Сравнительный анализ ветрогенераторов

Сравнительный анализ ветрогенераторов

Сравнительный анализ вертикально-осевых и горизонтально-пропеллерных ветроустановок.

Вертикально-осевые и горизонтально-пропеллерные ВЭУ - принципиально разные устройства, многие технические решения которых не повторяются. Поэтому кроме нечувствительности вертикально-осевых ВЭУ к направлению ветра, как явно положительного качества, существует целый ряд других принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые являются не менее важными. Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки отличительных особенностей вертикально-осевой и горизонтально-пропеллерной ветроустановок. При этом рассматриваются горизонтально-пропеллерный ветроагрегат в традиционном исполнении и вертикально-осевая ветроустановка с Н-ротором Дарье.

Ориентация на ветер: Наибольшая эффективность горизонтально-пропеллерных ВЭУ достигается только при условии обеспечения постоянной коллениарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержание в таком положении. Наличие в конструкции ВЭУ системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроагрегат и снижает его надежность. По данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ до 13% отказов приходится на системы ориентации. Кроме этого, при постоянных изменениях направления ветра практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для установок мегаваттного класса с диаметром ветроколеса более 30 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по диаметру размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса в оптимальное направление ориентации. Из-за этого, вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока, снижается выработка электроэнергии и экономическая эффективность ветроагрегата. К конструктивным недостаткам системы горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов можно отнести тот факт, что необходимо разрывать жесткую связь между гондолой с ветроколесом и опорной башней, что обуславливает появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции и в конечном счете снижает надежность и увеличивает эксплуатационные затраты. Место разрыва жесткой связи между гондолой и башней также требуют внимания в части передачи электроэнергии с вращающегося вместе с гондолой генератора к выходам на потребителя, находящимся на земле. Чтобы избежать скручивания силовых шин либо ограничивают угол поворота гондолы с последующей ее раскруткой либо применяют токосъемник. И в том и в другом случае в конструкцию вводятся дополнительные усложнения, снижающие ее надежность. Таким образом, эффективность работы горизонтально-пропеллерного ветроагрегата снижается за счет запаздывания системы ориентации гондолы с ветроколесом при изменении направления ветрового потока и постоянного несовпадения оси вращения ветроколеса с направлением скорости ветра. Во-вторых, системы поворота гондолы для ориентации на ветер и поворота лопастей требуют соответствующих приводов, т.е. при работе горизонтально-пропеллерные ветроагрегаты на собственные нужды постоянно потребляют определенное количество энергии, что в конечном итоге уменьшает годовую выдачу ВЭУ электроэнергии. Эффективность же работы вертикально-осевых ветроустановок принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость во всех системах и механизмах ориентации на ветер. Жесткое крепление опорного узла ротора на башне вертикально-осевой ветроустановки исключает возникновение автоколебаний и упрощает динамику конструкции. Коэффициент использования энергии ветра: Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеальных горизонтально-пропеллерного и вертикально-осевого роторов составляет 0,539 или 0,687. Это объясняется тем, что роторы обоих типов используют эффект возникновения подъемной силы при обтекании ветровым потоком профилированного крыла. Достигнутые к настоящему времени фактические коэффициенты использования энергии ветра у горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов и вертикально-осевых ветроустановок также одинаковы и лежат в пределах 0,4 - 0,45. Поворот лопастей: Поворот лопастей горизонтально-пропеллерного ветроагрегата применяется как средство удержания ветроколеса на постоянной рабочей скорости вращения при постоянно изменяющейся скорости ветра и как средство торможения ветроколеса при превышении ветром предельно допустимой скорости. Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, т.к. при этом необходимы и система непрерывного слежения за числом оборотов и поворотные устройства с гидроприводами для каждой лопасти и система автоматического управления углами поворота лопастей. Поворот лопастей вертикально-осевой ветроустановки был бы весьма эффективен не только для торможения ротора, но и для поддержания оптимального угла атаки во всех положениях лопасти на окружности вращения. Вертикально-осевые ветроустановки с таким регулированием положения лопасти в настоящее время применения не нашли по следующим соображениям: во-первых, лопасть за один оборот должна произвести несколько качаний, сориентированных на направление ветра, во-вторых, системы и устройства для поворота лопастей представляют значительную сложность и снизят надежность ВЭУ, в-третьих, ветроустановка станет зависимой от направления ветра. Однако главным аргументом в пользу отказа от поворота лопастей остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевых ветроустановок находится на уровне горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов. Конструкция и эффективность лопасти: Все сечения лопасти горизонтально-пропеллерного ветроагрегата находятся в разных энергетических состояниях из-за разницы их окружных скоростей и углов атаки. Для уменьшения влияния этого явления на эффективность съема лопастью энергии ветра применяют крутку профиля и сужение концевой части лопасти. Эти меры сглаживают существенные различия в энергетике отдельных сечений пропеллерных лопастей и повышают их эффективность, однако полностью не устраняют указанные недостатки пропеллерного ветроколеса. При этом крутка лопасти и ее сужение к концевой части усложняют форму лопасти и ее конструктивную схему, что приводит к усложнению технологии ее изготовления.

Вертикальная лопасть Н-ротора Дарье конструктивно выполнена более простой - прямоугольной и симметричной относительно хордовой плоскости. Все сечения лопасти имеют одинаковую быстроходность, и, следовательно, одинаковую эффективность. У вертикально-осевых ВЭУ значение снимаемой энергии незначительно изменяется по длине лопасти, причем это изменение зависит, только от разницы скорости ветра по высоте. Потери Н-ротора Дарье связаны с неоптимальными углами атаки в разных положениях лопасти по окружности вращения и падении вращающего момента в положениях, когда лопасть движется вдоль ветрового потока. Таким образом при более простой конструкции лопасти Н-ротора Дарье эффективность съема энергии ветра лопастями ветроустановок обоих типов находится на одном уровне. Быстроходность: Среди горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов наибольшее распространение получили установки с быстроходностью 5 -7 (отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра) и числом лопастей 2 или 3. Они обеспечивают самый высокий коэффициент использования энергии ветра, т. е. наиболее эффективны. При этом, у горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов с ветроколесами больших диаметров возрастает влияние некомпланарности скорости ветра по высоте, воздействие гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки на конструкцию ветроагрегата и кориолисовой силы при повороте гондолы с вращающимся ветроколесом. Эти влияния и воздействия тем значительнее, чем выше быстроходность ветроколеса, которая требует повышенного внимания к динамической устойчивости работы всех вращающихся элементов, повышенные требования к прочности конструкции и точности ее изготовления, к качеству сборки и балансировке вращающихся деталей и узлов. С этой точки зрения трудно переоценить вертикально-осевую схему, принципиально обеспечивающую ветроустановке тихоходную работу. Оптимальная быстроходность 2-х лопастного Н-ротора Дарье не превышает значения - 3, а у трехлопастного ротора она еще ниже. Необходимо учесть, что все энергетические характеристики Н-ротора Дарье остаются на уровне этих характеристик горизонтально-пропеллерного ветроколеса. Но, при этом, снижение быстроходности в 2 - 3 раза упрощает требования к опорно-трансмиссионным узлам и улучшает условия их эксплуатации благодаря снижению уровня динамичности ротора. Работающие ветроустановки являются источниками аэродинамических шумов, образующихся при движении лопастей в воздушном потоке, и механических шумов от работающих механизмов (например, генератор, мультипликатор, опорные узлы). Уровень аэродинамических шумов Н-ротора Дарье значительно ниже, чем у аналогичного по размеру горизонтально-пропеллерного ветроколеса из-за более низкой линейной скорости движения лопастей. У горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов главный вектор распространения инфрашумов направлен в плоскости ветроколеса по всем направлениям, а у вертикально-осевых ветроустановок вверх и вниз по оси вращения ветротурбины.(Литература). Следовательно, зона распространения инфрашумов у горизонтально-пропеллерного ветроагрегата значительно больше, чем у вертикально-осевых ветроустановок. Основные источники механических шумов горизонтально-пропеллерных ветроагрегатов (генератор и мультипликатор) расположены в гондоле на высоте опорной башни, в связи с чем радиус их затухания гораздо больше, чем у вертикально-осевых ветроустановок, у которых это оборудование размещено в машинной станции на земле. Линейная скорость вращения лопастей вертикально-осевых ветроустановок значительно ниже, чем у горизонтально-пропеллерных, в связи, с чем радиус разлета наледи с лопастей и обломков лопастей при их разрушении у Н-ротора значительно меньше, чем у горизонтально-пропеллерного ветроколеса. По заключению орнитологов тихоходный Н-ротор Дарье, имеющий поверхность вращения лопастей в виде вертикально-расположенного цилиндра, хорошо заметен и по дуге легко огибается птицами, которые имеют хорошую маневренность в горизонтальной плоскости. Быстро вращающееся горизонтально-пропеллерное ветроколесо более опасно для птиц, т.к. менее заметная и расположенная перпендикулярно направлению полета плоскость вращения лопастей представляет для птиц непреодолимую преграду.(литература)
Из сравнения видно, что горизонтально-пропеллерные ветроагрегаты уступают вертикально-осевым по следующим характеристикам:



- необходимость ориентации ветроколеса на ветер снижает эффективность ветроагрегата за счет запаздывания поворотов гондолы за постоянно меняющим направление ветром и неколленииарности оси ветроколеса и направления скорости ветра, усложняет конструкцию и снижает надежность ветроагрегата за счет введения специальных систем и механизмов;



- работа ветроагрегата с постоянной скоростью вращения ветроколеса, что обеспечивает максимальный съем энергии в узком диапазоне рабочих скоростей ветра и, соответственно, снижает эффективность ветроагрегата;



- размещение генератора и мультипликатора в гондоле на верхнем торце опорной башни усложняет требования к их габаритным и массовым характеристикам, также усложняет условия эксплуатации конструкций за счет возникновения дополнительных вибраций, толчков и, соответственно, повышения уровня нагружений опорной башни, мультипликатора, генератора, ухудшает условия монтажа и эксплуатации оборудования из-за его расположения на высоте опорной башни, усложняет передачу вырабатываемой электроэнергии из вращающейся гондолы на неподвижную опорную башню;



- применение поворота лопастей для регулирования скорости вращения ветроколеса усложняет конструкцию, кроме этого применяемые в автономных ветроагрегатах инерционные регуляторы отличаются неточностью регулирования;



- уменьшение хорды и крутка сечений к концевой части лопасти, применяют для выравнивания аэродинамической отдачи всех ее сечений, что повышает энергетику лопасти, но и приводит к усложнению конструкцию и технологии ее изготовления;



- повышенная быстроходность ветроколеса повышает требования к его динамической устойчивости, балансировке, прочности и надежности;



- повышенная быстроходность ветроколеса приводит к повышенному воздействию на окружающую среду за счет высокого уровня аэродинамических и механических шумов, большого радиуса разлета наледи и осколков лопасти в случае ее разрушения. Кроме этого вращающееся ветроколесо создает на пути птиц непреодолимую преграду.



Горизонтально-пропеллерные ветроагрегаты имеют более рациональные силовую схему ветроколеса и динамику опорной башни:



- рациональность силовой схемы ветроколеса за счет крепления лопастей к ступице, расположенной непосредственно на оси вращения, что не требует дополнительных узлов крепления лопасти и создает оптимальное ее нагружение;



- оптимальная материалоемкость опорной башни, за счет распределения частоты резонанса ее собственных колебаний ниже возмущающих рабочих частот ветроколеса.



Такие характеристики как самозапуск ротора и коэффициент использования энергии ветра для обеих рассматриваемых схем находятся на одном уровне.



При проведении сравнительного анализа учитывалось, что мировая ветроэнергетика имеет значительный опыт разработки, изготовления, строительства и эксплуатации горизонально-пропеллерных ветроагрегатов.


Таким образом, проведенный анализ показал, что благодаря таким принципиальным особенностям, как отсутствие необходимости ориентации на ветер, работа с переменной скоростью вращения, нижнее расположение генератора и мультипликатора, самозапуск ротора при любом направлении ветра, отсутствие поворота лопастей, постоянство сечения лопастей по длине, тихоходность, минимальное воздействие на окружающую среду, автономные вертикально-осевые ветроустановки с Н-ротором Дарье выгодно отличаются от традиционных горизонтально-осевых ветроагрегатов по таким характеристикам, как эффективность, простота конструкции, надежность, экологическая чистота, удобство технического обслуживания и ремонта.