В статье описываются отличительные особенности вертикально-осевых и горизонтально- пропеллерных ветроэнергетических установок. Приведены конструктивные особенности, достоинства и недостатки установок, их энергетические характеристики, сравнительный уровень аэродинамических шумов и эффективность полезного использования энергии ветра.
Преобразование энергии в современных ветроэнергетических установках (ВЭУ) осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями.
В зарубежных изданиях аналогичные устройства чаще всего называют ветротурбинами. Ветродвигатель отбирает у движущейся воздушной массы только часть ее кинетической энергии. Величина этой части зависит от принципа действия, габаритов активной части и режима работы установки. 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 энергии ветра и быстроходность, соответственно. Под коэффициент использования энергии ветра 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 энергии ветра СР и называть «Си Пи фактором». 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 ветродвигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если U > 4.
Вертикально-осевые и горизонтально-пропеллерные ВЭУ - принципиально разные устройства, многие технические решения которых не повторяются. Поэтому кроме нечувствительности вертикально- осевых ВЭУ к направлению ветра, как явно положительного качества, существует целый ряд других принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые являются не менее важными. Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки отличительных особенностей вертикально-осевой и горизонтально-пропеллерной ВЭУ. При этом рассматриваются горизонтально-пропеллерный ветроагрегат в традиционном исполнении и вертикально-осевая ветроустановка с Н-ротором Дарье.
Ориентация на ветер. Наибольшая эффективность горизонтально-пропеллерных ВЭУ достигается только при условии обеспечения постоянного совпадения направления оси ветроколеса с направлением ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержание в таком положении. Наличие в конструкции ВЭУ системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроагрегат и снижает его надежность. По данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ до 13% отказов приходится на системы ориентации. Кроме этого, при постоянных изменениях направления ветра практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для установок мегаваттного класса с диаметром ветроколеса более 30 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по диаметру размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса в оптимальное направление ориентации. Из-за этого, вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока, снижается выработка электроэнергии и экономическая эффективность ветроагрегата.
Конструктивные недостатки. К конструктивным недостаткам системы горизонтально- пропеллерных ветроагрегатов относится необходимость разрыва жесткой связи между гондолой с ветроколесом и опорной башней, что обуславливает появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции и в конечном счете снижает надежность и увеличивает эксплуатационные затраты. Место разрыва жесткой связи между гондолой и башней также требуют внимания в части передачи электроэнергии с вращающегося вместе с гондолой генератора к выходам на потребителя, находящимся на земле.
Чтобы избежать скручивания силовых шин либо ограничивают угол поворота гондолы с последующей ее раскруткой, либо применяют токосъемник. И в том и в другом случае в конструкцию вводятся дополнительные усложнения, снижающие ее надежность. Таким образом, эффективность работы горизонтально-пропеллерного ветроагрегата снижается за счет запаздывания системы ориентации гондолы с ветроколесом при изменении направления ветрового потока и постоянного несовпадения оси вращения ветроколеса с направлением скорости ветра. Во-вторых, системы поворота гондолы для ориентации на ветер и поворота лопастей требуют соответствующих приводов, т.е. при работе горизонтально-пропеллерные ветроагрегаты на собственные нужды постоянно потребляют определенное количество энергии, что в конечном итоге уменьшает годовую выдачу ВЭУ электроэнергии.
Эффективность работы вертикально-осевых ветроустановок принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость во всех системах и механизмах ориентации на ветер. Жесткое крепление опорного узла ротора на башне вертикально-осевой ветроустановки исключает возникновение автоколебаний и упрощает динамику конструкции.
Коэффициент использования энергии ветра. Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеальных горизонтально-пропеллерного и вертикально-осевого роторов составляет 0,539. Это объясняется тем, что роторы обоих типов используют эффект возникновения подъемной силы при обтекании ветровым потоком профилированного крыла. Достигнутые к настоящему времени фактические коэффициенты использования энергии ветра у горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов и вертикально-осевых ветроустановок также одинаковы и лежат в пределах 0,4-0,45.
Поворот лопастей. Поворот лопастей горизонтально-пропеллерного ветроагрегата применяется как средство удержания ветроколеса на постоянной рабочей скорости вращения при постоянно изменяющейся скорости ветра и как средство торможения ветроколеса при превышении ветром предельно допустимой скорости. Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, т.к. при этом необходимы и система непрерывного слежения за числом оборотов и поворотные устройства с гидроприводами для каждой лопасти и система автоматического управления углами поворота лопастей. Поворот лопастей вертикально-осевой ветроустановки был бы весьма эффективен не только для торможения ротора, но и для поддержания оптимального угла атаки во всех положениях лопасти на окружности вращения. Вертикально-осевые ветроустановки с таким регулированием положения лопасти в настоящее время применения не нашли по следующим соображениям: во-первых, лопасть за один оборот должна произвести несколько качаний, сориентированных на направление ветра; во-вторых, системы и устройства для поворота лопастей представляют значительную сложность и снизят надежность ВЭУ; в-третьих, ВЭУ станет зависимой от направления ветра.
Однако главным аргументом в пользу отказа от поворота лопастей остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевых ветроустановок находится на уровне горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов.
Конструкция и эффективность лопасти. Все сечения лопасти горизонтально-пропеллерного ветроагрегата находятся в разных энергетических состояниях из-за разницы их окружных скоростей и углов атаки. Для уменьшения влияния этого явления на эффективность съема лопастью энергии ветра применяют крутку профиля и сужение концевой части лопасти. Эти меры сглаживают существенные различия в энергетике отдельных сечений пропеллерных лопастей и повышают их эффективность, однако полностью не устраняют указанные недостатки пропеллерного ветроколеса. При этом крутка лопасти и ее сужение к концевой части усложняют форму лопасти и ее конструктивную схему, что приводит к усложнению технологии ее изготовления.
Вертикальная лопасть Н-ротора Дарье конструктивно выполнена более простой - прямоугольной и симметричной относительно хордовой плоскости. Все сечения лопасти имеют одинаковую быстроходность, и, следовательно, одинаковую эффективность. У вертикально-осевых ВЭУ значение снимаемой энергии незначительно изменяется по длине лопасти, причем это изменение зависит, только от разницы скорости ветра по высоте. Потери Н-ротора Дарье связаны с неоптимальными углами атаки в разных положениях лопасти по окружности вращения и падении вращающего момента в положениях, когда лопасть движется вдоль ветрового потока. Таким образом при более простой конструкции лопасти Н-ротора Дарье эффективность съема энергии ветра лопастями ветроустановок обоих типов находится на одном уровне.
Быстроходность. Среди горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов наибольшее распространение получили установки с быстроходностью 5-7 (отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра) и числом лопастей 2 или 3. Они обеспечивают самый высокий коэффициент использования энергии ветра, т.е. наиболее эффективны. При этом, у горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов с ветроколесами больших диаметров возрастает влияние некомпланарности скорости ветра по высоте, воздействие гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки на конструкцию ветроагрегата и кориолисовой силы при повороте гондолы с вращающимся ветроколесом. Эти влияния и воздействия тем значительнее, чем выше быстроходность ветроколеса, которая требует повышенного внимания к динамической устойчивости работы всех вращающихся элементов, повышенные требования к прочности конструкции и точности ее изготовления, к качеству сборки и балансировке вращающихся деталей и узлов. С этой точки зрения трудно переоценить вертикально- осевую схему, принципиально обеспечивающую ветроустановке тихоходную работу. Оптимальная быстроходность 2-х лопастного Н-ротора Дарье не превышает значения - 3, а у трехлопастного ротора она еще ниже.
Энергетические характеристики. Необходимо учесть, что все энергетические характеристики Н-ротора Дарье остаются на уровне этих характеристик горизонтально-пропеллерного ветроколеса. Но, при этом, снижение быстроходности в 2 - 3 раза упрощает требования к опорно-трансмиссионным узлам и улучшает условия их эксплуатации благодаря снижению уровня динамичности ротора.
Уровень аэродинамических шумов. Работающие ВЭУ являются источниками аэродинамических шумов, образующихся при движении лопастей в воздушном потоке, и механических шумов от работающих механизмов (например, генератор, мультипликатор, опорные узлы). Уровень аэродинамических шумов Н-ротора Дарье значительно ниже, чем у аналогичного по размеру горизонтально-пропеллерного ветроколеса из-за более низкой линейной скорости движения лопастей. У горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов главный вектор распространения инфрашумов направлен в плоскости ветроколеса по всем направлениям, а у вертикально-осевых ветроустановок вверх и вниз по оси вращения ветротурбины. Следовательно, зона распространения инфрашумов у горизонтально- пропеллерного ветроагрегата значительно больше, чем у вертикально-осевых ВЭУ. Основные источники механических шумов горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов (генератор и мультипликатор) расположены в гондоле на высоте опорной башни, в связи с чем радиус их затухания гораздо больше, чем у вертикально-осевых ВЭУ, у которых это оборудование размещено в машинной станции на земле. Линейная скорость вращения лопастей вертикально-осевых ВЭУ значительно ниже, чем у горизонтально-пропеллерных, в связи с чем радиус разлета наледи с лопастей и обломков лопастей при их разрушении у Н-ротора значительно меньше, чем у горизонтально-пропеллерного ветроколеса.
Уровень опасности для птиц. По заключению орнитологов, тихоходный Н-ротор Дарье, имеющий поверхность вращения лопастей в виде вертикально-расположенного цилиндра, хорошо заметен и по дуге легко огибается птицами, которые имеют хорошую маневренность в горизонтальной плоскости. Быстро вращающееся горизонтально-пропеллерное ветроколесо более опасно для птиц, т.к. менее заметная и расположенная перпендикулярно направлению полета плоскость вращения лопастей представляет для птиц непреодолимую преград.
Из сравнения видно, что горизонтально-пропеллерные ветроагрегаты уступают вертикально-осевым по следующим характеристикам:
- необходимость ориентации ветроколеса на ветер снижает эффективность ветроагрегата за счет запаздывания поворотов гондолы за постоянно меняющим направление ветром и неколленииарности оси ветроколеса и направления скорости ветра, усложняет конструкцию и снижает надежность ветроагрегата за счет введения специальных систем и механизмов;
- работа ветроагрегата с постоянной скоростью вращения ветроколеса обеспечивает максимальный съем энергии лишь в узком диапазоне рабочих скоростей ветра, что снижает эффективность ветроагрегата;
- размещение генератора и мультипликатора в гондоле на верхнем торце опорной башни усложняет требования к их габаритным и массовым характеристикам, также усложняет условия эксплуатации конструкций за счет возникновения дополнительных вибраций, толчков и, соответственно, повышения уровня нагружения опорной башни, мультипликатора, генератора, ухудшает условия монтажа и эксплуатации оборудования из-за его расположения на высоте опорной башни, усложняет передачу вырабатываемой электроэнергии из вращающейся гондолы на неподвижную опорную башню;
- применение механизма поворота лопастей для регулирования скорости вращения ветроколеса усложняет конструкцию, а применяемые в автономных ветроагрегатах инерционные регуляторы отличаются неточностью регулирования;
- уменьшение хорды и крутку сечений к концевой части лопасти применяют для выравнивания аэродинамической отдачи всех ее сечений, что повышает энергетику лопасти, но и приводит к усложнению конструкцию и технологии ее изготовления;
- повышенная быстроходность ветроколеса повышает требования к его динамической устойчивости, балансировке, прочности и надежности;
- повышенная быстроходность ветроколеса приводит к повышенному воздействию на окружающую среду за счет высокого уровня аэродинамических и механических шумов, большого радиуса разлета наледи и осколков лопасти в случае ее разрушения. Кроме этого вращающееся ветроколесо создает на пути птиц непреодолимую преграду.
Достоинством горизонтально-пропеллерных ВЭУ являются более рациональные силовая схема ветроколеса и динамика опорной башни:
- рациональность силовой схемы ветроколеса за счет крепления лопастей к ступице, расположенной непосредственно на оси вращения, что не требует дополнительных узлов крепления лопасти и создает оптимальное ее нагружение;
- оптимальная материалоемкость опорной башни за счет распределения частоты резонанса ее собственных колебаний ниже возмущающих рабочих частот ветроколеса.
Такие характеристики, как самозапуск ротора и коэффициент использования энергии ветра, для обеих рассматриваемых ВЭУ находятся на одном уровне.
При проведении сравнительного анализа учитывалось, что мировая ветроэнергетика имеет значительный опыт разработки, изготовления, строительства и эксплуатации горизонально- пропеллерных ВЭУ.
Таким образом, проведенный анализ показал, что благодаря таким принципиальным особенностям, как отсутствие необходимости ориентации на ветер, работа с переменной скоростью вращения, нижнее расположение генератора и мультипликатора, самозапуск ротора при любом направлении ветра, отсутствие поворота лопастей, постоянство сечения лопастей по длине, тихоходность, минимальное воздействие на окружающую среду, автономные вертикально-осевые ветроэнергетические установки с Н-ротором Дарье выгодно отличаются от традиционных горизонтально-осевых ВЭУ по таким характеристикам, как эффективность, простота конструкции, надежность, экологическая чистота, удобство технического обслуживания и ремонта.