Ветродвигатели с вертикальной осью вращения

2 типа:

1. Карусельные

2. Роторные - Ось вращения перпендикулярна скорости ветра

Ветроэлекторогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора. Из за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются. Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие:

Ротор Дарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя.

Ротор Дарье состоит из 2 - 4 тонких изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении форму крыла. Такие роторы имеют различную форму (Ф-, ∆-, à-, Y- образную) с одной, двумя, или большим числом лопастей. На таких лопастях возникает подъемная сила, создающая вращающий момент на оси ветроустановки аналогично тому, как это происходит на ветроколесе с горизонтальной осью.

Одна из разновидностей ротора Дарье – ротор Масгрува – с прямыми лопастями. Существует множество конструкций Масгрува.

Ротор Масгрува

Рисунок 2 - Ветроэнергетические установки Дарье) с вертикальным ротором: а) Ф-образный, б) D - образный; в) с прямыми лопастями.

1 - башня, 2 - ротор, 3 - растяжки, 4 - опора, 5 - передача вращающего момента

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны, и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор - повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ротор Савониуса. Это колесо вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. отличаются простотой и дешевизной. Вращающий момент созда­ется благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному по­току вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за боль­шого геометрического заполнения, это ветроколесо обладаем большим кру­тящим моментом и используется для перекачки воды

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. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличены.

Вращающийся момент создается, как и у крыльчатых за счет подъемных
сил. Генератор внизу, не требуется устройство ориентации на ветер.

Впервые были предложены во Франции в 1920г.

В последние годы особое внимание уделяется конструкциям с прямоугольными лопастями.

Сравнение ветроэлекторогенераторов с вертикальной осью вращения по сравнению с крыльчатыми:

Достоинства:

- не требуется устройство ориентации на ветер

-возможность установки генератора и мультипликатора внизу.

Недостатки:

- рабочее колесо перемещается в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочередно, поэтому каждая лопасть испытывает непрерывную нагрузку, поэтому подверженность усталостным разрушениям

- пульсация крутящего момента приводит к пульсации выходных параметров генератора.

Одна из разновидностей ротора Дарье – ротор Масгрува – с прямыми лопастями. Существует множество конструкций Масгрува

Концентраторы. Мощность ветроэнергоустановки зависит от эффек­тивности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов (усилите­лей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых ветроэлектрогенераторов разработаны различные варианты таких концентраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей ометаемой площади ротора, и некото­рые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.

Назначение основных компонентов ВЭУ в 2-х основных типах. Основные компоненты двух наиболее используемых типов ВЭУ представлено ниже.

Ветроколесо (ротор) – преобразует кинематическую энергию воздушного потока в механическую энергию вращения оси турбины. Для ВЭУ подключ. к сети частота вращения = const.

Мультипликатор – для увеличения частоты вращения вала турбины и обеспечивает согласованность с оборотами генератора. В ВЭУ малой мощности мультипликаторы не применяются.

Башня – для крепления ветроколеса. Иногда укрепляют стальными растяжками. У ВЭУ большой мощности Нб достигает 100-115м. Бывают цилиндрические и решетчатые.

Основание (фундамент) – для предотвращения падения установки при сильном ветре.

Гондола (кабину), в которой обычно расположен редуктор (некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы;

Электрическое и электронное оборудование: также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления и оборудование для подключения к сети, система молниезащиты и др.

Специальные устройства

- Устройство автоматического останова при сильном ветре, т.е. тормозным устройством.

- Для крыльчатых устройство ориентации на ветер.

Фундамент на который установлена башня 2. Башня 2 – имеет разную высоту (до нескольких десятков метров) зависит от и , обычно имеет форму конической трубы и для удобства её транспортировки имеет 2-3 разьема. Секции башни при перевозке могут вставляться одна в другую, максимальная длина секции 6 -8 м. На верху башни 2 на поворотном кольце с приводом 4 смонтирована головка 4 ВЭУ в которой установлены основные механизмы: 5 - вал ветроколеса, редуктор, электрический генератор, механизмы ориентации установки на ветер и механизмы управления и безопасности. Все механизмы гондолы (головки) 4 плотно закрыты кожухом, придающим головке (гондоле) обтекаемую форму и защищающем от атмосферных воздействий.

На боковой поверхности башни предусмотрены двери, для подъема наверх лестница. Внутри нижней части башни смонтировано распредустройство и блок автоматики.