котором укреплялись гребные колеса, расположение по обоим бортам «электрического бота».

Отсутствие экономичного, менее громоздкого источника электроэнергии не могло не сдерживать энтузиазма современников. Тем не менее первый успех был налицо, и одна из петербургских газет писала в 1839 г.: «. катер с двенадцатью человеками, движимый электромеханической силой (в 3/4 лошади), ходил несколько часов против течения, при сильном противном ветре. Что бы ни было впоследствии, важный шаг уже сделан, и России принадлежит слава первого применения теории к практике».

Испытания показали возможность практического применения электродвигателей, но в то же время обнаружили, что при питании в током от гальванических батарей механическая энергия получается чрезмерно дорогой. Немецкий академик Вилы подсчитал в 1876 г., что одна лошадиная сила в двигателе Якоби обходилась в 12 раз дороже, чем в случае паровой машины. Необходимо отметить, что для преодоления основного недостатка гальванических батарей — малой энергоемкости — требовалось использовать очень много элементов, а это требование для многих транспортных установок было неприемлемым. Так, например, на боте Якоби вначале было установлено 320 гальваничсских элементов. Произведенные опыты, а также теоретическое исследование привели Якоби к очень важному для практики выводу: применение электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электроэнергии, то есть от создания генератора.. более экономичного, чем гальванические батареи.

Однако Якоби не мог еще обнаружить принципиального недостатка двигателей со стержневыми электромагнитами, в этих двух двигателях происходит постоянное включение и выключение катушек, и магнитное поле то создается, то исчезает. На создание поле в машине непрерывно требуется электрическая энергия, которая при отключении катушек преобразуется в тепло. Поэтому по логике развития вскоре должны были появиться непрерывные обмотки, которые обеспечивают электромеханическое преобразование энергии в установившемся режиме без изменения энергии магнитного поля.

Рассмотренные электродвигатели действовали по принципу взаимного притяжения и отталкивания магнитов или электромагнитов, вращающий момент на валу отличался непостоянством, ив связи с попеременными притяжениями и отталкиваниями стержневых якорей действие таких электродвигателей было пульсирующим. При столь резких и частых изменениях вращающего момента и при указанных выше низких технико-экономических показателях подобных электродвигателей, их применение в системе электропривода представлялось малоперспективным.

Некоторые из электродвигателей, построенные в 40—60-х годах XIX в., действовали на принципе втягивания стального сердечника в соленоид. Получавшееся при этом возвратно-поступательное движение преобразовывалось посредством балансира или шатуннo-кривошипного механизма во вращательное движение вала, снабженного для равномерности хода маховыми колесами, например, электродвигатель Бурбуза (рис. 4.11). Как видно из конструкции электродвигателя, мысль его изобретателя находилась в плену кинематических схем паровых машин, в которых возвратно-поступательное движение штока поршня преобразовывалось во вращательное движение вала посредством балансира, кривошипно-шатунного механизма и т.п.

Как например электродвигателя, обладавшего признаками, характерными для первого этапа и получившего известность, можно указать на конструкцию французского механика и оптика Поля Густава Фромана, Этот двигатель работал на принципе притяжения железных пластин электромагнитами, направление тока в обмотках которых изменялось коммутатором. В статье д. А. Лачинова «Электромеханическая работа», публикация которой началась в первом номере первого русского электротехнического журнала «Электричество» (1880 г.), приводятся следующие данные о двигателе Фромана, демонстрировавшемся на Всемирной выставке в Париже в 1867 г.: мощность — 1 л.с., масса — 47 пудов (769 кг) и КПД — 22%. Для сравнения укажем, что современный электродвигатель постоянного тока соответствующей мощности весит примерно в 13 раз меньше.

Новый, третий этап в развитии электродвигателей постоянного тока, связан с разработкой конструкций, содержащих непрерывную обмотку на якоре. Конструктивно якорь выполнялся сначала в виде кольца или полого цилиндра с обмоткой кольцевого типа, когда провод при намотке пропускался через внутреннюю полость, затем стали выполнять цилиндрические сердечники с обмоткой барабанного типа, когда провод размещался только на наружных поверхностях сердечника. В обоих случаях линии магнитного потока входили в сердечник якоря перпендикулярно поверхности цилиндра, а не в торец, как при стержневом якоре.

Первым конструкцию кольцевого якоря предложил в 1860 г. студент (впоследствии профессор) Пизанского университета Антонио Пачинотти (1841—1912 гг.).

Электродвигатель Пачинотти состоял из якоря кольцеобразной формы, вращающегося в магнитном поле электромагнитов (рис. 4.12). Якорь, имеющий форму стального кольца с зубцами (наличие зубцов уменьшало магнитное сопротивление и облегчало крепление обмотки) и латунными спицами, укреплялся на вертикальном валу. На кольце между зубцами якоря наматывались катушки, концы которых подводились к пластинам коллектора, расположенного на нижней части вала. Подвод тока к пластинам коллектора осуществлялся роликами. Обмотка электромагнитов, снабженных полюсным» наконечниками, включалась последовательно с обмоткой якоря, т.е. согласно современной терминологии, машина имела последовательное возбуждение.

Вращающий момент в электродвигателе Пачинотти был практически постоянным. Габариты двигателя были невелики по сравнению с размерами других электродвигателей равной мощности. Основное значение работы Пачинотти состоит в том, что им был Сделан следующий важный шаг на мути создания современной машины постоянного тока: явнополюсный якорь заменен неявнополюсным. К этому следует еще добавить удобную схему возбуждения й коллектор, по существу, современного типа.

А вот как сам изобретатель оценивал достоинства своей машины (опубликовано в 1863 г.): «В принятом расположении ток не перестает циркулировать в обмотках, и машина двигается не толчками, которые следуют друг за другом более или менее часто, но парой сил, которая действует непрерывно. Кольцеобразная конструкция якоря способствует. наименьшей затрате живой силы на толчки и трение. Выступающие наконечники неподвижного электромагнита, продолжая действовать на зубцы магнитного колеса и охватывая очень большое их число, не останавливают своего действия пока в них остается магнетизм. Искры увеличиваются в числе, но очень уменьшаются в интенсивности, так как отсутствуют сильные экстра-токи при открытии цепи, которая может быть всегда закрытой, и только когда машина действует, индуктивный ток продолжается в направлении, противоположном направлению тока батареи». Далее он говорит о том, что эта машина может быть превращена в генератор, если заменить электромагниты, возбуждающие папе, на постоянные магниты.

Из приведенных рассуждений изобретателя следует, что он достаточно отчетливо понимал физические процессы в электродвигателе и пришел к мысли об обратимости электрической машины, но не знал еще принципа самовозбуждения, почему и считал нужным при обращении двигателя и генератор заменить электромагниты постоянными магнитами.

В 1863 г. Пачинотти опубликовал сведении о конструкции своего электродвигателя, но на эту публикацию не было обращено достаточно внимании, к изобретение было на время забыто. Несмотря на большой интерес с принципиальной точки., зрения, двигатель не получил распространения, так как по-прежнему отсутствовал экономичный генератор электрической энергии. Идеи кольцевого якоря была возрождена примерно через 10 лет 3. Т. Граммом в конструкции электромашинного генератора.

Особо следует остановиться на открытии принципа обратимости электрических машин. Сама логика исследований Б. С. Якоби, относящихся к его электродвигателю, должна была подтолкнуть его в самом начале 30-х годов прошлого века к этому открытию. И еще не зная, вероятно, о работах своего выдающегося современника и будущего друга академика Петербургской Акатемни наук Э. X. Ленца, в мемуарах 1835 г. Якоби писал: «Будучи приведенной во вращение магнетизирующей силой гальванического тока, машина эта является одновременно аппаратом, состоящим из перемещающихся магнитов и способных производить магнитоэлектрический ток в направлении, противоположном гальваническому току». Однако право первооткрывателя важнейшего принципа электрической машины, принципа обратимости, бесспорно принадлежит Эмилию Хрнстшшанпчу Ленцу (1804—1865 гг.). В докладе Петербургской Академии наук, сделанном 29 ноября 1833 г. и опубликованном в известнейшем в то время журнале «Poggendorff’s Annalen» в 1834 г., этот принцип представляется в виде следствия из сформулированного здесь же закона, обессмертившего имя великого физика — закона Ленца. Более четко принцип обратимости был еще раз сформулирован Э. X. Ленцем в статье «О некоторых опытах из области гальванизма», где было записано: «Каждый электромагнитный опыт может быть обращен таким образом, что он приведет к соответствующему магнитоэлектрическому опыту. Для этого нужно только сообщить проводчику гальванического тока каким-либо иным способом то Движение, которое он совершает в случае электромагнитного опыта, и тогда в нем возникает ток направления, противоположного направлению тока в электромагнитном опыте».

Этапы развития ветродвигателей

Originally published at Профессионально об энергетике. Please leave any comments there.

Автор: Павел Беляков, к.т.н., доцент, профессор каф. электрической энергетики Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж); доцент каф. электромеханических систем и электрическогоснабжения Воронежского государственного технического университета


Автор приносит свои извинения специалистам в области ветроэнергетики за упрощенное изложение материала и неполное соответствие терминологии, так как статья носит скорее популярный, чем научный характер

Краткая предистория вопроса

Ветряки с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен. Наиболее древний документ, дошедший до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется не очень точно и относится к периоду 500-900 годами н.э. В документе описывается персидский механизм, применявшемся для подъема воды и помола зерна. Позже такой ветро_двигатель получил латинское название «panemone», что означает: вращается при любом направлении ветра.
Ветро двигатели с вертикальной осью использовались и в Кнр, который часто упоминается, как место их рождения. Широко распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Кнр больше 2000 лет назад, однако наиболее раннее документальное упоминание датируется 1219 г. н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветро_двигатель, очевидно, применялся для размола зерна и перекачивания воды.

Pис. 1: Первые ветро_двигатели с вертикальной осью вращения
Этапы новейшей истории развития ветродвигателей с вертикальной осью вращения отмечены патентами на конструкции, успешно используемые в настоящее время:

  • ротор Савониуса (С.Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рис. 2а);
  • ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рис. 2б);
  • ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рис. 2в);
  • ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рис. 2г);
  • геликоидная турбина Горлова (А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины В.Э.У. «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рис. 2д). и др.


Рис. 2: Этапы новейшей истории ветродвигателей с вертикальной осью вращения

Принцип действия
Преобразование энергии в современных В.Э.У. осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования ветроэнергии в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями. За рубежом при разговоре об аналогичных устройствах чаще всего пользуются термином ветро_турбина.
Ветро_Двигатель отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, габаритов активной части и режима работы. Известны два основных способа отбора мощности у движущегося воздушного потока, на которых базируется работа современных ветродвигателей.
В первом способе используется феномен подъемной силы крыла, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущемся потоке воздуха. Для простоты назовем их «ветродвигатели подъемной силы».
В основе второго способа лежит дифференциальное (неодинаковое) лобовое сопротивление твердого тела несимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления воздушного потока. Назовем их «ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления».
Существуют также многочисленные конструкции, которые сочетают в себе два вышеуказанных способа в различном процентном соотношении.
Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования ветроэнергии и быстроходность, соответственно.

Под коэффициент использования ветроэнергии понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать коэффициент использования ветроэнергии Ср и называть «Си Пи фактор». Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина Ср не может быть более 0,593. Это число получило название лимит Бетца и по определению является величиной безразмерной.
Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветро_двигатель тихоходный, если U

Этапы развития ветродвигателей

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на http://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Системы современных ветродвигателей

В настоящее время имеется много систем ветродвигателей, как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Отличаются они друг от друга не только внешним видом и устройством, но и техническими возможностями в зависимости от того, для каких целей они применяются. По устройству приемника энергии ветра и по расположению его в воздушном потоке различают несколько систем ветродвигателей.

Мы уже говорили о ветродвигателях карусельного и барабанного типа. Известен еще так называемый роторный ветродвигатель (рис. 23). Его лопасти вращаются, как у карусельного ветродвигателя, в горизонтальной плоскости и приводят в движение вертикальный вал.

Рис.23. Ветродвигатель роторного типа

Широко распространены в настоящее время крыльчатые ветродвигатели, самым древним типом которых и являются обычные ветряные мельницы. Основной частью любого крыльчатого ветродвигателя является ветровое колесо. Оно состоит из нескольких лопастей и вращается под действием ветра. При помощи пары конических шестерен, смонтированных на головке ветродвигателя (рис. 24), вращение колеса превращается в более быстрое движение вертикального вала или в возвратно-поступательное перемещение приводной штанги.

Рис.24. Схема крыльчатого ветродвигателя

Для поворота головки и ветрового колеса на ветер у ветряных мельниц имеется водило, а у современных небольших ветродвигателей — хвост с вертикальным оперением на конце. У крупных крыльчатых ветродвигателей существуют и другие более сложные механизмы для автоматического установа ветрового колеса на ветер. Чтобы скорость вращения ветроколеса не превышала предельной, имеется специальное устройство для автоматического регулирования числа оборотов.

Обычно у поверхности земли воздушный поток вследствие различных препятствий бывает неравномерным, ослабленным, поэтому ветровое колесо устанавливают на высокой мачте или башне, выше препятствий.

По устройству ветровых колес современные крыльчатые ветродвигатели делятся на быстроходные и тихоходные.

У тихоходного ветродвигателя ветровое колесо состоит из большого числа лопастей (рис. 25). Оно легко трогается с места. Благодаря этому тихоходный ветродвигатель удобен для работы с поршневым насосом и другими машинами, требующими при пуске в работу большое начальное усилие.

Рис.25. Современный многолопастный ветродвигатель TB-5 мощностью до 2,5 лошадиной силы

Тихоходные ветродвигатели в основном используются в районах, где скорость ветра в среднем не превышает 4,5 метра в одну секунду. Все механизмы многопластных ветродвигателей, как правило, несколько проще, чем у быстроходных. Однако ветровые колеса тихоходных ветродвигателей представляют собой довольно громоздкие конструкции. При больших размерах таких колес трудно создать необходимую устойчивость, особенно при высоких скоростях ветра. Поэтому в настоящее время многолопастные ветродвигатели строятся с диаметрами ветровых колес не более 8 метров. Мощность такого ветродвигателя достигает 6 лошадиных сил. Этой мощности вполне достаточно для того, чтобы подавать на поверхность воду из скважин глубиной до 200 метров.

Быстроходные ветродвигатели имеют в ветровом колесе не более четырех крыльев с обтекаемым профилем (см., например, рис. 27).

Рис.27. Ветродвигатель 1-Д-18 мощностью до 30 киловатт

Это дает возможность им хорошо выдерживать очень сильные ветры. Даже при сильном и порывистом ветре хорошо устроенные механизмы регулирования создают равномерное вращение ветровых колес быстроходных ветродвигателей.

Эти положительные особенности быстроходных ветродвигателей позволяют им работать при переменном ветре любой силы.

Поэтому быстроходные ветродвигатели могут строиться с очень большими диаметрами ветровых колес, достигающими пятидесяти и более метров и развивающими мощность несколько сот лошадиных сил.

Благодаря высокой и устойчивой равномерности у ветровых колес быстроходные ветродвигатели используются для привода самых разнообразных машин и электрических генераторов. Современные быстроходные ветродвигатели являются универсальными машинами.

Сравнение ветродвигателей различных систем удобно производить, вводя понятие о нормальной быстроходности. Эта быстроходность определяется отношением окружной скорости на внешнем конце вращающейся лопасти при скорости ветра 8 метров в секунду к скорости воздушного потока.

Лопасти карусельных, роторных и барабанных ветродвигателей при работе перемещаются вдоль воздушного потока и скорость любой их точки никогда не может быть больше скорости ветра. Поэтому нормальная быстроходность ветродвигателей этих типов будет всегда меньше единицы (так как числитель будет меньше знаменателя).

Ветровые колеса крыльчатых ветродвигателей вращаются поперек направления ветра, а поэтому скорость движения концевых частей у их крыльев достигает больших величин. Она может быть в несколько раз больше скорости воздушного потока. Чем меньше лопастей и лучше их профиль, тем меньшее сопротивление испытывает ветровое колесо. Значит, тем быстрее оно вращается. Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей имеют нормальную быстроходность, достигающую девяти единиц. Большинство ветродвигателей заводского производства имеет быстроходность, равную 5-7 единицам. Для сравнения отметим, что даже лучшие крестьянские мельницы имели быстроходность, равную всего 2-3 единицам (и в этом смысле они являются более совершенными, чем карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели).

С ростом числа лопастей у ветрового колеса увеличивается его способность трогаться с места при небольших скоростях ветра. Поэтому многолопастные крыльчатые ветродвигатели, у которых суммарная площадь лопастей составляет 60-70 процентов от ометаемой поверхности (см. рис. 20) ветрового колеса, вступают в работу при скоростях ветра 3-3,5 метра в секунду.

Рис.20. Мельница козлового типа

Быстроходные же ветродвигатели с малым числом лопастей трогаются с места при скоростях ветра от 4,5 до 6 метров в секунду. Поэтому их приходится пускать в работу или без нагрузки или при помощи специальных устройств.

Хорошее трогание с места и простота конструкции карусельных, роторных и барабанных ветродвигателей подкупают многих изобретателей и конструкторов, которые считают их идеальными ветродвигателями. В действительности, однако, эти машины имеют ряд существенных недостатков. Эти недостатки затрудняют их использование даже с такими распространенными и простыми машинами, как поршневые насосы и жерновые мукомольные установки.

Ветродвигатели с приемниками энергии ветра роторного типа очень плохо используют энергию воздушного потока, коэффициент использования энергии ветра у них в 2-2,5 раза меньше, чем у крыльчатых ветродвигателей. Поэтому при равных ометаемых лопастями поверхностях крыльчатые ветродвигатели могут развить мощность в 2- 2,5 раза большую, чем карусельные, роторные и барабанные ветросиловые установки.

Ветродвигатели роторного типа в настоящее время используются лишь в виде небольших кустарных установок мощностью до 0,5 лошадиной силы. Например, они находят применение для привода в движение различных вентиляционных устройств в помещениях для скота, кузницах и других производственных помещениях в сельском хозяйстве.

От чего зависит мощность ветродвигателя?

Мы знаем, что энергия воздушного потока непостоянна, поэтому любой ветряной двигатель имеет переменную мощность. Мощность любого ветродвигателя зависит от скорости ветра. Установлено, что при увеличении скорости ветра в два раза мощность на крыльях ветродвигателя увеличивается в 8 раз, а при росте скорости воздушного потока в 3 раза мощность ветродвигателя увеличивается в 27 раз.

Мощность ветродвигателя зависит также и от величины приемника энергии ветра. В этом случае она пропорциональна той площади, которую ометают лопасти ветрового колеса или ротора. Например, у крыльчатых ветродвигателей ометаемая лопастями поверхность будет площадью круга, который описывает конец лопасти за один полный оборот. У барабанных, карусельных и роторных ветродвигателей ометаемая лопастями поверхность представляет площадь прямоугольника с высотой, равной длине лопасти, и с шириной, равной расстоянию между наружными кромками противоположных лопастей.

Однако любое ветровое колесо или ротор превращает в полезную механическую работу лишь часть энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую лопастями поверхность. Эта часть энергии определяется коэффициентом использования энергии ветра. Величина коэффициента использования энергии ветра всегда меньше единицы. У лучших современных быстроходных ветродвигателей этот коэффициент достигает 0,42. У серийных заводских быстроходных и тихоходных ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра обычно равен 0,30-0,35; это значит, что примерно лишь одна треть энергии воздушного потока, проходящего через ветровые колеса ветродвигателей, превращается в полезную работу. Остальные две трети энергии остаются не использованными.

Советский ученый Г. X. Сабинин на основании расчетов установил, что даже у идеального ветряка коэффициент использования энергии ветра равен только 0,687.

Почему же этот коэффициент не может быть равным или даже близким к единице?

Объясняется это тем, что часть энергии ветра затрачивается на образование вихрей у лопастей и скорость ветра за ветроколесом падает.

Таким образом, фактическая величина мощности ветродвигателя зависит от коэффициента использования энергии ветра. Мощность ветродвигателя пропорциональна его значению. Это значит, что с увеличением коэффициента использования энергии ветра увеличивается мощность ветродвигателя, и наоборот.

Барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели с простейшими лопастями имеют очень низкие коэффициенты использования энергии ветра. Их значения колеблются в широких пределах от 0,06 до 0,18. У крыльчатых же двигателей этот коэффициент находится в пределах от 0,30 до 0,42.

Кроме этого, полезная мощность любого ветродвигателя пропорциональна еще коэффициенту полезного действия механизма передачи, а также плотности воздуха. Обычно коэффициент полезного действия механизмов современных ветродвигателей равен от 0,8 до 0,9.

Из сказанного о мощности ветродвигателя следует, что при данном ветре тот ветродвигатель будет иметь более высокую мощность, у которого через поверхность, ометаемую крыльями, протекает наибольшее количество воздушного потока, а лопасти ветроколеса имеют хорошо обтекаемый профиль.

Этапы развития ветродвигателей

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения. В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них — высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух — четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

Ротор савониуса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра — всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра — диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Летающий ветрогенератор

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Beluga SkySails

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) — механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре — снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления — почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом — противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт — ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный — около 52 %. Мощность промышленного аппарата — 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора — от 30 до 50 Дб).

Windtronics

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Optiwind 300

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость — 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость — 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея — сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

GEDAYC

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Honeywell

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Maglev Turbine

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект — ветрогенератор Mobile Wind Turbine — разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) [10]. Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ

Каждый электрик должен знать:  Самоход электрического счетчика причины, способы устранения
Добавить комментарий
Название: Ветрогенераторы
Раздел: Рефераты по физике
Тип: реферат Добавлен 23:13:52 13 февраля 2010 Похожие работы
Просмотров: 6593 Комментариев: 15 Оценило: 9 человек Средний балл: 4.3 Оценка: 4 Скачать