Разработано большое количество ветрогенераторов. В зависимости от
ориентации оси вращения по отношению к направлению потока
ветрогенераторы могут быть классифицированы следующим образом (рисунок
1-3):
• с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока;
• с горизонтальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветра (подобные водяному колесу);
• с вертикальной осью вращения, перпендикулярной направлению ветрового потока.
Рис.1. Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения
Более современный и эффективный тип – ортогональные ветрогенераторы,
для работы которых достаточно скорости ветра 0,7-0,8 м/с. Отличные
эксплуатационные характеристики, бесшумное вращение ротора, интересный
дизайн делают ортогональные ветрогенераторы выгодным приобретением. Вы
можете посмотреть видеоролик одноярусной трёхлепестковой роторной
ветроустановки по ссылке. rotornaya_veu_1_yarus_0001.wmv видеосъёмка сделана при скорости ветра на уровне ротора 1,7 м./сек.
Рис.2. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения с
использованием силы сопротивления и подъемной силы
Рис.3. Ветрогенераторы других типов
Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения
Ветрогенераторы с горизонтальной осью
вращения могут использовать для преобразования энергии ветра подъемную
силу или силу сопротивления. Устройства, использующие подъемную силу,
предпочтительнее, поскольку они могут развить в несколько раз большую
силу, чем устройства с непосредственным действием силы сопротивления.
Последние, кроме того, не могут перемещаться со скоростью, превышающей
скорость ветра. Вследствие этого лопасти, на которые действует
подъемная сила (ветроколеса), могут быть более быстроходными
(быстроходность - отношение окружной скорости элемента поверхности к
скорости ветра) и иметь лучшее соотношение мощности и массы при меньшей
стоимости единицы установленной мощности.
Ветроколесо может
быть выполнено с различным количеством лопастей; от однолопастных
ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до
50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют
иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться
относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра.
Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного,
господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на
которой укреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется
поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых
ветрогенераторов как правило применяются для этой цели хвостовые
оперения, у больших - ориентацией управляет электроника.
Для
ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра
используется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное
положение, использование клапанов, установленных на лопастях или
вращающихся вместе с ними, а также устройства для вывода ветроколеса
из-под ветра с помощью бокового плана, расположенного параллельно
плоскости вращения колеса.
Лопасти могут быть непосредственно
закреплены на валу генератора, или же вращающий момент может
передаваться от его обода через вторичный вал к генератору, или другой
рабочей машине.
Из рисунка 4 видно, как установленная мощность
Руст, развиваемая ветроколесом с горизонтальной осью вращения, зависит
от его размеров.
Рис.4. Мощности ветрогенераторов различных размеров при скорости ветра 7,6 м/с
Перпендикулярное направление действия ветра на установки с
горизонтальной осью вращения оказалось малоэффективным, так как также
требует использования систем ориентации и сравнительно сложных методов
съема мощности, что ведет к потере их эффективности. Они не имеют
преимуществ по сравнению с другими типами ветродвигателей с
горизонтальной и вертикальной осью вращения.
Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения
Такие роторы имеют важные преимущества
перед ветрогенераторами с горизонтальным расположением оси. Для них
отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер,
упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки,
вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и
прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения.
К
таким установкам относятся устройства с пластинами, чашеобразными или
турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной
формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого
типа обладают большим начальным моментом, однако меньшими
быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.
В 1920
г. во Франции Дарье предложил новый тип ротора, интенсивной разработкой
которого начали заниматься с 1970 г. Сейчас ветрогенератор Дарье может
рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов
крыльчатого типа.
Ротор Дарье относится к ветрогенераторам,
использующим подъемную силу, которая появляется на выгнутых лопастях,
имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно
небольшой начальный момент, и большую быстроходность, в силу этого -
относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или
стоимости. Такие роторы имеют различную форму (?-, ?-, ?- и
ромб-образную) с одной, двумя или большим числом лопастей.
Крылья пропеллера должны быть легкими и в то же время достаточно
прочными. Они делаются из дерева, стали или искусственных материалов -
таких как фиберглас.
Современные ветрогенераторы конечно, более
производительны чем ветряки. Количество вырабатываемого ими
электричества зависит от силы ветра и площади лопастей пропеллеров.
Например, увеличивая вдвое площадь лопастей, можно получить вчетверо
больше электричества.
Ветровая электростанция, какой бы
мощности она ни была, состоит примерно одинаково: мачта (производители
предлагают несколько типов: попроще на растяжках, телескопические,
монолитные - разница в занимаемой площади и цене), на вершине которой
устанавливается контейнер с генератором и редуктором. Редуктор вооружен
лопастями, улавливающими потоки ветра. Контейнер закреплен подвижно и
способен разворачиваться вслед за ветром.