Кошик
Немає відгуків, додати

Основні види вітрогенераторів

Основні види вітрогенераторів

Давайте розглянемо два види найпростіших і розповсюджених видів вітрогенераторів. Перший - вертикальний типу "Савоніус", і звичайний пропелерний.

типи вітрогенераторів

В чому відмінності між двома видами вітрогнереаторів? Як відрізняється потужність вертикального і горизонтального генератора? 

Справа в відмінності принципу відбору енергії лопатями. Це не лише орієнтація лопатей в просторі відносно горизонту (горизонталки / вертикалки), а відмінність аеродинаміки лопатей. Вертикальний вітрогенератор використовує силу напору вітру. А пропелер використовує підйомну силу, яка виникає в точці проходження потоку повітря крізь лопаті. Даний принцип використання підйомної сили використовується також в конструкції крил літаків.

підйомна сила крила

Простими словами, у "вертикалок" вітер тисне на лопаті, а у "горизонталок" створює різницю тисків навколо лопаті.

Принцип роботи вертикальних вітрогенераторів.

Розглянемо більш детально принцип роботи вертикального вітрогенератора найпростішого типу Савоніус

ротор савоніуса
Вертикальні вітрогенератори бувають різних типів і модифікацій, але по суті і принципу роботи це буде той самий "Савоніус". Обертання ротора засновано на різниці тисків вітру на лопаті. Уявіть собі ротор подібного вітрогенератора. Вітер налягає на лопаті, увігнута лопать затримує потік повітря і його кінетична енергія тисне на цю лопать. Лопать, що повертається, має опуклу форму по відношенню до вітру, і завдяки цьому потік вітру просто з неї "звалюється". Так виникає різниця тиску.

Чим сильніший вітер (читай "швидкість вітру") тим більше різниця тиску. Внаслідок цього зростають обороти і , відповідно, зростає потужність ротора. Але обороти не можуть перевищити швидкість вітру, оскільки штовхати тоді вітер не зможе лопать. Найбільші обороти можуть тільки наблизиться до швидкості вітру, але не можуть досягти її. І при максимальних обертах ротор має ККД 0%, так-як вся енергія йде на розкрутку ротора. Але при навантаженні обороти ротора падають і ,пропорційно падінню оборотів, зростає потужність на валу. Максимальна потужність досягається при швидкості обертання в два рази меншою швидкості вітру. Наприклад якщо швидкість вітру 10 м/с то максимальна потужність буде на валу при швидкості руху кінця лопаті 5 м/с. Якщо ж обороти збільшуються, то потужність падає, а якщо обороти під навантаженням падають, то вітер просто не встигає провалюватися і набігає як ком на лопать. Цей ком вітру швидко збільшується, і нові порції вітру натикаючись на нього розходяться в сторони. Таким чином відбивається велика частина енергії вітру і, в результаті, на роторі істотно падає крутний момент.

Принцип роботи горизонтального вітряка ("пропелера").

Як працює горизонтальний вітрогенератор найпростішого типу?
Принцип роботи класичного гвинта в корені відрізняється від роботи вертикального ротора. Щоб зрозуміти принцип дії горизонтального вітрогенератора, потрібно згадати про підйомну силу літака. Адже саме такий принцип використовується в горизонтальному вітрогенераторі. Лопаті горизонтального вітрогенератора мають аналогічну аеродинамічну будову, як і крила літака. На прикладі крил літака легше уявити, як працює "підйомна" сила і чому вони виникає. Будова крил (а також лопатів) має таку форму, що рух повітряних мас з різних сторін крила (лопаті) має різну швидкість. Закон Бернулі стверджує, що при русі рідини чи повітря, співвідношення тиску до швидкості буде однаковим в різних частинах потоку (труби/лопаті/крила).

закон бернулі

Це означає, що при більшій швидкості тиск буде менший, а при меншій швидкості навпаки - більший. Над крилом літака повітря рухається з  більшою швидкістю бо йому треба здійснити більший шлях. Як наслідок, тиск буде менший від атмосферного. Під крилом тиск буде більшим, що створить підйомну силу, котра штовхає літак вгору. 

підйомна сила крила літака

Можна також уявити собі як обертається гвинт і потік вітру, що набігає на лопаті вітрогенератора. Коли вітер набігає на лопать, то цей вітер відбивається від неї, і під кутом викидається в сторону позаду лопаті. Але в той самий час крізь лопаті також йде і прямий потік повітря. При зіткненні двох потоків утворюється тиск на зразок тиску підйомної сили крила літака, який і підштовхує лопать. Чим більший утворюється тиск, тим сильніше виштовхується лопать. Таким чином обороти лопаті не прив'язані до сили вітру, а залежать від тиску, створеного на стику двох повітряних потоків.

Завдяки цьому швидкість обертання кінчика лопаті може перевищувати в рази швидкість вітру. Тут криється відповідь "чому маленькі лопаті обертаються швидше ніж величезні і МОЖУТЬ ПРАЦЮВАТИ НА меншій висоті, ДЕ МЕНШЕ ВІТРУ?". Справа в тому, що в створенні тиску бере участь весь потік вітру, котрий потрапляє в площину обертання гвинта. І через вузькі лопаті може "провалюватися" більше повітря не затримуючись, а лише відпрацювавши частки секунди. Також тонкі лопаті дають менший лобовий опір потоку в площині обертання.

У горизонтальних вітрогенераторів виходить навпаки: потужність гвинта зростає з ростом обертів, і чим швидше лопать обертається тим більше вітру вона опрацьовує за одиницю часу. Тиск зростає ще більше і сильніше виштовхує лопать. Теоретично це зростання оборотів, тиску і потужності нескінченне якби не інші чинники, які це обмежують. Так, наприклад, коли вітровий потік не встигає "провалюватися", то спереду гвинта наростає повітряна подушка, з якої "звалюється" основний потік вітру в сторони. Тобто потужність вітру просто відходить в сторони з подушки і гвинту перепадає дуже мало енергії. Збільшення кількості лопатей не завжди може покращити цю ситуацію.

Багато-лопатеві вітрогенератори не завжди кращі для генерації.

багатолопатевий вітрогенератор

У багато-лопатевих гвинтів межа тиску настає дуже швидко, тому вони менш інерційні. Але обертаючись, лопать потрапляє в зону підвищеного тиску створеною попередньою лопаттю. Це, в свою чергу, створює гальмування. Тому чим більше лопатей, тим сильніше відбувається гальмування. Через таку закономірність із зростанням лопатей, самими поширеними є трьох лопатеві вітрогенератори. 

трьохлопатеві вітрогенератори
За вище наведених причин ККД горизонтальних вітрогенераторів на 30% більше, ніж ККД вертикальних, а через «тихохідність» вертикальних шуми у них до 30% менше, ніж у горизонтальних.

Але потрібно пам'ятати, що при тих же заявлених характеристиках по генерації вартість гарного вертикального до 3 разів вище, ніж горизонтального.

Інші статті