Рассмотрим конструкцию редуктора подробно. На Рисунке 9 изображены: крыльчатка 9, редуктор в разрезе 11 и шестерня ориентации ветрогенератора по ветру 5. Крыльчатка 9 жестко закреплена на корпусе редуктора 11 и составляет с ним единое целое. Вся конструкция крепится на мачту 7 с помощью подшипника и свободно вращается вокруг нее. Шестерня А жестко закреплена на мачте и вращаться относительно нее не может. Четыре шестерни Б крепятся к осям В через подшипники и свободно вращаются на этих осях. Оси В жестко закреплены в шестерне 5. Шестерня 5 крепится к мачте 7 через подшипник и свободно вращается вокруг мачты.
 |
|
| Рисунок 9. | Редуктор системы ориентирования. |
Вращающаяся крыльчатка передает крутящий момент на корпус редуктора 11, который, в свою очередь, вращает шестерни Б. Шестерни движутся вокруг шестерни А и передают движение через оси В шестерне 5, определяющей положение лопастей ветрогенератора относительно ветра. Для увеличения понижающего коэффициента редуктора можно использовать несколько сегментов, как показано на Рисунке 10.
 |
|
| Рисунок 10. | Двухуровневый планетарный редуктор системы ориентирования. |
Для описываемой конструкции ветрогенератора можно применить электронную систему ориентирования по веру. Для этого необходимо убрать экран и крыльчатку. На место крыльчатки устанавливается электродвигатель, который управляется электронной схемой ориентирования. Лопасти могут вращаться сельсинами, что даст возможность избавиться от ременной передачи, хотя, конечно, увеличит стоимость. Такая схема ориентирования дает возможность дистанционно управлять положением лопастей, а при необходимости отворачивать ветрогенератор от ветра, тем самым, останавливая его для обслуживания, подключения и отключения оборудования и т. д.
По сравнению с ветрогенераторами с горизонтальной осью вращения, где ведомое оборудование находится высоко над землей, данная конструкция имеет неоспоримое преимущество. Конструкция ветрогенератора позволяет легко передавать крутящий момент вниз к основанию мачты с помощью вала 12 (Рисунок 7). Это весьма существенно, когда ведомое оборудование имеет большой вес и габариты и не может быть поднято высоко над землей.
Ветряк использует подъемную силу ветра как движущую силу, но реализует это посредством движения лопастей по иной траектории, отличающейся от классического ветрогенератора с горизонтальной осью вращения. Воспользоваться силой напора потока конструкция может в момент старта, что дает ей высокий стартовый порог. Конструкция не будет вращаться быстрее скорости ветра, и лопасти, расположенные перпендикулярно потоку, не будут препятствовать вращению. Рассмотрим подробнее, как работает ветряк.
Если устройство вращается со скоростью ветра, его лопасти расположены строго параллельно набегающему потоку, поток обтекает лопасти равномерно с обеих сторон, и подъемная сила не возникает. Если вращение ветряка отстает от скорости ветра, то набегающий поток давит на лопасти с положительным углом атаки и создает подъемную силу. Ветряк будет стремиться достигнуть скорости ветра, но по мере приближения скорости вращения ветряка к скорости ветра будет уменьшаться угол атаки набегающего потока, а, следовательно, и подъемная сила. Если мы будем нагружать ветряк, пытаясь затормозить его, угол атаки будет расти, и, соответственно, будет расти подъемная сила ветра. Скорость вращения ветряка падать не будет, но крутящий момент многократно вырастет. Ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Для подобного саморегулирования классический ветрогенератор с горизонтальной осью вращения должен был бы уметь менять угол поворота и заклинения лопасти в зависимости от скорости ветра в каждый момент времени. Сделать такие лопасти очень трудно.
По сравнению с простым горизонтальным ветряком конструкция, конечно, сложнее. Но это усложнение необходимо для того, чтобы адаптировать устройство к нашим условиям эксплуатации. Автор живет в Краснодаре, где среднегодовая ветровая нагрузка составляет 6 м/с при больших перепадах скоростей и направлений. И так почти на всей территории России. В подобных условиях классический ветряк с горизонтальной осью вращения работать эффективно не будет. Необходимо усложнять конструкцию, что бы придать ей новые качества. Бесшумность (для возможности размещения рядом с местом проживания), простота ориентирования по ветру, высокий стартовый порог, большой крутящий момент, устойчивость к ураганным порывам ветра и уверенная работа на малых ветрах другим установкам недоступны.
Основное преимущество предложенной конструкции перед классической заключаются в том, что она самостоятельно регулирует угол атаки в зависимости от скорости ветра и снимаемой нагрузки. Четкое позиционирование лопасти относительно набегающего потока дает большое преимущество. У классического горизонтального ветрогенератора нестабильный, плавающий коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Что это такое, рассмотрим на примере. У плохого винта, сделанного из труб, КИЭВ = 0.3, у идеального – КИЭВ = 0.5, поскольку у плохого винта нет углов заклинения, а угол атаки сформирован обводами трубы и только примерно совпадает с нужными углами. Но это не самое главное. Допустим, идеальный винт с КИЭВ = 0.5, оптимизированный под скорость ветра 10 м/с, будет работать при скорости 3 м/с. Ни углы атаки, ни углы заклинения уже не будут соответствовать необходимым параметрам, и КИЭВ будет равен 0.3 – как у плохого винта. То есть, КИЭВ винта меняется в зависимости от того, соответствуют ли параметры винта скорости ветра, или нет. Чтобы избавится от этого недостатка, делают винты с регулируемым шагом, но это не решает задачу в полной мере. Теперь угол атаки регулируется в зависимости от скорости ветра, и КИЭВ становится постоянным, что намного повышает характеристики винта. Однако, делая лопасти поворотными, мы вынуждены отказаться от углов заклинения, а это ухудшает аэродинамические свойства винта. Практически на всей территории России резко выраженный континентальный климат, а это означает возможность перепадов скорости ветра от нуля до ураганных порывов. При частой смене скорости и направления ветра решающими характеристиками конструкции становятся способность четко ориентировать лопасти относительно набегающего потока и легкость ориентирования ветряка по направлению ветра. Предложенная конструкция обладает этими качествами.
Ветрогенератор надо рассматривать как совокупность винта и полезной нагрузки, которую тянет винт. И согласование винта с нагрузкой является очень важным моментом. Рассмотрим классический ветряк с горизонтальной осью вращения. При отборе мощности скорость вращения начинает падать, но мощность растет до определенной величины. Если продолжать увеличение отбора, мощность и обороты будут падать. Задача контроллера, регулирующего отбор мощности, заключается в постоянном поддержании максимальных значений, в постоянном балансировании на пике. Если винт имеет поворотные лопасти, то, в зависимости от скорости вращения, лопасти меняют угол атаки, чтобы повысить эффективность работы ветрогенератора. Все эти регулировки достаточно грубы, поскольку, почему упали обороты, мы точно не знаем: изменилась ли скорость ветра, перегрузили ветряк отбором мощности или повлияли какие то другие причины. Кроме того, не надо забывать, что углы заклинения лопасти рассчитываются под конкретную скорость ветра, и винт может выдать максимум только в случае, когда ветер соответствует параметрам винта. А, делая лопасти поворотными, мы вообще вынуждены отказаться от углов заклинения, что сильно ухудшает аэродинамику винта. Теоретический КИЭВ идеального винта с горизонтальной осью вращения, по расчетам Н. Е. Жуковского, равен 0.593, а согласно теории Г. Х. Сабинина – 0.683. При этом реальный винт, имеющий КИЭВ = 0.4, считается отличным результатом. Грубо говоря, практически достижимый КИЭВ – это две трети от теоретического. И дело не в том, что теория плоха, просто невозможно сделать лопасть, которая будет менять углы атаки и заклинения в зависимости от скорости ветра. Непонятно также, как регулировать угол атаки лопасти в зависимости от снимаемой мощности. (Неизвестна причина падения мощности, невозможно определить, следует ли увеличвать угол атаки, или просто изменилась скорость потока). Поэтому все горизонтальные винты работают с усредненными параметрами, углы заклинения рассчитываются по средней скорости ветра, углы атаки лопасти выставляются в зависимости от скорости вращения без учета снимаемой нагрузки, и т.п.
С конструкцией, о которой рассказывает автор, все по другому, ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Если мы перегрузим ветряк, угол атаки станет слишком большим, произойдет срыв потока с лопасти, и обороты ветряка упадут ниже скорости ветра. Это четкая граница, определяющая, что мы можем нагружать ветряк до тех пор, пока скорость его вращения равна скорости ветра. Ветряк сам регулирует угол поворота лопастей в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности и выдает максимум, пока его скорость вращения равна скорости ветра.
Скорость описываемого здесь ветряка никогда не превысит скорость ветра, в отличие от ветряков с горизонтальной осью вращения, однако крутящий момент, который он способен выдать, многократно превышает крутящий момент ветряка с горизонтальной осью вращения. А вращение со скоростью ветра дает свои преимущества. Так, при диаметре ветряка 2 м длина его окружности составит 6.28 м. То есть, при скорости ветра 6 м/с ветряк будет совершать примерно один оборот в секунду. А при ураганном ветре 25 м/с – всего 4 оборота в секунду. Это небольшая скорость, и никаких запредельных перегрузок конструкция испытывать не будет, хотя при таком ветре уже улетает с крыш шифер. Не следует проводить сравнение с ветряками, использующими силу напора потока как движущую силу, так как они выполняют максимальную работу, когда их лопасти движутся в три раза медленнее скорости ветра, в то время как в устройстве автора – при движении лопасти со скоростью ветра. Следовательно, предложенная конструкция эффективнее в три раза.
В развитии ветроэнергетики можно условно выделить два направления. Первый – строительство ветропарков в местах с высокой ветровой нагрузкой и дальнейшая транспортировка электроэнергии потребителю. Второй – установка ветрогенераторов непосредственно на месте потребления электроэнергии. Первый выгоден, если находится недалеко от потребителя. Второй развит плохо, так как на рынке нет устройств, способных эффективно использовать нестабильные порывистые потоки ветра. Особенности конструкции автора ориентированы на решение именно этой задачи. Бесшумность (для возможности размещения рядом с местом проживания), простота ориентирования по ветру, высокий стартовый порог, большой крутящий момент при скорости движения лопастей со скоростью ветра, устойчивость к ураганным порывам ветра и способность уверенно работать при малых скоростях ветра.
Обоснование возможного прироста мощности
Если сравнить теоретические исследования и практические достижения ветряков, использующих подъемную силу ветра как движущую силу (горизонтальные) и силу напора потока (вертикальные), то мы увидим следующее. Теоретический КИЭВ идеального винта с горизонтальной осью вращения, по разным оценкам, равен 0.593 или 0.683, при этом очень хорошим считается реальный винт, у которого КИЭВ = 0.4. У ветряков, использующих силу напора потока, теоретический КИЭВ = 0.192, а КИЭВ турбины Савониуса – 0.18, то есть, большого разрыва между теорией и практикой здесь нет. Автор полагает, что потеря одной трети мощности, предсказанной теорией, происходит из-за невозможности сделать винт с углами заклинения и атаки лопасти, изменяющимися в зависимости от скорости ветра и снимаемой мощности. Категорично утверждать, что за счет изменения траектории вращения лопастей конструкция автора сможет добрать эту недостающую, предсказанную теорией, мощность, на сегодняшний день нельзя. Необходимы практические испытания.
