На сегодня существует два больших класса ветрогенераторов - быстроходные и медленноходные.
К медленноходным ветрогенераторам относятся всевозможные вариации на тему Савониуса - собственно сам Савониус:
Угринский:
И Ленц:
Также к медленноходным относится лопастной ветряк типа "American Multiblade":
и парусные ветряки
Преимущество медленноходных ветряков заключается в том, что они работаею не за счет скорости потока, а за счет его напора. Это позволяет им стартовать при гораздо более низких скоростях ветра, однако означает низкую скорость вращения вала отбора мощности, а значит - необходимость редуктора либо генератора специальной конструкции (многополюсный малооборотный).
Кроме того, с повышением скорости ветра очень быстро наступает момент, когда напор превышает прочность, и ветряк разрушается.
Быстроходные конструкции представлены классическими пропеллерными ветряками с малым числом лопастей
Геликоидным ротором:
И ротором Дарье:
Преимущество быстроходных роторов заключаются в том, что они работают не от напора, а от скорости потока, при этом скорость движения лопасти в них превышает скорость самого потока, так как ротор разгоняется не под действием напора, а под действием аэродинамических сил, возникающих при обтекании лопасти потоком. Это позволяет уменьшить потери на передачу энергии на генератор, а также использовать более простые (а значит, гораздо более дешевые) генераторы. Кроме того, поскольку быстроходные генераторы отбирают энергию не с поверхности, а с ометаемой площади, они в разы легче медленноходных, а значит - потенциально дешевле.
У быстроходных генераторов существует только одна проблема - они очень плохо стартуют. Поскольку в неподвижном состоянии при обтекании лопастей потоком они отбирают энергию не с ометаемой площади, а с площади лопасти, и поскольку обтекание в этом случае происходит не в рабочем режиме (когда лопасть набегает на потом), а в форс-мажорном (когда поток набегает на лопасть, да еще и под неправильным углом) - энергии потока недостаточно для запуска такого генератора. А один из лучших вариантов - ротор Дарье - вообще сам не стартует, что приводит к монстрообразным конструкциям вроде:
где неправильная аэродинамическая форма лопасти приводит к падению КПД на рабочем режиме аж на 5% (зато есть автостарт) или
где в конструкцию введено центральное тело, повышающее сопротивление потоку.
В результате в процессе старта получается ситуация, в которой ветряк не может запуститься при той скорости ветра, на которой, набрав обороты, он уверенно может работать и давать мощность.
Заметим, что American Multiblade и геликоидный ротор достаточно сложны в производстве, первый - из-за большого количества лопастей и необходимости обеспечить аэродинамическую чистоту ротора при одновременных прочностных требованиях (все-таки от напора работаем, и нагрузки велики), второй - из-за сложной аэродинамической формы лопастей. Наболее просты в производстве Савониус, Угринский и Ленц, а также пропеллерный быстроход (теперь понятно, почему именно их используют в промышленных ВЭС?) и Дарье.
Если отвлечься от больших динамических нагрузок, испытываемых при работе ротором Дарье, его можно признать самой лучшей конструкцией, и вот почему:
1. Он быстроходен, а значит - способен работать с дешевыми электрогенераторами, дешевой механикой.
2. Стартовый режим Дарье крайне затруднен, в силу малой площади лопастей. А это значит, что будучи остановлен и поставлен на тормоз, он не станет сам раскручиваться во время слишком сильного ветра, а аэродинамические нагрузки на лопасти не будут чрезмерно высоки.
3. На единицу массы он ометает большую площадь, а значит в рабочем режиме имеет большую отдачу по мощности.
4. Ему не требуются механизмы поворота (как классическому "пропеллеру") и управления шагом (как на мощных пропеллерах) лопасти.
Можно ли усовершенствовать ротор Дарье таким образом, чтобы обеспечить нормальный автостарт без усложнения конструкции? Очевидное решение, а именно, объединение на одной оси Савониуса и Дарье, имеет ряд минусов. Конечно, напорный режим Савониуса способен начать раскрутку Дарье, что значительно уменьшает скорость ветра, при которой Дарье стартует. Однако при достижении быстроходности 1, когда Дарье начинает выходить на рабочий режим, Савониус начинает опережать поток, что приводит к торможению Дарье, а значит - снижению КПД всей связки. Кроме того, торможение Дарье роторов Савониуса приводит к повышению того порога скорости ветра, на котором Дарье начинает работать устойчиво, а значит - к ухудшению характеристик Дарье по рабочей скорости ветра.
Естественным решением является установка Савониуса (а еще лучше - Угринского) на одной оси с Дарье через муфту обратного хода, как передача звездочки на ведушем колесе велосипеда. В режиме старта Угринский (Савониус) передает момент на Дарье, раскручивая его. Как только Дарье начинает "брать" ветер, он обгоняет свой "стартер" и выходит на режим с максимальным КПД. А Савониус продолжает свое неспешное "эстонское" вращение...
Поскольку одним из преимуществ Дарье является отсутствие автостарта на тормозе от сильного ветра, что позволяет уберечь ветряк от аварии, муфта обратного хода должна передавать момент через разобщаемый вручную (или от привода по команде - это зависит от размера ветряка) фрикцион. Когда Дарье не нужен, фрикцион разобщается и автостарт отключается.
Учитывая тот факт, что Савониус не участвует в выработке энергии, а служит исключительно в качестве стартера, его размеры, а значит действующая на него ветровая нагрузка - существенно меньше рабочих для ветряка, что позволяет исполнить его достаточно прочным для того, чтобы противостоять ветровой нагрузке от слишком сильного ветра.
Заметим, что предлагаемое решение, в отличие от неполной лопасти или системы с центральным телом, обеспечивает управляемый автостарт. И хотя система
Выглядит наиболее простой и эффективной с точки зрения реализации автостарта Дарье, ее более низкий КПД в сумме с неуправляемым самозапуском делают ее неприменимой для ветряков большой мощности.
Dixi.
Journal information