Строительство

В даний час у світовому експлуатується парку вітроустановок горизонтально-осьові (пропелерні) установки становлять більше 90%. Відставання в освоєнні вертикально-осьових вітроустановок викликано низкою причин:

    * Вертикально-осьові вітроустановки були винайдені пізніше горизонтально-осьових (ротор Савоніуса - в 1929 р., ротор Дар'ї - в 1931 р., ротор Масгроува - в 1975 р.);
    * До недавнього часу головним недоліком вертикально-осьових вітроустановок помилково вважалося, що для них неможливо отримати відношення максимальної лінійної швидкості лопатей до швидкості вітру більше одиниці (для горизонтально-осьових вітроустановок це відношення досягає більш 5:1).

Ця передумова, вірна тільки для тихохідних роторів типу ротора Савоніуса, що використовують різні опору лопатей при їх русі за вітром і проти вітру, призвела до невірних теоретичним висновків про те, що граничний коефіцієнт використання енергії вітру у вертикально-осьових вітроустановок нижче, ніж у горизонтально- осьових. У зв'язку з цим розробка ветрікально-осьових вітроустановок майже 40 років не велася. Лише 60-х - 70-х роках спочатку канадськими, а потім американськими та англійськими фахівцями було експериментально доведено, що ці висновки не стосуються роторам Дарії, що використовують підйомну силу лопатей. Для роторів Дарії максимальне відношення лінійної швидкості робочих органів до швидкості вітру досягає 6:1 і вище, а коефіцієнт використання енергії вітру не нижче, ніж у горизонтально-осьових вітроустановок.

Вертикально-осьові вітроустановки стали інтенсивно освоювати з початку 80-х років, причому діапазон їхніх потужностей безперервно розширюється. Сьогодні практично всі країни експлуатують вертикально-осьові вітроустановки з ротором Дарії, причому в Канаді, США, Нідерландах перевага віддається класичною схемою з криволінійними лопатами, а у Великобританії і Румунії в якості основної схеми прийняті ротори з прямими лопатями, паралельними осі вращенія.крупной установки VAWT -2400 з ротором діаметром 67 м потужністю 1.7 МВт.
Напрямок вітру і ефективність вітроустановки

Найбільша ефективність горизонтально-осьових вітроустановок досяжна тільки за умови забезпечення постійної колінеарності осі вітроколеса і напряму вітру. Необхідність орієнтації на вітер вимагає наявності в конструкції вітроустановки механізмів і систем орієнтації на вітер для безперервного спостереження за вітрової обстановкою, пошуку напряму з максимальним вітровим потенціалом, повороту вітроколеса в цьому напрямку і його утримання в такому положенні. Наявність в конструкції вітроустановки системи орієнтації на вітер саме по собі ускладнює її і знижує надійність (за даними досвіду експлуатації зарубіжних вітроустановок цього типу до 13% загальної кількості відмов припадає на системи орієнтації).
Крім того, практично неможливо ефективно орієнтувати вітроколесо при зміні напрямку вітру через запізнювання дії механізмів орієнтації.

До конструктивних недоліків можна віднести і те, що система орієнтації розриває жорстку зв'язок між корпусом і опорної вежею горизонтально-осьової вітроустановки, чим обумовлюються поява автоколивань і відмінність в частотних характеристиках рухомий і нерухомої частин конструкції, що в кінцевому рахунку знижує надійність і збільшує амортизаційні витрати.

Ефективність же роботи вертикально-осьових вітроустановок принципово не залежить від напрямку вітру, у зв'язку з чим відпадає необхідність у механізмах та системах орієнтації на вітер. Нерівність характеристик вітрового потоку по висоті призводить лише до деякого вирівнювання моментів повороту, що знімаються з лопатей.
Коефіцієнт використання енергії вітру

Теоретично доведено, що коефіцієнт використання енергії вітру ідеального вітроколеса горизонтально-осьових і вертикально-осьових установок дорівнює, 0.593. Це пояснюється тим, що ротори вітроустановок обох типів використовують один і той же ефект підйомної сили, що виникає при обтіканні вітровим потоком профільованої лопаті, До теперішнього часу досягнутий на горизонтально-осьових вітроустановках коефіцієнт використання енергії вітру становить 0.4. На даний момент цей коефіцієнт у вітрогенераторів (вітроустановок) ГРЦ-Вертикаль становить 0.38. Проведені експериментальні дослідження російських вертикально-осьових установок показали, що досягнення значення 0.4-0.45 - цілком реальне завдання. Таким чином, можна зазначити, що коефіцієнти використання енергії вітру горизонтально-осьових і вертикально-осьових вітроустановок близькі.
Запуск вітроустановки

Вважається, що момент рушання горизонтально-осьових вітроустановок не дорівнює 0, тому для їх запуску не потрібні зовнішні джерела енергії. Однак на практиці вітроколесо цього типу самозапускается тільки в тому випадку, якщо воно з тією або іншою точністю направлено на вітер. При бічному ж вітрі потужне вітроколесо може і не самозапустіться і необхідний зовнішній джерело енергії для розвороту гондоли з ветроколесам на вітер.
Довгий час вважалося, що момент рушання вертикально-осьових вітроустановок дорівнює 0, тобто вважалося, що вони не самозапускаются.
Проте вчені ГРЦ-Вертикаль розробили ротор Дарії, який самозапускается при швидкості вітру 3.5-4 м / с залежно від потужності вітротурбіни. Момент рушання цих вітроустановок набагато більше 0, а для саморозкрутка досить лише невеликого пориву вітру.
Тим не менш, великі вітроустановки зазвичай оснащують додатковими турбінами типу Савоніуса для гарантованого старту.
Ускладнення конструкції вітроустановок призводить до зниження надійності, а введення додаткових аеродинамічних пристроїв - до зниження потужності вітрової турбіни, що гірше, ніж наявність джерела потужності для запуску. Це враховується на сучасному етапі і при проектуванні нових конструкцій пропелерних вітроустановок.
Раціональність силової схеми турбіни

Інерційні навантаження на лопать пропелерною вітроустановки спрямовані уздовж лопаті, тобто найбільш вигідним чином. Маточина колеса і елементи опорно-підшипникового вузла компактні і малогабаритні. Інерційні навантаження на лопать вертикально-осьової вітроустановки спрямовані поперек лопаті вздовж траверси. Маточина та опорно-підшипниковий вузол мають великі габарити. Таким чином, вітротурбіна (ротор) вертикально-осьової вітроустановки у меншій мірі задовольняє вимогу раціональності силової схеми, ніж вітротурбіна горизонтально-осьовий (пропелерною) установки. Як результат цього ветотурбіна вертикально-осьової вітроустановки виявляється важче пропелерною.

Теги: вітроустановки