В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроустановок горизонтально-осевые (пропеллерные) установки составляют более 90%.
Отставание в освоении вертикально-осевых ветроустановок вызвано рядом причин:
- вертикально-осевые ветроустановки были изобретены позже горизонтально-осевых (ротор Савониуса -- в 1929 г., ротор Дарье -- в 1931 г., ротор Масгроува -- в 1975 г.);
- до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ветроустановок ошибочно считалось, что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости лопастей к скорости ветра больше единицы (для горизонтально-осевых ветроустановок это отношение достигает более 5:1).
Эта предпосылка, верная только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привела к неверным теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ветроустановок ниже, чем у горизонтально-осевых. В связи с этим разработка ветрикально-осевых ветроустановок почти 40 лет не велась.
Лишь 60-х–70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для роторов Дарье максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых ветроустановок.
Вертикально-осевые ветроустановки стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ветроустановки с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании и Румынии в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения.крупной установки VAWT -2400 с ротором диаметром 67 м мощностью 1.7 МВт.
Направление ветра и эффективность ветроустановки
Наибольшая эффективность горизонтально-осевых ветроустановок достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ветроустановки механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении.
Наличие в конструкции ветроустановки системы ориентации на ветер само по себе усложняет её и снижает надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ветроустановок этого типа до 13% общего количества отказов приходится на системы ориентации). Кроме того, практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации.
К конструктивным недостаткам можно отнести и то, что система ориентации разрывает жесткую связь между корпусом и опорной башней горизонтально-осевой ветроустановки, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.
Эффективность же работы вертикально-осевых ветроустановок принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.
Коэффициент использования энергии ветра
Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтально-осевых и вертикально-осевых установок равен 0.593. Это объясняется тем, что роторы ветроустановок обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти,
К настоящему времени достигнутый на горизонтально-осевых ветроустановках коэффициент использования энергии ветра составляет 0.4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38.
Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4-0.45 -- вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых и вертикально-осевых ветроустановок близки.
Запуск ветроустановки
Считается, что момент трогания горизонтально-осевых ветроустановок не равен 0, поэтому для их запуска не требуются внешние источники энергии. Однако на практике ветроколесо этого типа самозапускается только в том случае, если оно с той или иной точностью направлено на ветер. При боковом же ветре мощное ветроколесо может и не самозапуститься и необходим внешний источник энергии для разворота гондолы с ветроколесом на ветер.
Долгое время считалось, что момент трогания вертикально-осевых ветроустановок равен 0, то есть считалось, что они не самозапускаются. Однако ученые ГРЦ-Вертикаль разработали ротор Дарье, который самозапускается при скорости ветра 3.5-4 м/с в зависимости от мощности ветротурбины. Момент трогания этих ветроустановок гораздо больше 0, а для самораскрутки достаточно лишь небольшого порыва ветра. Тем не менее, крупные ветроустановки обычно оснащают дополнительными турбинами типа Савониуса для гарантированного старта.
Усложнение конструкции ветроустановок приводит к снижению надежности, а введение дополнительных аэродинамических устройств -- к снижению мощности ветровой турбины, что хуже, чем наличие источника мощности для запуска. Это учитывается на современном этапе и при проектировании новых конструкций пропеллерных ветроустановок.
Рациональность силовой схемы турбины
Инерционные нагрузки на лопасть пропеллерной ветроустановки направлены вдоль лопасти, то есть наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла компактны и малогабаритны.
Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ветроустановки направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Ступица и опорно-подшипниковый узел имеют большие габариты. Таким образом, ветротурбина (ротор) вертикально-осевой ветроустановки в меньшей степени удовлетворяет требованию рациональности силовой схемы, чем ветротурбина горизонтально-осевой (пропеллерной) установки.
Как результат этого ветотурбина вертикально-осевой ветроустановки оказывается тяжелее пропеллерной.
Комментарии