Часть 1
Порохня А. В., г. Краснодар
Отрасль ветроэнергетики находится в состоянии интенсивного развития. Но использование энергии ветра сопряжено с определенными трудностями, связанными, в частности, со слабым и непостоянным напором ветра. Рассматриваемая далее конструкция позволяет повысить эффективность работы ветрогенератора.
На сегодняшний день создано множество разновидностей ветрогенераторов. Предлагаемая конструкция содержит ряд усовершенствований и обладает более высокими характеристиками в условиях использования при слабом и непостоянном ветре.
Все существующее множество ветрогенераторов можно условно разделить на два типа. Первый использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения), второй – силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения). Предлагаемая конструкция совмещает в себе черты обоих типов. Рассмотрим ее подробнее.
На Рисунках 1 и 2 показана схема ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Ветрогенератор необходимо строго ориентировать по ветру. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в сторону, противоположную направлению вращения ветряка, таким образом, что за время поворота ветряка на 360 градусов лопасть поворачивается на 180 градусов. При соблюдении такого соотношения угловых скоростей, мы получим, что во время движения по направлению ветра лопасть перпендикулярна потоку движения ветра (1). В момент обратного хода, когда лопасть движется против ветра, она повернута к потоку ребром и имеет наименьшее лобовое сопротивление (3). В промежуточном положении лопасть расположена под углом к направлению ветра, и на нее действует подъемная сила, вектор которой совпадает с вектором вращения ветрогенератора (2, 4). Считаем, что ветряк крутится со скоростью движения ветра.
 |
 |
|||||
| Рисунок 1. | Ветрогенератор с вертикальной осью вращения. |
Рисунок 2. | Вид сверху на ветрогенератор с вертикальной осью вращения. |
|||
Лопасть в положении 1 (Рисунок 3) расположена перпендикулярно потоку ветра и движется со скоростью ветра. Она не выполняет никакой работы, ее КПД равен нулю. В положении 2-3 лопасть, двигаясь по направлению движения ветра, начинает смещаться перпендикулярно потоку ветра, и, в соответствии со скоростью вращения ветряка и скоростью ветра, набегающий поток, обтекая ее, создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. Силы изображены стрелками, длина которых условно пропорциональна подъемной силе ветра. В положении 4 лопасть незначительно смещается по направлению ветра. Основное ее движение перпендикулярно потоку, набегающий поток создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. В положении 5 лопасть движется перпендикулярно потоку, так же, как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на них. В положениях 6-7-8 лопасть движется не только перпендикулярно потоку, но и начинает движение навстречу ему. Поэтому подъемная сила ветра растет, но ее вектор теперь постепенно отклоняется в сторону от направления вращения ветряка. В положении 9 лопасть повернута к потоку ветра ребром и движется навстречу ему с такой же скоростью. Поэтому подъемная сила вдвое больше, но направлена перпендикулярно направлению движения ветряка. Перейдя через условный ноль, подъемная сила меняет свое направление на противоположное, сохраняя величину. В положениях 10-11-12 лопасть постепенно замедляет движение навстречу потоку и увеличивает движение перпендикулярно ему. Поэтому вектор подъемной силы уменьшается, но зато направление вектора постепенно выравнивается и начинает совпадать с направлением вращения ветряка. Необходимо отметить, что положение лопасти остается оптимальным для набегающего потока, который обтекает ее, и срыва потока не происходит. В положении 13 лопасть движется перпендикулярно потоку, так же, как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на классический ветряк. В положениях 14-15-16 лопасть постепенно замедляет свое движение перпендикулярно потоку ветра и ускоряет движение по направлению ветра. Подъемная сила ветра постепенно уменьшается. Вектор подъемной силы теперь совпадает с направлением вращения ветряка. Поскольку скорость вращения ветряка равна или близка скорости движения ветра, мы не можем получить никакой пользы от силы напора потока. Но в статическом положении, когда ветряк остановлен, возможность конструкции использовать силу напора потока является огромным плюсом. Это дает конструкции высокий стартовый порог при малой скорости ветра, позволяя раскрутить конструкцию до момента, пока лопасти сориентируются относительно набегающего потока и зацепятся за подъемную силу ветра.
 |
|
| Рисунок 3. | Стрелками показано направление возникающей подъемной силы ветра; длина стрелок условно иллюстрирует величину подъемной силы. |
Сравним только что описанную конструкцию с чашечным анемометром, изображенным на Рисунке 4. Воздушный поток давит на левую и правую сторону анемометра одинаково, но за счет того, что с одной стороны чашка повернута к потоку выпуклой стороной, а с другой вогнутой, создается разница в давлении на левую и правую стороны. Устройство поворачивается. Эта разница составляет 5…10%. В авторской конструкции (Рисунок 3) лопасть в положении 1 повернута плоскостью к потоку, а в положении 9 – ребром. При таком расположении лопастей разница давлений на левую и правую половину будет гораздо больше, чем у чашечного анемометра. Отсюда вывод: стартовый порог конструкции, показанной на Рисунке 3, выше стартового порога традиционных ветряков с вертикальной осью вращения, ну и, конечно, с горизонтальной тоже.
 |
|
| Рисунок 4. | Чашечный анемометр. |
У конструкции есть недостатки. В частности, по фронту и тылу ветряк использует подъемную силу ветра наиболее полно, но по флангам подъемная сила ветра или стремится к нулю, или ее вектор отклоняется от направления вращения ветряка.
Посмотрим теперь на классический ветряк с горизонтальной осью вращения (Рисунок 5). Условно разделим ометаемую поверхность на три области А, Б и В. В области А лопасть движется быстрее скорости ветра, выполняет небольшую работу и создает неприятный низкочастотный шум. В области Б лопасть движется со скоростью ветра и производит максимальную работу. В области В лопасть движется гораздо медленнее скорости ветра, вследствие чего производит меньше работы. В силу особенности конструкции лопасти в основании имеют большой размер и вес, что приводит к излишней парусности и инерционности ветряка. Из рассмотренного выше видно, что лопасть ветряка с горизонтальной осью вращения работает фрагментарно. В конструкции автора лопасти работают всей своей поверхностью, и если вспомнить теорию, гораздо ближе к идеалу. Идеальный ветряк имеет бесконечно длинные и бесконечно тонкие лопасти.
 |
|
| Рисунок 5. | Условное изображение фрагментирования энергоотдачи лопасти при работе. |
Рассмотрим устройство нашей конструкции подробнее. На первый взгляд, кажется, что она довольно сложна, требует строгой ориентации по направлению ветра и соблюдения угловых скоростей вращения лопастей. Но это не так.
 |
|
| Рисунок 6. | Условная схема одного плеча ветрогенератора. |
На Рисунке 6 изображена схема одного плеча варианта реализации конструкции ветрогенератора с заданными параметрами. Цифрами на схеме обозначены:
- Лопасть ветрогенератора.
- Зубчатый ремень (подобный ремню ГРМ) для передачи вращения от редуктора к лопасти.
- Элемент ориентации по ветру (флюгер, хвостовое оперение).
- Редуктор.
- Шестерня ориентации ветрогенератора по ветру.
- Основание ветрогенератора.
- Мачта ветрогенератора.
Ветрогенератор закреплен на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Необходимое соотношение скоростей и направлений вращения ветрогенератора и лопастей достигается с помощью редуктора 4 и передается на лопасть 1 с помощью ремня 2. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению ветрогенератора (ветрогенератор вращается по часовой стрелке, лопасти – против) таким образом, что за время поворота ветрогенератора на 360° лопасть поворачивается на 180°. Ориентация ветрогенератора относительно ветра определяется положением лопастей, которое, в свою очередь, зависит от шестерни 5 ориентации ветрогенератора. Положение шестерни 5 определяется флюгером 3 (хвостовое оперение), который жестко закреплен на шестерне 5 и поворачивает ее вокруг оси в зависимости от направления ветра. Таким образом, мы видим, что для организации нужного вращения лопастей достаточно несложного механизма, состоящего из редуктора 4 и ремня 2. Эти детали достаточно просты и не могут существенно увеличить стоимость ветрогенератора. Для ориентации ветрогенератора нет необходимости поворачивать всю конструкцию, как это делается в случае ветряка с горизонтальной осью вращения; достаточно повернуть шестерню 5, с чем легко справится флюгер 3 без дополнительных затрат энергии.
При небольших размерах ветрогенератора и малом количестве лопастей флюгер без затруднений ориентирует генератор по направлению ветра, однако при увеличении размеров ветряка и количества лопастей на шестерню 5 будет действовать значительный крутящий момент, который будет поворачивать шестерню по ходу вращения ветрогенератора. Флюгер будет противодействовать этой силе и возвращать шестерню в исходное состояние, оптимальное для правильной ориентации. В результате взаимодействия этих противоположно направленных сил возникнут колебания шестерни, которые будет передаваться через редуктор 4 и ремень 2 на лопасть 1, что приведет к ненужной вибрации. Для того чтобы исключить возможность возникновения вибрации, конструкцию флюгера необходимо изменить.
На Рисунке 7 изображена схема ветрогенератора, у которого система ориентирования по ветру состоит из вращающейся крыльчатки 9, поворотного кожуха 10 и понижающего редуктора 11, передающего крутящий момент на шестерню 5. Рассмотрим принцип действия этой системы ориентирования.
 |
|
| Рисунок 7. | Условное изображение конструкции ветрогенератора, у которого флюгерная система ориентирования по ветру заменена на редукторную. |
На Рисунке 8а схематично изображены крыльчатка и экран, заслоняющий крыльчатку от ветра. В таком положении крыльчатка находится в покое. Когда направление ветра меняется (Рисунок 8б), экран уже не закрывает крыльчатку полностью, и поток ветра давит на незакрытые экраном лопасти, приводя их в движение. Крыльчатка 9 вращается, передавая это вращение через понижающий редуктор 11 шестерне 5, на которой закреплен экран 10. Экран вращается в ту же сторону, что и крыльчатка, но с заданным редуктором замедлением, и закрывает крыльчатку от потока ветра, вследствие чего крыльчатка останавливается. Когда направление ветра меняется на противоположное (Рисунок 8в), все происходит точно так же, только крыльчатка крутится в другую сторону, и экран вращается в одном направлении с крыльчаткой, закрывая ее. Размер экрана влияет на чувствительность конструкции. Если он составляет четверть длины окружности, конструкция становится более чувствительной к смене направления ветра.
|
|||||||
| Рисунок 8. | Принцип действия редукторной системы ориентирования. | ||||||
Применение редуктора дает нам возможность более четко фиксировать положение шестерни 5, исключая возможность возникновения колебаний и вибраций. С другой стороны, меньшее противодействие повороту крыльчатки делает конструкцию более чувствительной к изменению направления ветра. Чем больше понижающий коэффициент редуктора, тем большее поворотное усилие удерживает шестерня 5, и выше чувствительность конструкции к изменению направления ветра. Но большой понижающий коэффициент увеличивает время реакции, что нежелательно в условиях частой смены направления ветра.
Компромисс между жесткостью положения шестерни 5, размерами крыльчатки 9 и экрана 10, чувствительностью конструкции к изменению направления ветра и временем отработки поворота необходимо определять экспериментально с учетом особенностей эксплуатации в конкретных условиях.
