Философия использования ветряков роторного типа
Установки, использующие энергию ветра классифицируются по положению оси вращения на: горизонтально осевые и вертикально осевые.
Наибольшее практическое распространение получили горизонтально осевые установки. Это обстоятельство связано с бурным развитием вначале 20-х годов ХХ века военной авиации, а затем и военного судостроения. На финансирование развития теоретической базы пропеллера самолета или судового винта в то время были выделены огромные средства в ведущих странах мира США, Великобритании, Германии, Японии и СССР. Это финансирование продолжается на протяжении почти 90 лет и до сегодняшнего дня. Вид современного ветряка продиктован именно этими обстоятельствами, поскольку импеллеры стали побочным продуктом развития теории и практики пропеллеров.
Сегодня любой человек, кто интересуется ветряками, скажет, что КПД горизонтально осевого импеллера (лопастного ветряка) находится в пределах 0,6 – 0.7, а «неуклюжих» вертикально осевых – до 0,39.
Однако исследования автора этой статьи опровергают данные параметры распространенных ныне ветряков. Вообще-то теоретический КПД лопастного ветряка составляет, по мнению одного из основоположников гидрогазодинамики Е. Жуковского 0,593.
Реальный КПД современных ветряков, по мнению независимых экспертов, составляет 0,42 – 0,43, что очень близко к значению 0,39 вертикально осевых ветряков.
Но, по мнению автора данной статьи, незавидную судьбу вертикально осевых роторов определило невозможность их использования, прежде всего, в авиации.
Для определения правильной формы пропеллеров и их испытаний в лабораторных условиях были созданы аэродинамические трубы. Теоретические погрешности в моделировании в этом случае сводятся к минимуму. Разумеется, пропеллер легко установить в аэродинамической трубе и испытать. Но как испытать вертикально осевой ротор в этой же трубе, который имеет в поперечном сечении не круг, а квадрат или прямоугольник. Не создавать же для испытаний аэродинамический прямоугольный параллелепипед. Это очень дорого! К тому аэродинамические трубы создавали вовсе не для испытаний ветряков, а для усовершенствования лопастей военных самолетов.
Для примера, продувки модели ротора Савониуса в Кучинской аэродинамической трубе дали наибольший коэффициент использования энергии ветра равным 18%, а продувки в трубе аэродинамического института ВТУ в Берлине дали 24% (См. журнал Forschungen aus dem Gebite des Ingenieurwesens, июнь 1931 г., B. 2 № 6).
С точки зрения гидродинамического моделирования была допущена еще одна ошибка. В реальности при вращении винта самолета или при обдувании лопастей ветряка ветром воздух не сжимается, как это происходит при испытаниях в аэродинамической трубе. И с этой точки зрения изначально все лабораторные эксперименты при моделировании лопастей должны были быть проведены в несжимаемой жидкой среде. Здесь появляется возможность раздельного моделирования и испытания лопастного устройства в трубе, а ротора в прямоугольном канале. Уверен, что результаты КПД этих двух типов ветряков изменятся значительно.
И так, вернемся к сравнению характеристик лопастного и роторного ветряков.
Лопастные ветрогенераторы
Аэродинамические формы достаточно хорошо отработаны. Проектирование и установка в автономном режиме, а также их адаптация к существующим электрическим системам не представляет большой сложности с инженерной точки зрения. Поскольку их положительные характеристики широко известны, остановлюсь больше на недостатках.
Основной их недостаток высокое расположение на мачте сложной конструкции (до 80 – 100м над землей). Большой размах лопастей, что ограничивает их установку в населенных пунктах. Гироскопический момент, возникающий при эксплуатации в режиме больших скоростей ветра, заставляет усиливать конструкцию опоры и лопастей, особенно в местах их соединения с осью вращения. Эти обстоятельства приводят к сильному удорожанию установки и, в конечном счете, к высокой цене за выработанную электроэнергию.
Рабочий режим таких ветряков обеспечивается при скорости ветра 8 – 12 м/сек. Тогда как наиболее длительные по времени ветры, особенно в Великобритании, находятся в пределах скорости 5 – 8 м/сек. Т.е. подробное изучение розы ветров в Великобритании свидетельствуют о крайне редком, в течение года, протекании ветров со скоростью 8 – 12 м/сек. Мало того, их продолжительность про времени крайне мала для их промышленного использования. Это значит, что ветряки простаивают основное время.
Как видно из графика, стабилизация скорости ветра на открытой местности наступает на высоте свыше 10 м над землей. Поэтому высота от земли до нижнего уровня лопастей должна находиться не ниже 10м, а в условиях их использования над морем не ниже 22 м.
Конструктивно приспособить такую конструкцию к какому-нибудь существующему или проектируемому зданию или сооружению практически невозможно, что ограничивает их использование в комплексе, если речь не идет о небольших маломощных ветряках.
10 м С точки зрения аэродинамического моделирования большие
ветряки абсурдны. Они потеряли связь с предметом, их породившим – пропеллером.
Попробуем представить обратную задачу. Тот, кто понимает и наглядно видит разницу по форме и параметрам летающей авиамодели и реального самолета не допустит мысли использования лопастного винта ветряка диаметром 50 – 60 м для гигантского самолета. Авиаконструктор сразу подскажет, что гигантский самолет должен иметь лопасти другой формы
Вертикально осевые ветряки роторного типа
Для примера рассмотрим, упомянутый выше, ротор Савониуса в вертикально осевом расположении. КПД этого ротора, если верить аэродинамическим испытаниям в 70 – е годы ХХ века, составляет 0,39. Оптимальная скорость рабочего режима 6 – 8 м/сек. Если использовать современные композитные материалы, можно значительно сократить использование металла при его изготовлении. Опорная конструкция по высоте значительно ниже и экономически дешевле.
При обдувании ветром ротор вращается из-за разности сопротивления напору ветра (см. схему 2). При возрастании скорости ветра помимо сопротивления ветру, вызванного конфигурацией ротора, возникает дополнительное сопротивление, вызванное вихревым движением воздуха вокруг ротора. Чем выше скорость, тем КПД установки падает.
Схема 2. Вихревое движение вокруг ротора.
Кинетическая энергия ветра создает одинаковое давление в верхней и нижней части ротора. Однако разное сопротивление при обтекании за счет выпуклости и вогнутости форм ротора создает вращательное движение вокруг оси.
Если затенить выпуклую часть полукруглым щитом, то, безусловно, сопротивление ветру в верхней части снизится и возрастет. При этом встречный вихревой поток не будет касаться ветра. А если рядом расположить два ротора вращающихся в разных направлениях в одном защитном кожухе, то это создает дополнительный эффект.
На этом принципе основан патент (№ 2384732) автора статьи, показанный на схеме 3.
Схема 3. Принцип действия ветроэнергоустановки с двойным ротором. Формула изобретения
ВЕТРОЭНЕРГОУСТАНОВКА, содержащая два ротора с вертикальными осями вращения, установленными в корпусе, снабжённом направляющим устройством флюгерного типа и закреплённом на поворотной платформе, ОТЛИЧАЮЩАЯСЯ ТЕМ, ЧТО корпус в плане выполнен обтекаемой каплеобразной формы, ограниченной сверху и снизу плоскими элементами, причём S-образные воздухозаборные лопасти роторов выступают за пределы корпуса симметрично с двух сторон, а в плоских элементах, впереди осей вращения роторов, выполнены отбортованные щели.
Использование данной конфигурации поможет повысить существенно КПД установки. Использовать для забора воздуха прямоугольную горизонтально вытянутую плоскость на небольшой высоте. А установка большого по размерам устройства на холме практически позволит снизить опорную часть конструкции до уровня земли. Установка расширяет возможности их использования на последних технических этажах многоэтажных зданий. При этом эффект использования данной установки или установки другой модификации с горизонтальной осью ротора повысится за счет парусности фасада здания.
Самый важный момент использования этой установки это то обстоятельство, что рабочий режим ее использования находится в пределах 3 – 8 м/сек, что повышает ее эффективность в условиях Великобритании, где в течение года, в основном, господствуют ветры данного скоростного диапазона.
Вращение двух роторов в установке в противоположные стороны позволяет суммировать число оборотов в ветряке, что очень важно для выработки электроэнергии.
Весьма важное обстоятельство, что в результате встречного вращения роторов, гироскопический момент, который создает большие проблемы в лопастных ветряках, взаимно гасится.
Конструктивные расчеты и изготовление данной установки из металла, особенно большого размера, делает практически нерентабельным. Только использование современных композитных материалов может привести этот продукт к конкурентоспособности, по сравнению с традиционными ветро-энергоустановками.
Мурат Хатукаев
Генеральный директор
компании Eco Fortis Ltd.
(Великобритания)
Член Международного Стратегического
Инновационно-технологического
Альянса (МСИТА)
