eng
Содержание
Содержание
Предисловие.......................................................... 6
Глава 1
Ветроэнергетическая установка .......................... 11
1.1.
Виды и область применения................................ 11
1.2.
Размер и мощность ............................................ 16
1.3.
Ветроагрегат..................................................... 17
Глава 2
Ветродвигатель ..................................................... 21
2.1.
Аэродинамическая поверхность ........................... 21
2.2.
Классификация ................................................. 25
Глава 3
Ветроколёсные двигатели .................................... 27
3.1.
Идеальный ветряк ............................................. 29
3.2.
Быстроходность................................................. 36
3.3.
Реальный ветряк ............................................... 38
Глава 4
Крыльчатые ветряные колёса ............................. 41
4.1.
Полезный профиль ............................................ 41
4.1.1.
Первое приближение.................................... 43
4.1.2.
Удобообтекаемый ........................................ 50
4.1.3.
Толще и крепче ........................................... 57
4.2.
Аэродинамические потери................................... 67
4.3.
Крутка лопасти ................................................. 71
4.4.
Мощность и момент ........................................... 78
4.5.
Диаметр ........................................................... 81
4.6.
Число лопастей ................................................. 85
Глава 5
Контроль мощности ............................................. 90
5.1.
Ручное управление ............................................ 93
5.2.
Первые ветроинженеры ...................................... 95
5.3.
Поворотные лопасти .......................................... 107
5.3.1.
Дюран и Деллон ......................................... 110
5.3.2.
Стабилизаторное регулирование Сабинина –
Красовского ............................................... 112
5.3.3.
Натуралист-самоучка Кобецкий .................... 118
5.3.4.
Флюгерные лопасти Уфимцева – Ветчинкина... 119
5.3.5.
Перекомпенсация Шаманина ........................ 125
5.3.6.
Поворот ..................................................... 126
5.3.7.
Активный контроль . .................................... 128
5.3.8.
Часть лопасти............................................. 131
5.4.
Неповоротные лопасти ....................................... 133
5.5.
Воздушный тормоз ............................................ 134
5.6.
Спойлеры ......................................................... 143
5.7.
Тормоз Жарикова ............................................. 145
5.8.
Установ на ветер................................................ 146
5.8.1.
Водило ...................................................... 146
5.8.2.
Флюгерный хвост ........................................ 147
5.8.3.
Виндроза ................................................... 150
5.8.4.
Подветренное колесо .................................... 153
5.8.5.
Активный установ ....................................... 155
5.9.
Вывод из-под ветра............................................ 158
5.10.
Воздушный клапан ............................................ 163
5.11.
Телескопические лопасти .................................... 165
5.12.
Зонтичное регулирование.................................... 170
Глава 6
Дизайн ................................................................... 175
6.1.
Мельница-генератор. .......................................... 175
6.2.
Петлевой стык Хюттера ..................................... 180
6.3.
Форма лопасти .................................................. 190
6.4.
Законцовка ....................................................... 196
6.5.
Ко-ротация ....................................................... 206
6.6.
Съём мощности ................................................. 211
Глава 7
Хаб ......................................................................... 214
Литература ........................................................ 221
Предисловие
Ветер смело можно отнести к самым романтическим явлени-
ям природы, с ним неразрывна эпоха великих географических
открытий и похождения джентльменов удачи. На ветру разве-
ваются флаги, но ветры стирают с лица Земли и целые города.
Да и полетел человек, опираясь не только на силу своего разума.
Ветер является возобновляемым источником энергии. Об-
разуется он прежде всего в результате неравномерного нагрева
земной поверхности Солнцем. А учитывая тот факт, что Солн-
це, если не в физическом, то в биологическом смысле, является
для человечества источником вечным, то и ветер можно отне-
сти к вечным источникам энергии.
В энергетическом балансе Земли на долю ветра относят все-
го 2% мощности приходящего солнечного излучения. Однако,
несмотря на кажущуюся скромность этой цифры, в абсолют-
ном выражении это составляет порядка 3 · 109 МВт. Оставить
без внимания такой объём бесхозной энергии было бы беспечно,
и в конце 70-х годов прошлого века ветроэнергетика стано-
вится глобальной отраслью, в которой участвуют энергетиче-
ские гиганты с ежегодными инвестициями в сотни миллиардов
долларов. По данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики
(WWEA), к концу 2015 года установленная мощность ветроге-
нераторов на Земле достигла 4,28 · 105 МВт.
Однако не весь ветер может стать полезным, то есть таким,
энергия которого может быть направлена на выполнение полез-
ной для человека работы. Энергия ветра рассеяна в огромном
пространстве атмосферы, и попытка эффективно собрать её
одним устройством наталкивается на технические трудности.
Регионы с высоким потенциалом энергии ветра распределены
по карте Земли неравномерно и в большинстве своём удалены
от мест массового потребления энергии. Сам ветер отличает-
ся стихийностью, он неустойчив и неоднороден. Концентрация
энергии ветра колеблется в широких пределах от 2 Вт/м2
при лёгком ветре 2 м/с и до 40 000 Вт/м2 при скорости ветра
40 м/с во время урагана. Именно по этой причине коэффициент использования установленной мощности ветрогенераторов
составляет всего 20%.
Преобразование стихийной энергии ветра в форму, удоб-
ную для полезного применения, осуществляют ветродвигате-
ли, которые подразделяются на первичные и вторичные. К пер-
вичным ветродвигателям относят устройства, преобразующие
энергию ветра непосредственно, без трансмиссий и передаточ-
ных механизмов. К представителям этой группы относится па-
рус, преобразующий энергию ветра в поступательное движение
транспортного средства, воздушный змей со всеми его раз-
новидностями (змейковый поезд, крыло Рогалло, кайт, пара-
фойл), роторы Флеттнера, преобразующие энергию ветра в си-
лу Магнуса. Первичные ветродвигатели подробно исследованы
в книге автора [6].
Ветродвигатель, преобразующий кинетическую энергию дви-
жущегося воздуха в энергию вращательного движения, назы-
вают вторичным ветродвигателем. Само по себе вращение, на-
пример, вала нельзя отнести к полезной функции до тех пор,
пока вал не будет сопряжён с механизмом, преобразующим это
вращение в полезную работу. Вторичные ветродвигатели пре-
образуют энергию ветра опосредованно, через промежуточные
механизмы или устройства для её накопления.
Вращательное движение вала вторичного ветродвигателя
открывает широкий простор для конструкторской мысли. Дро-
бить зерно и молоть муку, поднимать воду для орошения полей,
обустраивать лесопилку или маслобойку. Всё это, являясь ат-
рибутом хорошо всем известной с детства ветряной мельницы,
нарушает стереотипное представление о ней как об устройстве
исключительно для помола зерна. А если подобрать трансмис-
сию и поставить ветряную мельницу на колёса или водрузить
на палубу судна, то можно ехать по земле или плыть по морю.
А если вращающийся вал совместить с валом электрического
генератора, то такая ветряная мельница, но теперь уже ветро-
генератор, будет вырабатывать электроэнергию. Именно в мно-
гогранности назначения лежит всеобщий интерес к вторичным
ветродвигателям, которые всё больше и больше становятся объ-
ектом пристального внимания ветроэнергетики.
В основе классификации всего множества вторичных вет-
родвигателей лежит вид механического движения аэродинами-
ческой поверхности:
Ротационные ветродвигатели представлены сегодня самой
большой группой действующих ветроэнергетических установок.
Конструкция ветроколеса ротационных ветродвигателей позво-
ляет наглядно дифференцировать всё их разнообразие:
Несмотря на столь широкий выбор технических систем, аб-
солютное большинство коммерческих ветроустановок являют-
ся установками с ветроколёсным двигателем. По форме и кон-
струкции лопастей ветроколёсные двигатели бывают четырёх
типов:
Современные крыльчатые ветродвигатели отличаются вы-
сокими значениями коэффициента использования энергии вет-
ра (аэродинамический КПД). Проект офшорного ветрогенера-
тора HALIADE-X с расчётной мощностью 12 МВт и диамет-
ром ветроколеса 220 м обещает достижения аэродинамическо-
го КПД до 0,63 при теоретически возможном значении 0,687
(теория Сабинина). Лопасти крыльчатых ветродвигателей эво-
люционировали до технических систем, требования к которым
не уступают требованиям к самолётному крылу, а расчёт то-
го и другого ведётся по одним физическим законам. Высокая
частота вращения крыльчатых ветродвигателей облегчает со-
пряжение их приводного вала с устройствами для генерации
электроэнергии. Отсюда среди ветроустановок, подключённых
по всему миру к электрическим сетям, число ветрогенераторов
с крыльчатым ветродвигателем ежегодно приближается к ста
процентам
Сегодня Россия не относится к лидерам ветроэнергетики.
Однако нелишне напомнить, что такое время в нашей исто-
рии было. 4 февраля 1931 года в Курске дала ток первая в
мире ветроэлектрическая станция мощностью 8 кВт с инер-
ционным аккумулятором уникальной конструкции. Станция,
которую построил курский изобретатель-самоучка Анатолий
Георгиевич Уфимцев во дворе усадьбы своего дома, в настоя-
щее время является объектом культурного наследия федераль-
ного значения. В том же 1931 году в городе Балаклава в Крыму
на Караньских высотах заработала первая в мире промышлен-
ная ветроэлектростанция ЦАГИ Д-30 мощностью 100 кВт. Эта
станция, не имевшая на то время себе равных в мире, была
разрушена немецкими войсками в 1942 году.
Один из крупнейших и старейших в мире производителей
ветрогенераторов датская компания Vestas Wind System A/S
совместно с консорциумом российских компаний строит в Улья-
новской области завод по производству лопастей для ветроге-
нераторов. После выхода предприятия на полную мощность на
нём будет работать 200 человек. Завод будет выпускать поряд-
ка 300 лопастей в год. Помимо лопастей, совместная с Vestas
программа для повышения уровня локализации производства
предусматривает выпуск в России башен ветроустановок.
Предлагаемая книга посвящена теории и практике ветро-
колёсных крыльчатых двигателей. В книге впервые анализи-
руются исторические аспекты развития таких устройств, ис-
следования и конструкторский опыт ведущих мировых разра-
ботчиков и производителей.
Акцент книги на крыльчатых ветродвигателях не означает,
что другие типы ветроустановок не имеют будущего. Знаком-
ство с патентной литературой показывает, что областей приме-
нения ветродвигателей достаточно много. К тому же нельзя иг-
норировать появление на наших глазах инновационной группы
"безлопастных" ветродвигателей, которые преобразуют энер-
гию ветра в электричество посредством, например, упругих
колебаний аэродинамического органа. И хотя процесс рожде-
ния большинства таких устройств пока находится на стадии
патентов и проектов, игнорировать их нельзя ещё и по той
причине, что у них отсутствуют недостатки их ротационных
собратьев.
Книга адресована широкому кругу читателей, исследова-
телям, разработчикам объектов альтернативной энергетики и
транспорта, изобретателям. Обширная библиография отечествен-
ных и зарубежных работ поможет специалистам глубже изу-
чить рассматриваемые вопросы.
ГЛАВА 1 ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Ветроэнергетическая установка (Wind power plant) является
главным действующим лицом ветроэнергетики (Wind power),
специализирующейся на утилизации энергии ветра.
1.1. Виды и область применения
Ветроэнергетическая установка, сокращённо ВЭУ, представля-
ет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооруже-
ний (включая строительную часть: фундамент, несущие кон-
струкции и инфраструктуру), предназначенных для преобра-
зования кинетической энергии движущегося воздуха в другие
виды энергии через механическое движение (вращательное, по-
ступательное или колебательное) входящих в её состав узлов и
механизмов (рис. 1). По виду вырабатываемой энергии ветро-
энергетические установки подразделяют на механические, элек-
трические и тепловые. Механические ВЭУ (Wind mechanical
plant) преобразуют энергию ветра в механическую энергию,
которую напрямую используют для привода различных машин
и механизмов (насос, компрессор и т. д.). Электрические ВЭУ
(Wind electrical plant), часто именуемые ветрогенераторами,
преобразуют ветровую энергию в электричество посредством
системы генерирования электроэнергии. Тепловые ВЭУ (Wind
thermal plant) расходуют ветровую энергию на нагрев теплоно-
сителя (отопление или аккумуляция энергии).
Выбор типа ВЭУ и, соответственно, входящего в её состав
оборудования определяется областью применения установки:
А) Механические ВЭУ
Ветросиловые механические ВЭУ работают с промышлен-
ными и бытовыми механизмами. Прежде всего это ветряные
мельницы, которые традиционно применялись для механиза-
ции трудоёмких процессов сельскохозяйственных и строитель-
ных работ помол зерна, получение масла, распил древесины.
Несмотря на то что в XIX веке с развитием паровых машин
использование мельниц стало сокращаться, в наши дни отдель-
ные мельницы в статусе исторических памятников работают
и по своему основному назначению, и как ремесленные ма-
стерские. А последние проекты ветряных мельниц в СССР,
созданные ветросиловой лабораторией Всесоюзного института
механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ),
датируются 1942–1943 годами.
Ветронасосные механические ВЭУ являются разновид-
ностью ветряной мельницы. Работают они с насосами для во-
доснабжения, мелиорации земель, для подъёма воды из любых
источников (скважина, колодец, открытый водоём), для отвода
воды с низменных участков рельефа. Применяются в фермер-
ском хозяйстве, садово-огородных товариществах, на отгонных
пастбищах. Могут обеспечивать питьевой водой животных, на-
качивать воду в резервуары, подавать воду для капельного
орошения.
Б) Электрические ВЭУ постоянного тока
Ветрозарядные электрические ВЭУ работают на заряд
аккумуляторных батарей (АБ).
Гарантированного питания – работают параллельно с
АБ и гарантированно снабжают потребителя электроэнергией.
Негарантированного питания – работают без АБ, обес-
печивают стабильное напряжение на выходе. Предназначены
для электропитания в экстремальных условиях и для маломощ-
ных потребителей в местах с устойчивыми ветрами.
В) Электрические ВЭУ переменного тока
Автономные ВЭУ работают на собственную электрическую
сеть независимо от сети централизованного энергоснабжения.
Рассчитаны на потребителей с низкими значениями коэффици-
ента использования установленного оборудования. Мощность
нагрузки потребителя не должна превышать номинальную мощность установки (максимальное значение мощности установ-
ки, на которую она рассчитана в длительном режиме работы).
Могут функционировать самостоятельно, использоваться как
дублёр другого источника энергии или в составе комбиниро-
ванной системы энергоснабжения. Маломощные автономные
ВЭУ (до 0,5 кВт) используют как источник местного освеще-
ния. Разработанные и освоенные промышленностью автоном-
ные ВЭУ мощностью 2–10 кВт предназначены для электро-
снабжения домов, ферм, производственных помещений. Для
электроснабжения нескольких объектов используют более мощ-
ные системы. В России возведение и эксплуатация автономных
ВЭУ приоритетны в отдалённых регионах Крайнего Севера,
где сосредоточены основные ветроэнергетические ресурсы, от-
сутствуют крупные электрические сети и имеется большое чис-
ло малых населённых пунктов.
Гибридные ВЭУ работают с другими электростанциями
соизмеримой мощности (дизель-генератор, солнечные модули,
малые ГЭС и др.) на общую или вновь образованную сеть.
Такое сочетание независимых источников электроэнергии необ-
ходимо для гарантированного, независящего от погодных усло-
вий электроснабжения потребителя.
При надлежащем ветре ветро-дизельная система (соче-
тание ВЭУ и дизель-электрической системы) обеспечивает пи-
тание потребителя и одновременную зарядку АБ посредством
работы ВЭУ. В период ветрового затишья, когда заряд АБ па-
дает ниже рабочего уровня, автоматически запускается дизель-
генератор. Совместный контролируемый режим работы сни-
жает число пусков дизель-генератора, сокращает затраты на
обслуживание и дизельное топливо. При высоком ветровом по-
тенциале местности доля участия ветра в работе гибридной
ВЭУ может достигать 50–60%.
Ветро-солнечная система (сочетание ВЭУ и фотоэлек-
трических батарей) использует высокий ветровой потенциал
зимнего сезона и максимальную солнечную инсоляцию летне-
го времени года. При сочетании ВЭУ и малой ГЭС работа
ВЭУ обеспечивает питание потребителя, а аккумуляция из-
лишней энергии состоит в закачивании воды с нижнего бьефа
на верхний. В период ветрового затишья энергия вырабатыва-
ется малой ГЭС на созданном перепаде воды.
Сетевые ВЭУ работают параллельно с электрической се-
тью несоизмеримо большей мощности и выдают в сеть макси-
мально возможный объём вырабатываемой энергии. При этом
мощности сети должно быть достаточно для приёма допол-
нительной энергии от ВЭУ. Для поддержания стабильности
работы сети энергоснабжения максимальная мощность ВЭУ
не должна превышать 20% мощности сети. Правила подсоеди-
нения к электросети варьируются в зависимости от страны.
Вопросы подключения к сети следует решать с местной энер-
гетической компанией.
Объединение двух и более ветроэлектрических установок,
передающих электроэнергию потребителю, называют ветроэлек-
трической станцией (Wind electrical power station) или ветро-
электростанцей, сокращённо ВЭС. Также здесь используют тер-
мин "ветроферма" (wind farm). При разработке проекта ветро-
фермы следует учитывать наличие инфраструктуры в районе
установки ВЭУ, необходимость устройства мониторинговой и
контрольной систем. Обычно в составе ветрофермы эксплу-
атируют крупные ВЭУ мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт,
а общая мощность ветрофермы может достигать десятков и
сотен мегаватт. Участок земли, отведенный под ветроферму,
может использоваться и на другие нужды, например сельско-
хозяйственные.
Если в районе размещения ВЭС энергии ветрового потока
недостаточно, такую станцию объединяют с другим источни-
ком энергии, используемым в качестве дополнительного или ре-
зервного питания. Теперь это уже гибридные ветроэлектриче-
ские системы (Combine wind system), которые могут содержать
дизельные, бензиновые или газотурбинные двигатели, фото-
электрические батареи, солнечные коллекторы и т. п.
Получение тепловой энергии на тепловых ВЭУ может
осуществляться путём принудительного трения твёрдых мате-
риалов, вихревого движения больших масс воды или других
жидкостей. Полученное тепло или аккумулируют в материалах
с большой теплоёмкостью (природный камень, соль), или ис-
пользуют непосредственно для отопления, в технологических
процессах, для сушки дерева и сельскохозяйственных культур.
Однако обобщённые представления о структуре и технических
требованиях к тепловым ВЭУ отсутствуют по причине незна-
чительности опыта их строительства и эксплуатации. 1.2. àçìåðèìîùíîñòü
В зависимости от установленной (паспортной) мощности ВЭУ
подразделяют на группы [8]:
очень малой мощности менее 5 кВт;
малой мощности от 5 до 99 кВт;
средней мощности от 100 кВт до 1 МВт;
большой мощности свыше 1 МВт.
ВЭУ очень малой мощности предназначены для энергоснаб-
жения отдельных потребителей. В их составе используют вы-
прямительные устройства, инверторы, накопители энергии.
Монтаж ВЭУ малой мощности не требует применения специ-
альной техники: крепят их на крышах домов или мачтах.
ВЭУ малой мощности рекомендованы для электроснабже-
ния удалённых посёлков и отдельных потребителей, не име-
ющих централизованного электроснабжения. Проектируются
они, как правило, для работы параллельно с дизельными элек-
тростанциями. Ветроагрегаты ВЭУ малой мощности малогаба-
ритны, для их монтажа достаточно, например, лебёдки.
ВЭУ средней мощности предназначены для работы с децен-
трализованной системой электроснабжения небольшого посёл-
ка, предприятия, в северных населённых пунктах, имеющих су-
щественный энергодефицит. Строительство ВЭУ средней мощ-
ности требует применения специальных подъёмных устройств.
ВЭУ большой мощности представляют собой, как прави-
ло, ветрогенераторы, установленные на башнях высотой от 50
до 120 м. При размещении столь крупных ВЭУ на континен-
тальной зоне стараются минимизировать потери мощности, вы-
зываемые завихрениями воздушного потока, натыкающегося
в своём движении на неровности ландшафта (лес, возвышен-
ность, здания). Наиболее предпочтительно с этой целью использовать прибрежные и офшорные зоны, где над водной гла-
дью воздушный поток достаточно равномерный. ВЭУ боль-
шой мощности устанавливают в населённых пунктах, имею-
щих развитую транспортную инфраструктуру, способную при-
нимать и размещать крупногабаритное оборудование. Для мон-
тажа крупных ВЭУ требуется крановая техника. 1.3.Âåòðîàãðåãàò
Современная ветроэнергетическая установка это сложное тех-
ническое сооружение, разработка, сборка и эксплуатация ко-
торого требуют знаний аэродинамики и электротехники, ме-
ханики и строительных технологий. Основным по назначению
рабочим элементом каждой ВЭУ является ветроагрегат (Wind
unit), который объединяет в единую систему:
– ветродвигатель (Wind motor);
– трансмиссию систему передачи мощности (Transmission
power system);
– нагрузку приводимые в движение машины (генератор
тока, насос, компрессори т. п.).
Термин "ветроагрегат" рекомендуется российскими стан-
дартами [7], но имеет устоявшиеся на практике синонимы. При-
менительно к крыльчатым ветрогенераторам специалисты ско-
рее скажут "ветротурбина". Для "бескрыльчатых" ветрогене-
раторов такой термин ещё предстоит создать.
Ветросиловые ВЭУ
Для ветросиловых ВЭУ применяют ветродвигатели разной
быстроходности с различными способами регулирования час-
тоты вращения. Основное требование к системе регулирова-
ния надёжное ограничение частоты вращения во всём диа-
пазоне скоростей ветра на уровне, определяемом прочностью
всей конструкции. Передача мощности рабочим инструментам
и машинам осуществляется посредством только механических
трансмиссий в виде, как правило, одноступенчатой зубчатой
передачи с передаточным отношением между ведущим и ведо-
мым валом, близким к 1 : 3, а при установке дополнительной
нижней передачи 1 : 7. Отбор мощности осуществляют как
от верхнего редуктора (ранние варианты ветряной мельницы),
так и от нижнего.
Ветронасосные ВЭУ
В зависимости от быстроходности ветродвигателя и типа
насоса на ветронасосных ВЭУ применяют различные системы
передачи мощности.
Пневматическая система передача мощности. Враща-
тельный момент с вала ветродвигателя передаётся компрессо-
ру, а сжатый им воздух направляют для привода насосов или
непосредственно для подъёма воды. В первом случае между
компрессором и насосом устанавливают пневматический двига-
тель (турбину), во втором сам воздух используют в качестве
рабочего тела, осуществляющего подъём воды путём её вытес-
нения (насос замещения) или эжектирования.
Нагрузка: насосы центробежные, струйные, эрлифты.
Электрическая система передачи мощности состоит
из приводимого во вращение генератора, электрического дви-
гателя насоса, устройства для регулирования напряжения, за-
щиты генератора и двигателя от перегрева и токов короткого
замыкания. Чаще используют быстроходные ветродвигатели и
трёхфазные асинхронные генераторы переменного тока с само-
возбуждением от конденсаторов короткозамкнутого асинхрон-
ного двигателя центробежного насоса. Запуск электродвигате-
ля насоса осуществляют одним из трёх способов: подключе-
нием двигателя к возбуждённому генератору, работающему на
холостом ходу; замыканием цепи возбуждения генератора, к
зажимам которого заранее присоединён двигатель; частотным
пуском двигателя. При этом перед запуском двигатель должен
быть присоединён к зажимам генератора, а генератор должен
начинать работать при замкнутой цепи возбуждения.
Нагрузка: насосы центробежные, вибрационные, водоструй-
ные, погружные и плавающие.
Механическая система передачи мощности применя-
ется с ветродвигателями малой быстроходности для привода
поршневых и штанговых насосов, ковшовых и ленточных водо-
подъёмников и с более быстроходными ветродвигателями для
привода водоструйных насосов и водоподъёмников инерцион-
ного типа.
Нагрузка: насосы поршневые, штанговые.
Электрические ВЭУ постоянного тока должны иметь
систему регулирования частоты вращения, а ветродвигатель
устанавливают непосредственно на вал генератора. Мощность
внешней нагрузки не должна превышать номинальную мощ-
ность ВЭУ:
– Ветрозарядные ВЭУ могут иметь несколько систем АБ,
каждая из которых поочерёдно работает в режиме заря-
да и разряда (одна система АБ питает нагрузку, другая
заряжается). Такие установки выполняют с применени-
ем быстроходных ветродвигателей. Их снабжают простей-
шей автоматикой, обеспечивающей переключение АБ с
одного режима на другой и защиту от перезаряда и глу-
бокого разряда. Нагрузка питается от АБ.
– ВЭУ гарантированного питания имеют специальные
системы автоматического управления, обеспечивающие ра-
боту станции в зависимости от изменения скорости вет-
ра и внешней нагрузки в следующих режимax: питает
внешнюю нагрузку без АБ; заряжает АБ без внешней на-
грузки; заряжает АБ и одновременно питает внешнюю
нагрузку; одновременно с АБ параллельно работает на
внешнюю нагрузку; внешнюю нагрузку питают только
АБ. Таким образом, АБ работают в циклическом режи-
ме, переходящем с режима заряд-разряд в период отсут-
ствия внешней нагрузки или ветра на режим постоянного
подзаряда (буферный режим) при наличии достаточного
ветра и внешней нагрузки.
– ВЭУ негарантированного питания работают с бло-
ком управления, обеспечивающим стабильное напряже-
ние на выходе. Мощность таких ВЭУ не превышает несколь-
ких сотен ватт.
Электрические ВЭУ переменного тока (автономные,
гибридные, сетевые). Особенностью установок этой группы яв-
ляется их возможная эксплуатация в режиме переменной час-
тоты вращения, что позволяет получать максимально возмож-
ную выработку энергии, и в режиме постоянной частоты, что
упрощает систему генерации электроэнергии при некотором
уменьшении её выработки. Режим переменной частоты вращения обеспечивается использованием балластного сопротивле-
ния в составе системы генерации, а режим постоянной частоты
вращения регулятором частоты вращения. В установках ав-
тономного типа мощность нагрузки строго регламентируется и
не должна превышать номинальную мощность ВЭУ.
ГЛАВА 2
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
Если ветроагрегат объединяет все системы ВЭУ, которые от-
ветственны за получение от ветра полезной работы, то ветро-
двигатель (Wind motor) является тем самым механизмом, кото-
рый первым встречает ветер и преобразует кинетическую энер-
гию его движения в механическое движение входящих в его
состав узлов (рис. 2). В литературе в том же контексте можно
встретить термины ¾ветроприёмное устройство¿, ¾ветроуста-
новка¿, которые следует признать синонимами термина ¾вет-
родвигатель¿.
Ветродвигатель настолько важный объект ветроэнерге-
тики, что его конструкция находится под пристальным внима-
нием большого числа инженеров и учёных всего мира, а харак-
терное название, получаемое ветродвигателем, распространя-
ется, как правило, на всю ВЭУ. 2.1.Àýðîäèíàìè÷åñêàÿïîâåðõíîñòü
Рабочим элементом каждого ветродвигателя является его аэро-
динамическая поверхность. Именно взаимодействие аэродина-
мической поверхности с движущимся воздухом приводит к ме-
ханическому движению, которое через трансмиссию переда-
ётся нагрузке и в виде, например, электроэнергии, поступает
потребителю.
Размеры, форма и устройство аэродинамических поверх-
ностей чрезвычайно многообразны от рамы, заполненной
вязанками тростника у первых ветряных мельниц, до воздуш-
ного змея и даже парашюта. Однако по типу взаимодействия с
воздушным потоком и способом создания движущей силы все
их можно отнести к трём группам: парусные, крыльчатые и
роторные (рис. 3).
Парусные аэродинамические поверхности устанавливают к
ветру таким образом, чтобы они оказывали максимальное со-
противление воздушному потоку, то есть имели высокое
лобовое или аэродинамическое сопротивление. Такое их поло-
жение позволяет создать максимальное давление на поверх-
ность и получить соответственно максимальную движущую (аэро-
динамическую) силу Fa (рис. 4, а). Самым примитивным об-
разцом парусной поверхности является пластина, стоящая по-
перёк воздушного потока (рис. 3, а). Но форма парусной по-
верхности может разительно отличаться от пластины. Это мо-
жет быть часть цилиндрической или сферической поверхности
(рис. 3, б, в) или что-то совсем другое, если оно имеет более
высокое аэродинамическое сопротивление.В процессе эксплуатации парусная аэродинамическая по-
верхность ветродвигателей испытывает значительные нагруз-
ки. Как правило, её проектируют в виде жёсткой самонесу-
щей конструкции из твёрдых материалов (дерево, металл, пла-
стик). Но могут применяться мягкие или эластичные матери-
алы (воздухонепроницаемые ткани, полимерная плёнка, рези-
на), закреплённые на жёстком каркасе.
Крыльчатые аэродинамические поверхности обтекаются вет-
ром таким образом, чтобы минимально сопротивляться воз-
душному потоку, то есть они должны обладать низким лобо-
вым сопротивлением. При этом движущая сила этих поверх-
ностей Fa будет определяться в большей степени подъёмной
силой Fy, которая всегда направлена поперёк ветра, чем силой
лобового сопротивления Fx (рис. 4, б). Как правило, эти плос-
кости стоят под углом к ветру (угол атаки). Для повышения аэродинамической эффективности такой плоскости придают
удобообтекаемый или аэродинамический профиль (рис. 3, г, д).
Роторные аэродинамические поверхности отличаются от
парусных и крыльчатых тем, что для создания движущей их
силы одного ветра недостаточно. Речь идёт о роторах Флетт-
нера, представляющих собой тело цилиндрической или кониче-
ской формы (рис. 3, е). Обтекание ветром такого тела не приво-
дит к появлению движущей силы до тех пор, пока оно не начнёт
вращаться вдоль своей оси. Одновременное действие линейного
потока ветра и его ротационного движения вблизи поверхно-
сти вращающегося ротора приводит к появлению движущей
силы FM, известной как cила Магнуса (рис. 4, в). Сила Магну-
са всегда перпендикулярна направлению ветра, что необходимо
учитывать при проектировании ВЭУ. Именно действием cилы
Магнуса объясняется эффектная траектория полёта лихо за-
крученного футбольного мяча или теннисного шарика после
резаного удара.Перечисленные аэродинамические поверхности имеют свои
аналоги в судостроении [6]. Так, например, аналогом парусной
аэродинамической поверхности являются собственно прямые
паруса, которые ставят поперёк судна (рис. 5, а). Для повы-
шения тяги такому парусу придают выпуклую форму (пузо
паруса). Аэродинамическое сопротивление пузатого паруса вы-
ше, следовательно, и давление ветра на такой парус выше, чем
на плоский.
Аналогом крыльчатой аэродинамической поверхности в су-
достроении являются косые паруса, которые ставят вдоль суд-
на с возможностью изменять угол атаки в широких пределах(рис. 5, б). Роторы Флеттнера также применяются в качестве
ветряного двигателя судов (рис. 5, в).
Аэродинамические поверхности могут присутствовать в кон-
струкции ветродвигателя в количестве от одной до несколь-
ких десятков. Встречаются ветродвигатели, сочетающие аэро-
динамические поверхности разных типов. Несущая конструк-
ция ветродвигателя удерживает эти поверхности в оптималь-
ном рабочем положении и передаёт действующие со стороны
ветра силы в направлении трансмиссии. На практике и в лите-
ратуре описанную конструкцию часто называют ветроколесом
(Wind wheel), что, по сути, правомерно, но лишь в отношении
некоторых видов ветрогенераторов. 2.2.Êëàññè èêàöèÿ
В основе первичной классификации всего множества ветродви-
гателей лежит вид механического движения их аэродинамиче-
ской поверхности.
Ротационные ветродвигатели характеризуются вращени-
ем аэродинамических поверхностей в составе ветроколеса или
ротора вокруг неподвижной оси или оси, плавно меняющей
своё положение в пространстве, следуя за направлением ветра.
Поступательные ветродвигатели отличаются линейным
или близким к нему движением аэродинамической поверхности.
Колебательные ветродвигатели объединяют ветроустанов-
ки, аэродинамическая поверхность которых может раскачивать-
ся, колебаться или вибрировать.
Ротационные ветродвигатели представлены сегодня самой
большой группой действующих ветроэнергетических установок.
Конструкция ротационного ветроколеса позволяет наглядно диф-
ференцировать всё разнообразие ротационных ветродвигателей:Ветроколёсные двигатели является устройствами с гори-
зонтальной осью вращения, при этом плоскость вращения ветроколеса вертикальна. Геометрически ветроколесо характери-
зуется тем, что две точки, разнесённые по длине его аэродина-
мической поверхности, описывают окружности в одной плос-
кости плоскости вращения.
Ветророторные двигатели отличаются богатым разнооб-
разием формы рабочего органа ротора. Геометрически это
разнообразие объединяет то, что две точки, разнесённые по
длине аэродинамической поверхности, описывают окружности
в параллельных плоскостях, а сам ротор в пространстве опи-
сывает фигуру вращения, форма которой задаётся формой ли-
нии, образующей ротор. Особенностью ветророторных конструк-
ций является возможность их работы как с вертикальной осью
вращения ротора (карусельные), так и с горизонтальной, на-
правленной поперёк воздушного потока (барабанные). Плос-
кость вращения ротора в первом случае горизонтальна и вер-
тикальна во втором.
Спиральные ветродвигатели представляют собой устрой-
ства с винтовой (геликоидной) аэродинамической поверхностью
постоянного (цилиндрические) или переменного (конусные) ра-
диуса вдоль оси вращения.
Несмотря на широкий выбор вышеописанных технических
систем, среди ветроустановок, подключённых по всему миру к
электрическим сетям, число ветрогенераторов с ветроколёсным
двигателем ежегодно приближается к ста процентам.
Ветер смело можно отнести к самым романтическим явлени-
ям природы, с ним неразрывна эпоха великих географических
открытий и похождения джентльменов удачи. На ветру разве-
ваются флаги, но ветры стирают с лица Земли и целые города.
Да и полетел человек, опираясь не только на силу своего разума.
Ветер является возобновляемым источником энергии. Об-
разуется он прежде всего в результате неравномерного нагрева
земной поверхности Солнцем. А учитывая тот факт, что Солн-
це, если не в физическом, то в биологическом смысле, является
для человечества источником вечным, то и ветер можно отне-
сти к вечным источникам энергии.
В энергетическом балансе Земли на долю ветра относят все-
го 2% мощности приходящего солнечного излучения. Однако,
несмотря на кажущуюся скромность этой цифры, в абсолют-
ном выражении это составляет порядка 3 · 109 МВт. Оставить
без внимания такой объём бесхозной энергии было бы беспечно,
и в конце 70-х годов прошлого века ветроэнергетика стано-
вится глобальной отраслью, в которой участвуют энергетиче-
ские гиганты с ежегодными инвестициями в сотни миллиардов
долларов. По данным Всемирной ассоциации ветроэнергетики
(WWEA), к концу 2015 года установленная мощность ветроге-
нераторов на Земле достигла 4,28 · 105 МВт.
Однако не весь ветер может стать полезным, то есть таким,
энергия которого может быть направлена на выполнение полез-
ной для человека работы. Энергия ветра рассеяна в огромном
пространстве атмосферы, и попытка эффективно собрать её
одним устройством наталкивается на технические трудности.
Регионы с высоким потенциалом энергии ветра распределены
по карте Земли неравномерно и в большинстве своём удалены
от мест массового потребления энергии. Сам ветер отличает-
ся стихийностью, он неустойчив и неоднороден. Концентрация
энергии ветра колеблется в широких пределах от 2 Вт/м2
при лёгком ветре 2 м/с и до 40 000 Вт/м2 при скорости ветра
40 м/с во время урагана. Именно по этой причине коэффициент использования установленной мощности ветрогенераторов
составляет всего 20%.
Преобразование стихийной энергии ветра в форму, удоб-
ную для полезного применения, осуществляют ветродвигате-
ли, которые подразделяются на первичные и вторичные. К пер-
вичным ветродвигателям относят устройства, преобразующие
энергию ветра непосредственно, без трансмиссий и передаточ-
ных механизмов. К представителям этой группы относится па-
рус, преобразующий энергию ветра в поступательное движение
транспортного средства, воздушный змей со всеми его раз-
новидностями (змейковый поезд, крыло Рогалло, кайт, пара-
фойл), роторы Флеттнера, преобразующие энергию ветра в си-
лу Магнуса. Первичные ветродвигатели подробно исследованы
в книге автора [6].
Ветродвигатель, преобразующий кинетическую энергию дви-
жущегося воздуха в энергию вращательного движения, назы-
вают вторичным ветродвигателем. Само по себе вращение, на-
пример, вала нельзя отнести к полезной функции до тех пор,
пока вал не будет сопряжён с механизмом, преобразующим это
вращение в полезную работу. Вторичные ветродвигатели пре-
образуют энергию ветра опосредованно, через промежуточные
механизмы или устройства для её накопления.
Вращательное движение вала вторичного ветродвигателя
открывает широкий простор для конструкторской мысли. Дро-
бить зерно и молоть муку, поднимать воду для орошения полей,
обустраивать лесопилку или маслобойку. Всё это, являясь ат-
рибутом хорошо всем известной с детства ветряной мельницы,
нарушает стереотипное представление о ней как об устройстве
исключительно для помола зерна. А если подобрать трансмис-
сию и поставить ветряную мельницу на колёса или водрузить
на палубу судна, то можно ехать по земле или плыть по морю.
А если вращающийся вал совместить с валом электрического
генератора, то такая ветряная мельница, но теперь уже ветро-
генератор, будет вырабатывать электроэнергию. Именно в мно-
гогранности назначения лежит всеобщий интерес к вторичным
ветродвигателям, которые всё больше и больше становятся объ-
ектом пристального внимания ветроэнергетики.
В основе классификации всего множества вторичных вет-
родвигателей лежит вид механического движения аэродинами-
ческой поверхности:
Ротационные ветродвигатели представлены сегодня самой
большой группой действующих ветроэнергетических установок.
Конструкция ветроколеса ротационных ветродвигателей позво-
ляет наглядно дифференцировать всё их разнообразие:
Несмотря на столь широкий выбор технических систем, аб-
солютное большинство коммерческих ветроустановок являют-
ся установками с ветроколёсным двигателем. По форме и кон-
струкции лопастей ветроколёсные двигатели бывают четырёх
типов:
Современные крыльчатые ветродвигатели отличаются вы-
сокими значениями коэффициента использования энергии вет-
ра (аэродинамический КПД). Проект офшорного ветрогенера-
тора HALIADE-X с расчётной мощностью 12 МВт и диамет-
ром ветроколеса 220 м обещает достижения аэродинамическо-
го КПД до 0,63 при теоретически возможном значении 0,687
(теория Сабинина). Лопасти крыльчатых ветродвигателей эво-
люционировали до технических систем, требования к которым
не уступают требованиям к самолётному крылу, а расчёт то-
го и другого ведётся по одним физическим законам. Высокая
частота вращения крыльчатых ветродвигателей облегчает со-
пряжение их приводного вала с устройствами для генерации
электроэнергии. Отсюда среди ветроустановок, подключённых
по всему миру к электрическим сетям, число ветрогенераторов
с крыльчатым ветродвигателем ежегодно приближается к ста
процентам
Сегодня Россия не относится к лидерам ветроэнергетики.
Однако нелишне напомнить, что такое время в нашей исто-
рии было. 4 февраля 1931 года в Курске дала ток первая в
мире ветроэлектрическая станция мощностью 8 кВт с инер-
ционным аккумулятором уникальной конструкции. Станция,
которую построил курский изобретатель-самоучка Анатолий
Георгиевич Уфимцев во дворе усадьбы своего дома, в настоя-
щее время является объектом культурного наследия федераль-
ного значения. В том же 1931 году в городе Балаклава в Крыму
на Караньских высотах заработала первая в мире промышлен-
ная ветроэлектростанция ЦАГИ Д-30 мощностью 100 кВт. Эта
станция, не имевшая на то время себе равных в мире, была
разрушена немецкими войсками в 1942 году.
Один из крупнейших и старейших в мире производителей
ветрогенераторов датская компания Vestas Wind System A/S
совместно с консорциумом российских компаний строит в Улья-
новской области завод по производству лопастей для ветроге-
нераторов. После выхода предприятия на полную мощность на
нём будет работать 200 человек. Завод будет выпускать поряд-
ка 300 лопастей в год. Помимо лопастей, совместная с Vestas
программа для повышения уровня локализации производства
предусматривает выпуск в России башен ветроустановок.
Предлагаемая книга посвящена теории и практике ветро-
колёсных крыльчатых двигателей. В книге впервые анализи-
руются исторические аспекты развития таких устройств, ис-
следования и конструкторский опыт ведущих мировых разра-
ботчиков и производителей.
Акцент книги на крыльчатых ветродвигателях не означает,
что другие типы ветроустановок не имеют будущего. Знаком-
ство с патентной литературой показывает, что областей приме-
нения ветродвигателей достаточно много. К тому же нельзя иг-
норировать появление на наших глазах инновационной группы
"безлопастных" ветродвигателей, которые преобразуют энер-
гию ветра в электричество посредством, например, упругих
колебаний аэродинамического органа. И хотя процесс рожде-
ния большинства таких устройств пока находится на стадии
патентов и проектов, игнорировать их нельзя ещё и по той
причине, что у них отсутствуют недостатки их ротационных
собратьев.
Книга адресована широкому кругу читателей, исследова-
телям, разработчикам объектов альтернативной энергетики и
транспорта, изобретателям. Обширная библиография отечествен-
ных и зарубежных работ поможет специалистам глубже изу-
чить рассматриваемые вопросы.
ГЛАВА 1 ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
Ветроэнергетическая установка (Wind power plant) является
главным действующим лицом ветроэнергетики (Wind power),
специализирующейся на утилизации энергии ветра.
1.1. Виды и область применения
Ветроэнергетическая установка, сокращённо ВЭУ, представля-
ет собой комплекс взаимосвязанного оборудования и сооруже-
ний (включая строительную часть: фундамент, несущие кон-
струкции и инфраструктуру), предназначенных для преобра-
зования кинетической энергии движущегося воздуха в другие
виды энергии через механическое движение (вращательное, по-
ступательное или колебательное) входящих в её состав узлов и
механизмов (рис. 1). По виду вырабатываемой энергии ветро-
энергетические установки подразделяют на механические, элек-
трические и тепловые. Механические ВЭУ (Wind mechanical
plant) преобразуют энергию ветра в механическую энергию,
которую напрямую используют для привода различных машин
и механизмов (насос, компрессор и т. д.). Электрические ВЭУ
(Wind electrical plant), часто именуемые ветрогенераторами,
преобразуют ветровую энергию в электричество посредством
системы генерирования электроэнергии. Тепловые ВЭУ (Wind
thermal plant) расходуют ветровую энергию на нагрев теплоно-
сителя (отопление или аккумуляция энергии).
Выбор типа ВЭУ и, соответственно, входящего в её состав
оборудования определяется областью применения установки:
А) Механические ВЭУ
Ветросиловые механические ВЭУ работают с промышлен-
ными и бытовыми механизмами. Прежде всего это ветряные
мельницы, которые традиционно применялись для механиза-
ции трудоёмких процессов сельскохозяйственных и строитель-
ных работ помол зерна, получение масла, распил древесины.
Несмотря на то что в XIX веке с развитием паровых машин
использование мельниц стало сокращаться, в наши дни отдель-
ные мельницы в статусе исторических памятников работают
и по своему основному назначению, и как ремесленные ма-
стерские. А последние проекты ветряных мельниц в СССР,
созданные ветросиловой лабораторией Всесоюзного института
механизации и электрификации сельского хозяйства (ВИМЭ),
датируются 1942–1943 годами.
Ветронасосные механические ВЭУ являются разновид-
ностью ветряной мельницы. Работают они с насосами для во-
доснабжения, мелиорации земель, для подъёма воды из любых
источников (скважина, колодец, открытый водоём), для отвода
воды с низменных участков рельефа. Применяются в фермер-
ском хозяйстве, садово-огородных товариществах, на отгонных
пастбищах. Могут обеспечивать питьевой водой животных, на-
качивать воду в резервуары, подавать воду для капельного
орошения.
Б) Электрические ВЭУ постоянного тока
Ветрозарядные электрические ВЭУ работают на заряд
аккумуляторных батарей (АБ).
Гарантированного питания – работают параллельно с
АБ и гарантированно снабжают потребителя электроэнергией.
Негарантированного питания – работают без АБ, обес-
печивают стабильное напряжение на выходе. Предназначены
для электропитания в экстремальных условиях и для маломощ-
ных потребителей в местах с устойчивыми ветрами.
В) Электрические ВЭУ переменного тока
Автономные ВЭУ работают на собственную электрическую
сеть независимо от сети централизованного энергоснабжения.
Рассчитаны на потребителей с низкими значениями коэффици-
ента использования установленного оборудования. Мощность
нагрузки потребителя не должна превышать номинальную мощность установки (максимальное значение мощности установ-
ки, на которую она рассчитана в длительном режиме работы).
Могут функционировать самостоятельно, использоваться как
дублёр другого источника энергии или в составе комбиниро-
ванной системы энергоснабжения. Маломощные автономные
ВЭУ (до 0,5 кВт) используют как источник местного освеще-
ния. Разработанные и освоенные промышленностью автоном-
ные ВЭУ мощностью 2–10 кВт предназначены для электро-
снабжения домов, ферм, производственных помещений. Для
электроснабжения нескольких объектов используют более мощ-
ные системы. В России возведение и эксплуатация автономных
ВЭУ приоритетны в отдалённых регионах Крайнего Севера,
где сосредоточены основные ветроэнергетические ресурсы, от-
сутствуют крупные электрические сети и имеется большое чис-
ло малых населённых пунктов.
Гибридные ВЭУ работают с другими электростанциями
соизмеримой мощности (дизель-генератор, солнечные модули,
малые ГЭС и др.) на общую или вновь образованную сеть.
Такое сочетание независимых источников электроэнергии необ-
ходимо для гарантированного, независящего от погодных усло-
вий электроснабжения потребителя.
При надлежащем ветре ветро-дизельная система (соче-
тание ВЭУ и дизель-электрической системы) обеспечивает пи-
тание потребителя и одновременную зарядку АБ посредством
работы ВЭУ. В период ветрового затишья, когда заряд АБ па-
дает ниже рабочего уровня, автоматически запускается дизель-
генератор. Совместный контролируемый режим работы сни-
жает число пусков дизель-генератора, сокращает затраты на
обслуживание и дизельное топливо. При высоком ветровом по-
тенциале местности доля участия ветра в работе гибридной
ВЭУ может достигать 50–60%.
Ветро-солнечная система (сочетание ВЭУ и фотоэлек-
трических батарей) использует высокий ветровой потенциал
зимнего сезона и максимальную солнечную инсоляцию летне-
го времени года. При сочетании ВЭУ и малой ГЭС работа
ВЭУ обеспечивает питание потребителя, а аккумуляция из-
лишней энергии состоит в закачивании воды с нижнего бьефа
на верхний. В период ветрового затишья энергия вырабатыва-
ется малой ГЭС на созданном перепаде воды.
Сетевые ВЭУ работают параллельно с электрической се-
тью несоизмеримо большей мощности и выдают в сеть макси-
мально возможный объём вырабатываемой энергии. При этом
мощности сети должно быть достаточно для приёма допол-
нительной энергии от ВЭУ. Для поддержания стабильности
работы сети энергоснабжения максимальная мощность ВЭУ
не должна превышать 20% мощности сети. Правила подсоеди-
нения к электросети варьируются в зависимости от страны.
Вопросы подключения к сети следует решать с местной энер-
гетической компанией.
Объединение двух и более ветроэлектрических установок,
передающих электроэнергию потребителю, называют ветроэлек-
трической станцией (Wind electrical power station) или ветро-
электростанцей, сокращённо ВЭС. Также здесь используют тер-
мин "ветроферма" (wind farm). При разработке проекта ветро-
фермы следует учитывать наличие инфраструктуры в районе
установки ВЭУ, необходимость устройства мониторинговой и
контрольной систем. Обычно в составе ветрофермы эксплу-
атируют крупные ВЭУ мощностью от 200 кВт до 1,5 МВт,
а общая мощность ветрофермы может достигать десятков и
сотен мегаватт. Участок земли, отведенный под ветроферму,
может использоваться и на другие нужды, например сельско-
хозяйственные.
Если в районе размещения ВЭС энергии ветрового потока
недостаточно, такую станцию объединяют с другим источни-
ком энергии, используемым в качестве дополнительного или ре-
зервного питания. Теперь это уже гибридные ветроэлектриче-
ские системы (Combine wind system), которые могут содержать
дизельные, бензиновые или газотурбинные двигатели, фото-
электрические батареи, солнечные коллекторы и т. п.
Получение тепловой энергии на тепловых ВЭУ может
осуществляться путём принудительного трения твёрдых мате-
риалов, вихревого движения больших масс воды или других
жидкостей. Полученное тепло или аккумулируют в материалах
с большой теплоёмкостью (природный камень, соль), или ис-
пользуют непосредственно для отопления, в технологических
процессах, для сушки дерева и сельскохозяйственных культур.
Однако обобщённые представления о структуре и технических
требованиях к тепловым ВЭУ отсутствуют по причине незна-
чительности опыта их строительства и эксплуатации. 1.2. àçìåðèìîùíîñòü
В зависимости от установленной (паспортной) мощности ВЭУ
подразделяют на группы [8]:
очень малой мощности менее 5 кВт;
малой мощности от 5 до 99 кВт;
средней мощности от 100 кВт до 1 МВт;
большой мощности свыше 1 МВт.
ВЭУ очень малой мощности предназначены для энергоснаб-
жения отдельных потребителей. В их составе используют вы-
прямительные устройства, инверторы, накопители энергии.
Монтаж ВЭУ малой мощности не требует применения специ-
альной техники: крепят их на крышах домов или мачтах.
ВЭУ малой мощности рекомендованы для электроснабже-
ния удалённых посёлков и отдельных потребителей, не име-
ющих централизованного электроснабжения. Проектируются
они, как правило, для работы параллельно с дизельными элек-
тростанциями. Ветроагрегаты ВЭУ малой мощности малогаба-
ритны, для их монтажа достаточно, например, лебёдки.
ВЭУ средней мощности предназначены для работы с децен-
трализованной системой электроснабжения небольшого посёл-
ка, предприятия, в северных населённых пунктах, имеющих су-
щественный энергодефицит. Строительство ВЭУ средней мощ-
ности требует применения специальных подъёмных устройств.
ВЭУ большой мощности представляют собой, как прави-
ло, ветрогенераторы, установленные на башнях высотой от 50
до 120 м. При размещении столь крупных ВЭУ на континен-
тальной зоне стараются минимизировать потери мощности, вы-
зываемые завихрениями воздушного потока, натыкающегося
в своём движении на неровности ландшафта (лес, возвышен-
ность, здания). Наиболее предпочтительно с этой целью использовать прибрежные и офшорные зоны, где над водной гла-
дью воздушный поток достаточно равномерный. ВЭУ боль-
шой мощности устанавливают в населённых пунктах, имею-
щих развитую транспортную инфраструктуру, способную при-
нимать и размещать крупногабаритное оборудование. Для мон-
тажа крупных ВЭУ требуется крановая техника. 1.3.Âåòðîàãðåãàò
Современная ветроэнергетическая установка это сложное тех-
ническое сооружение, разработка, сборка и эксплуатация ко-
торого требуют знаний аэродинамики и электротехники, ме-
ханики и строительных технологий. Основным по назначению
рабочим элементом каждой ВЭУ является ветроагрегат (Wind
unit), который объединяет в единую систему:
– ветродвигатель (Wind motor);
– трансмиссию систему передачи мощности (Transmission
power system);
– нагрузку приводимые в движение машины (генератор
тока, насос, компрессори т. п.).
Термин "ветроагрегат" рекомендуется российскими стан-
дартами [7], но имеет устоявшиеся на практике синонимы. При-
менительно к крыльчатым ветрогенераторам специалисты ско-
рее скажут "ветротурбина". Для "бескрыльчатых" ветрогене-
раторов такой термин ещё предстоит создать.
Ветросиловые ВЭУ
Для ветросиловых ВЭУ применяют ветродвигатели разной
быстроходности с различными способами регулирования час-
тоты вращения. Основное требование к системе регулирова-
ния надёжное ограничение частоты вращения во всём диа-
пазоне скоростей ветра на уровне, определяемом прочностью
всей конструкции. Передача мощности рабочим инструментам
и машинам осуществляется посредством только механических
трансмиссий в виде, как правило, одноступенчатой зубчатой
передачи с передаточным отношением между ведущим и ведо-
мым валом, близким к 1 : 3, а при установке дополнительной
нижней передачи 1 : 7. Отбор мощности осуществляют как
от верхнего редуктора (ранние варианты ветряной мельницы),
так и от нижнего.
Ветронасосные ВЭУ
В зависимости от быстроходности ветродвигателя и типа
насоса на ветронасосных ВЭУ применяют различные системы
передачи мощности.
Пневматическая система передача мощности. Враща-
тельный момент с вала ветродвигателя передаётся компрессо-
ру, а сжатый им воздух направляют для привода насосов или
непосредственно для подъёма воды. В первом случае между
компрессором и насосом устанавливают пневматический двига-
тель (турбину), во втором сам воздух используют в качестве
рабочего тела, осуществляющего подъём воды путём её вытес-
нения (насос замещения) или эжектирования.
Нагрузка: насосы центробежные, струйные, эрлифты.
Электрическая система передачи мощности состоит
из приводимого во вращение генератора, электрического дви-
гателя насоса, устройства для регулирования напряжения, за-
щиты генератора и двигателя от перегрева и токов короткого
замыкания. Чаще используют быстроходные ветродвигатели и
трёхфазные асинхронные генераторы переменного тока с само-
возбуждением от конденсаторов короткозамкнутого асинхрон-
ного двигателя центробежного насоса. Запуск электродвигате-
ля насоса осуществляют одним из трёх способов: подключе-
нием двигателя к возбуждённому генератору, работающему на
холостом ходу; замыканием цепи возбуждения генератора, к
зажимам которого заранее присоединён двигатель; частотным
пуском двигателя. При этом перед запуском двигатель должен
быть присоединён к зажимам генератора, а генератор должен
начинать работать при замкнутой цепи возбуждения.
Нагрузка: насосы центробежные, вибрационные, водоструй-
ные, погружные и плавающие.
Механическая система передачи мощности применя-
ется с ветродвигателями малой быстроходности для привода
поршневых и штанговых насосов, ковшовых и ленточных водо-
подъёмников и с более быстроходными ветродвигателями для
привода водоструйных насосов и водоподъёмников инерцион-
ного типа.
Нагрузка: насосы поршневые, штанговые.
Электрические ВЭУ постоянного тока должны иметь
систему регулирования частоты вращения, а ветродвигатель
устанавливают непосредственно на вал генератора. Мощность
внешней нагрузки не должна превышать номинальную мощ-
ность ВЭУ:
– Ветрозарядные ВЭУ могут иметь несколько систем АБ,
каждая из которых поочерёдно работает в режиме заря-
да и разряда (одна система АБ питает нагрузку, другая
заряжается). Такие установки выполняют с применени-
ем быстроходных ветродвигателей. Их снабжают простей-
шей автоматикой, обеспечивающей переключение АБ с
одного режима на другой и защиту от перезаряда и глу-
бокого разряда. Нагрузка питается от АБ.
– ВЭУ гарантированного питания имеют специальные
системы автоматического управления, обеспечивающие ра-
боту станции в зависимости от изменения скорости вет-
ра и внешней нагрузки в следующих режимax: питает
внешнюю нагрузку без АБ; заряжает АБ без внешней на-
грузки; заряжает АБ и одновременно питает внешнюю
нагрузку; одновременно с АБ параллельно работает на
внешнюю нагрузку; внешнюю нагрузку питают только
АБ. Таким образом, АБ работают в циклическом режи-
ме, переходящем с режима заряд-разряд в период отсут-
ствия внешней нагрузки или ветра на режим постоянного
подзаряда (буферный режим) при наличии достаточного
ветра и внешней нагрузки.
– ВЭУ негарантированного питания работают с бло-
ком управления, обеспечивающим стабильное напряже-
ние на выходе. Мощность таких ВЭУ не превышает несколь-
ких сотен ватт.
Электрические ВЭУ переменного тока (автономные,
гибридные, сетевые). Особенностью установок этой группы яв-
ляется их возможная эксплуатация в режиме переменной час-
тоты вращения, что позволяет получать максимально возмож-
ную выработку энергии, и в режиме постоянной частоты, что
упрощает систему генерации электроэнергии при некотором
уменьшении её выработки. Режим переменной частоты вращения обеспечивается использованием балластного сопротивле-
ния в составе системы генерации, а режим постоянной частоты
вращения регулятором частоты вращения. В установках ав-
тономного типа мощность нагрузки строго регламентируется и
не должна превышать номинальную мощность ВЭУ.
ГЛАВА 2
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
Если ветроагрегат объединяет все системы ВЭУ, которые от-
ветственны за получение от ветра полезной работы, то ветро-
двигатель (Wind motor) является тем самым механизмом, кото-
рый первым встречает ветер и преобразует кинетическую энер-
гию его движения в механическое движение входящих в его
состав узлов (рис. 2). В литературе в том же контексте можно
встретить термины ¾ветроприёмное устройство¿, ¾ветроуста-
новка¿, которые следует признать синонимами термина ¾вет-
родвигатель¿.
Ветродвигатель настолько важный объект ветроэнерге-
тики, что его конструкция находится под пристальным внима-
нием большого числа инженеров и учёных всего мира, а харак-
терное название, получаемое ветродвигателем, распространя-
ется, как правило, на всю ВЭУ. 2.1.Àýðîäèíàìè÷åñêàÿïîâåðõíîñòü
Рабочим элементом каждого ветродвигателя является его аэро-
динамическая поверхность. Именно взаимодействие аэродина-
мической поверхности с движущимся воздухом приводит к ме-
ханическому движению, которое через трансмиссию переда-
ётся нагрузке и в виде, например, электроэнергии, поступает
потребителю.
Размеры, форма и устройство аэродинамических поверх-
ностей чрезвычайно многообразны от рамы, заполненной
вязанками тростника у первых ветряных мельниц, до воздуш-
ного змея и даже парашюта. Однако по типу взаимодействия с
воздушным потоком и способом создания движущей силы все
их можно отнести к трём группам: парусные, крыльчатые и
роторные (рис. 3).
Парусные аэродинамические поверхности устанавливают к
ветру таким образом, чтобы они оказывали максимальное со-
противление воздушному потоку, то есть имели высокое
лобовое или аэродинамическое сопротивление. Такое их поло-
жение позволяет создать максимальное давление на поверх-
ность и получить соответственно максимальную движущую (аэро-
динамическую) силу Fa (рис. 4, а). Самым примитивным об-
разцом парусной поверхности является пластина, стоящая по-
перёк воздушного потока (рис. 3, а). Но форма парусной по-
верхности может разительно отличаться от пластины. Это мо-
жет быть часть цилиндрической или сферической поверхности
(рис. 3, б, в) или что-то совсем другое, если оно имеет более
высокое аэродинамическое сопротивление.В процессе эксплуатации парусная аэродинамическая по-
верхность ветродвигателей испытывает значительные нагруз-
ки. Как правило, её проектируют в виде жёсткой самонесу-
щей конструкции из твёрдых материалов (дерево, металл, пла-
стик). Но могут применяться мягкие или эластичные матери-
алы (воздухонепроницаемые ткани, полимерная плёнка, рези-
на), закреплённые на жёстком каркасе.
Крыльчатые аэродинамические поверхности обтекаются вет-
ром таким образом, чтобы минимально сопротивляться воз-
душному потоку, то есть они должны обладать низким лобо-
вым сопротивлением. При этом движущая сила этих поверх-
ностей Fa будет определяться в большей степени подъёмной
силой Fy, которая всегда направлена поперёк ветра, чем силой
лобового сопротивления Fx (рис. 4, б). Как правило, эти плос-
кости стоят под углом к ветру (угол атаки). Для повышения аэродинамической эффективности такой плоскости придают
удобообтекаемый или аэродинамический профиль (рис. 3, г, д).
Роторные аэродинамические поверхности отличаются от
парусных и крыльчатых тем, что для создания движущей их
силы одного ветра недостаточно. Речь идёт о роторах Флетт-
нера, представляющих собой тело цилиндрической или кониче-
ской формы (рис. 3, е). Обтекание ветром такого тела не приво-
дит к появлению движущей силы до тех пор, пока оно не начнёт
вращаться вдоль своей оси. Одновременное действие линейного
потока ветра и его ротационного движения вблизи поверхно-
сти вращающегося ротора приводит к появлению движущей
силы FM, известной как cила Магнуса (рис. 4, в). Сила Магну-
са всегда перпендикулярна направлению ветра, что необходимо
учитывать при проектировании ВЭУ. Именно действием cилы
Магнуса объясняется эффектная траектория полёта лихо за-
крученного футбольного мяча или теннисного шарика после
резаного удара.Перечисленные аэродинамические поверхности имеют свои
аналоги в судостроении [6]. Так, например, аналогом парусной
аэродинамической поверхности являются собственно прямые
паруса, которые ставят поперёк судна (рис. 5, а). Для повы-
шения тяги такому парусу придают выпуклую форму (пузо
паруса). Аэродинамическое сопротивление пузатого паруса вы-
ше, следовательно, и давление ветра на такой парус выше, чем
на плоский.
Аналогом крыльчатой аэродинамической поверхности в су-
достроении являются косые паруса, которые ставят вдоль суд-
на с возможностью изменять угол атаки в широких пределах(рис. 5, б). Роторы Флеттнера также применяются в качестве
ветряного двигателя судов (рис. 5, в).
Аэродинамические поверхности могут присутствовать в кон-
струкции ветродвигателя в количестве от одной до несколь-
ких десятков. Встречаются ветродвигатели, сочетающие аэро-
динамические поверхности разных типов. Несущая конструк-
ция ветродвигателя удерживает эти поверхности в оптималь-
ном рабочем положении и передаёт действующие со стороны
ветра силы в направлении трансмиссии. На практике и в лите-
ратуре описанную конструкцию часто называют ветроколесом
(Wind wheel), что, по сути, правомерно, но лишь в отношении
некоторых видов ветрогенераторов. 2.2.Êëàññè èêàöèÿ
В основе первичной классификации всего множества ветродви-
гателей лежит вид механического движения их аэродинамиче-
ской поверхности.
Ротационные ветродвигатели характеризуются вращени-
ем аэродинамических поверхностей в составе ветроколеса или
ротора вокруг неподвижной оси или оси, плавно меняющей
своё положение в пространстве, следуя за направлением ветра.
Поступательные ветродвигатели отличаются линейным
или близким к нему движением аэродинамической поверхности.
Колебательные ветродвигатели объединяют ветроустанов-
ки, аэродинамическая поверхность которых может раскачивать-
ся, колебаться или вибрировать.
Ротационные ветродвигатели представлены сегодня самой
большой группой действующих ветроэнергетических установок.
Конструкция ротационного ветроколеса позволяет наглядно диф-
ференцировать всё разнообразие ротационных ветродвигателей:Ветроколёсные двигатели является устройствами с гори-
зонтальной осью вращения, при этом плоскость вращения ветроколеса вертикальна. Геометрически ветроколесо характери-
зуется тем, что две точки, разнесённые по длине его аэродина-
мической поверхности, описывают окружности в одной плос-
кости плоскости вращения.
Ветророторные двигатели отличаются богатым разнооб-
разием формы рабочего органа ротора. Геометрически это
разнообразие объединяет то, что две точки, разнесённые по
длине аэродинамической поверхности, описывают окружности
в параллельных плоскостях, а сам ротор в пространстве опи-
сывает фигуру вращения, форма которой задаётся формой ли-
нии, образующей ротор. Особенностью ветророторных конструк-
ций является возможность их работы как с вертикальной осью
вращения ротора (карусельные), так и с горизонтальной, на-
правленной поперёк воздушного потока (барабанные). Плос-
кость вращения ротора в первом случае горизонтальна и вер-
тикальна во втором.
Спиральные ветродвигатели представляют собой устрой-
ства с винтовой (геликоидной) аэродинамической поверхностью
постоянного (цилиндрические) или переменного (конусные) ра-
диуса вдоль оси вращения.
Несмотря на широкий выбор вышеописанных технических
систем, среди ветроустановок, подключённых по всему миру к
электрическим сетям, число ветрогенераторов с ветроколёсным
двигателем ежегодно приближается к ста процентам.