Типы ветроэнергетических установок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Известно много различных ветроэнергетических установок (ВЭС), но все их можно разделить на два типа: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Первые имеют сложную конструкцию, зато обладают более высоким коэффициентом использования энергии ветра, поэтому чаще применяются в промышленности. Вторые - более просты в конструкции, но менее продуктивны. На рынке они встречаются редко и применяются обычно в частных домах.

Горизонтальные (крыльчатые) ветроколеса

Широкое распространение получили ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения (рис.1). Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса.

Горизонтальные (крыльчатые; ВЭС - лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов в промышленности. Чтобы обеспечить максимальную скорость вращения, лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться вертикально - перпендикулярно потоку воздухе. Для достижения этого применяется специальное устройство - стабилизатор. Горизонтальные ВЭС могут непосредственно соединяться с генератором без мультипликаторов. У крыльчатых вегрегенераторов намного выше коэффициент использования энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству крыльев. Другими словами чем меньше лопастей - тем выше скорость вращения. Поэтому установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Вращающий момент ветроколеса в них создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком. В результате кинетическая энергия воздушного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса.

Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра. По классической теории Н. Е.Жуковского, для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра ξ=0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45-0,48, а у тихоходных - до 0,36-0,38. Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность, представляющая собой отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быстроходности двухлопастного колеса - 5-7, трехлопастного - 4-5, шестилопастного - 2,5-3,5.

Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зависит от числа лопастей.

Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости вефа и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты. Мощность ВЭУ, как отмечалось, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может составлять 20-30% от номинальной и менее. При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких КПД на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют генераторы с номинальными мощностями 100 и 20-30% от номинальной мощности ВЭУ.

При слабых ветрах первым генерагора отключается В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра Установка ветроколеса "на ветер", т. е. перпендикулярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности - посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках - специальной системой ориентирования, получающей управляющий импульс отдатчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки.

Механизм виндроз представляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор. пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра. Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться перед башней и за ней. В последнем случае лопасть подвергается постоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновременно значительно повышает уровень шума. Для регулирования мощности и ограничения частоты вращения ветроколеса применяется ряд способов, в том числе поворот лопастей или их части вокруг своей продольной оси, а также закрылки, клапаны на лопастях и другие способы.

Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому значению коэффициента использования энергии ветра. ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение.

Вертикальные (роторные) ветроколеса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса (рис. 2). 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 0,10-0,15. В последние годы в ряде зарубежных стран, особенно в Канаде, начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье, предложенным во Франции в 1920 г. Этот ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-чегырех изогнутых лопастей. Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается пол действием подъемных сил. возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30-0,35 В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями.

Главным преимуществом ветроустановок Дарье является то, 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. Однако серьезным органическим недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Это может вызывать усталостные явления и приводить к разрушению элементов ротора и серьезным авариям, что должно учитываться при конструировании ротора (особенно при больших мощностях ВЭУ). Кроме того, для начала работы их требуется раскрутить.

Вертикальные (карусельные, роторные) ВЭС - лопастные механизмы с вертикальной осью вращения. Работают при низких скоростях ветра, но имеют малую эффективность. Поэтому встречаются они достаточно редко и применяются, как правило, в домашних системах. В то же время, в отличие от горизонтальных, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Установка сама следит "откуда ветер дует", следовательно, ей не нужны никакие дополнительные устройства. Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять в них простые электросхемы для съема энергии, в частности, асинхронные генераторы. В то же время тихоходность ограничивает применение вертикальных ВЭС, так как вынуждает применять повышающие редукторы - мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно.

Рис.2. Ротор Савониуса: а) двухлопастный, б) четырехлопастный

Зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ, от быстроходности Z для различных типов ветроколес приведены на рис.3. Видно, что наибольшее значение Е, имеют двух- и трехлопастные колеса с горизонтальной осью вращения. Для них высокое ξ сохраняется в широком диапазоне быстроходности Z. Последнее существенно, так как ветроустановкам приходится работать при скоростях ветра, изменяющихся в больших пределах. Именно поэтому установки этого типа получили в последние годы наибольшее распространение.

Рис.3. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ, от быстроходности ветроколеса Z: 1 - идеальное крыльчатое ветроколесо; 2, 3 и 4 - двух-, трех- и многолопастные крыльчатые ветроколеса; 5 - ротор Дарье; 6 - ротор Савониуса; 7 - четырехлопастное ветроколесо датской мельницы.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Супертонкая клавиатура с эффектом магнитной подушки 10.06.2014 Супертонкие клавиатуры для установки в ноутбуки и другие сверхтонкие мобильные системы пользуются все большим спросом. На мероприятии Computex 2014 тайваньская компания Darfon представила супертонкую клавиатуру необычной конструкции. Многие знают о поездах на магнитной подушке, используемых в Японии и Китае. Электромагнитное поле большой мощности приподнимает поезд над рельсом и позволяет составу развивать огромные скорости. Разработчики компании Darfon применили такой же эффект при создании клавиатуры: электромагнитное поле возвращает клавишу после нажатия в изначальное положение, удерживая ее там. Насколько это удобно с позиции потребителя, вопрос спорный, но без применения традиционного возвратного силиконового колпачка под клавишей вся конструкция значительно потеряла в высоте. Стоит заметить, что у малого хода кнопок есть существенный недостаток: подобная клавиатура не так удобна, как традиционная. Впрочем, производитель обещает облегчить жизнь пользователей, обеспечив регулировку силы поля в пределах трех штатных градаций. На сегодняшний день все, кто познакомился с разработкой Darfon на выставке, не в восторге от новой клавиатуры. Компания пока что не поделилась информацией о возможном производителе ноутбуков, который готов выпустить модели ПК с магнитной клавиатурой. При этом Darfon надеется, что такие системы появятся на рынке во второй половине этого года.

Другие интересные новости:

▪ Универсальный программатор с интерфейсом USB

▪ Модульный DC/DC преобразователь B0505ST16-W5

▪ Брюки с электроприводом для активного отдыха

▪ Летающие микросхемы Qualcomm

▪ Самовосстанавливающиеся чипы

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Измерительная техника. Подборка статей

▪ статья Зато мы делаем ракеты. Крылатое выражение

▪ статья Кто такой единорог? Подробный ответ

▪ статья Обработчик волоса, шерсти и щетины. Должностная инструкция

▪ статья Телевизионная антенна для сотового телефона. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Верные семерки. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026