ВЭУ с вертикальной осью вращения: сравнительная оценка технических решений и перспективы развития

Темпы развития мировой ветроэнергетики впечатляют даже узкий круг специалистов, работающих в данной области. Так, установленная мощность ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире по итогам 2008 г. составила более 120824 МВт. Наряду с победным шествием горизонтально-осевых установок мегаваттного класса, в последние годы вновь пробудился интерес к более простым по конструкции устройствам с вертикальной осью вращения, обладающим несколькими неоспоримыми достоинствами.

Краткий исторический экскурс

Ветряки с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен. Наиболее древний документ, дошедший до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется не очень точно и относится к периоду 500-900 годами н.э. В документе описывается персидский механизм, применявшемся для подъема воды и помола зерна. Позже такой ветродвигатель получил латинское название «panemone», что означает: вращается при любом направлении ветра.
Ветряные двигатели с вертикальной осью использовались и в Китае, который часто упоминается, как место их рождения. Широко распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Китае больше 2000 лет назад, однако наиболее раннее документальное упоминание датируется 1219 годом н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветродвигатель, очевидно, применялся для размола зерна и перекачивания воды.



рис. 1 Первые ветродвигатели с вертикальной осью вращения

Этапы новейшей истории развития ветродвигателей с вертикальной осью вращения отмечены патентами на конструкции, успешно используемые в настоящее время:
- ротор Савониуса (С.Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рис. 2а);
- ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рис. 2б);
- ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рис. 2в);
- ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рис. 2г);
- геликоидная турбина Горлова (А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины ВЭУ «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рис. 2д). и др.



Рис. 2 Этапы новейшей истории ветродвигателей с вертикальной осью вращения

Принцип действия

Преобразование энергии в современных ВЭУ осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования энергии ветра в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями. За рубежом при разговоре об аналогичных устройствах чаще всего пользуются термином ветротурбина.
Ветродвигатель отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, габаритов активной части и режима работы. Известны два основных способа отбора мощности у движущегося воздушного потока, на которых базируется работа современных ветродвигателей.
В первом способе используется феномен подъемной силы крыла, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущемся потоке воздуха. Для простоты назовем их «ветродвигатели подъемной силы».
В основе второго способа лежит дифференциальное (неодинаковое) лобовое сопротивление твердого тела несимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления воздушного потока. Назовем их «ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления».
Существуют также многочисленные конструкции, которые сочетают в себе два вышеуказанных способа в различном процентном соотношении.
Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования энергии ветра и быстроходность, соответственно.

Под коэффициент использования энергии ветра понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать коэффициент использования энергии ветра С_р и называть «Си Пи фактор». Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина С_р не может быть более 0,593. Это число получило название лимит Бетца и по определению является величиной безразмерной.
Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, которое принято обозначать символом . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если  < 2, и быстроходный, если  4.

Вертикально-осевые ветродвигатели «подъемной силы»
На рисунке 3 показаны: устройство простейшего ортогонального ветродвигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от ее положения относительно направления ветра.



Рис. 3 Работа конструкции, использующей подъемную силу крыла. U – скорость ветра, V – тангенциальная скорость перемещения лопасти; W - суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;  – угол атаки; Т – сила, создающая крутящий момент; N – сила, приложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки; L – подъемная сила лопасти ; D – сила лобового сопротивления лопасти

Ветродвигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режим авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.

При увеличении количества лопастей до трех и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), С_р увеличивается от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, и достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холостом ходу при скоростях ветра 3 м/с и выше. Оптимальный режим работы данных ветродвигателей (максимальное значение С_р) достигается при значениях l от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора более пяти, как правило, приводит к снижению быстроходности и уменьшению С_р.



Многообразие конструкций современных вертикально-осевых ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла

Следует отметить, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра, и они не нуждаются в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности. Это одно из основных преимуществ установок данного типа при сравнении с горизонтально-осевыми ВЭУ.
Однако продолжают появляться новые схемы вертикально-осевых ВЭУ, в частности установка «с качающимся крылом», в которой углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики, принцип действия которой понятен из рисунка ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Производство таких установок значительными сериями не ведется.



Пример конструкции вертикально-осевая ветротурбины с наведением на ветер

Вертикально-осевые ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»
Первые ветродвигатели с вертикальной осью работали, используя данный принцип, который заключается в том, что твердое тело несимметричной формы (например, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), обладающего постоянной скоростью V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями F_лс1 и F_лс2 соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепить на траверсе с двух сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w



Принцип действия ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»

Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующих на тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветродвигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже при очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким С_р. Максимально значение С_р для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и они имеют относительно высокий пусковой момент.



Разнообразие конструкций ветродвигателей, работающих по принципу дифференциального лобового сопротивления

Комбинированные вертикально-осевые ветродвигатели
Наряду с двумя рассмотренными основными группами вертикально-осевых ветродвигателей, выпускаемых серийно, имеются установки, в которых сочетаются два описанных принципа действия.



Конструкции ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента комбинацию феноменов подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления

В установках, приведенных на рисунках а), б) и г), в зависимости от положения каждой лопасти относительно направления ветра проявляются либо эффект подъемной силы, либо эффект дифференциального аэродинамического сопротивления. В установке, показанной на рисунке в), ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Даррье до необходимой быстроходности.



Вертикально-осевые установки «циклоидного» типа с наведением на ветер. а) – ВЭУ, построенная марокканскими студентами под руководством автора в 1995 г. (фото автора); б) – ВЭУ, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 г.

В устройствах, показанных на рисунке выше, система ориентации на ветер постоянно обеспечивает максимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся по ветру, и минимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся против ветра. В промежуточных положениях работает подъемная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнем, либо трансмиссией с зубчатыми колесами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колеса, было реализовано автором в 1995 г. (рис. а). Позже в 2000 г. детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что Ср системы не превышает 0,2; после чего эксперименты с данной конструкцией были прекращены. Однако китайские производители ВЭУ (рис. б) в настоящее время поставляют на рынок аналогичные установки мощностями 3, 5 и 10 кВт при скоростях ветра 9, 10 и 10 м/с соответственно.

Энергетические характеристики

Основные свойства любого ветродвигателя достаточно полно описываются зависимостью С_р = f(l), которая называется его главной энергетической характеристикой. На рисунке 8 приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветродвигателей.

Ветроэнергетикам хорошо известно, что С_р £0,593 , что было теоретически доказано нашими российскими учеными (Сабинин и др.) еще в 1914 г., но за рубежом доказательство было опубликовано в 1924 году немецким физиком Бетцем, и величина 0,593 носит название «предел Бетца».

Рис. 10 Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей

Из рисунка очень хорошо видно, что вертикально-осевые ветротурбины, использующие для создания крутящего момента подъемную силу крыла, имеют Ср по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколес с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной простотой конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикально-осевым ветродвигателям.




Рис. 11 Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)

Не менее важной характеристикой вертикально-осевого (как, впрочем, и любого другого) ветродвигателя, является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьезные производители ВЭУ обязательно приводят такую кривую в технических характеристиках своей продукции, так как говорить о мощности установки в отрыве от скорости ветра не имеет смысла. При наличии статистики по частотам повторяемости скоростей ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчет выработки электроэнергии.




Рис. 12 Примеры кривых выходной мощности двух ВЭУ с вертикальной осью вращения

Тенденции развития вертикально-осевых ВЭУ

Современная волна интереса к вертикально-осевым ВЭУ объясняется рядом объективных причин:
- практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ (как концептуально, так и технически - более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно);
- относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО ВЭУ при значительно более простой конструкции, не требующей в большинстве случаев наведения на ветер;
- относительно низкий уровень шумов и вибраций.
Обозначим некоторые тенденции, наблюдаемые в области проектирования, производства и эксплуатации ВО ВЭУ в настоящее время.
Широкое использование компьютерного моделирования. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, позволяют производить достаточно точные проектные расчеты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе ВЭУ данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчета поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора ВО ВЭУ. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветроэнергетики получила мощный толчок развития.



Рис. 13 Типичное представление результатов аэродинамического расчета методом конечных элементов

Постоянное совершенствование конструкций ВО ВЭУ. Наряду с использованием новых конфигураций лопастей в области ВО ВЭУ появилась тенденция введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах:



Рис. 14 Вариант механизации крыла ВО ВЭУ

Разделение ВО ВЭУ на две группы по соотношению высоты ротора  к диаметру. Анализ существующих конструкций ВО ВЭУ показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше габариты ротора, тем сложнее осуществить его аэродинамическую симметрию и балансировку, что на высоких частотах вращения чревато возникновением значительных вибраций, которые могут привести к разрушению конструкции.
На рисунке 12 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции ВО ВЭУ, в сравнении с горизонтально-осевыми установками.



Рис. 15 Пропорции ВО ВЭУ

Строительство оффшорных ветропарков на базе ВО ВЭУ. Важнейшей тенденцией, наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветропарков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветроэлектростанции. Оффшорные парки позволяют решить более широкий круг проблем, в частности требования по шумам и вибрациям сводятся до минимума, а стробоскопический эффект вообще не учитывается. Плюс к тому в береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветропарках применялись исключительно горизонтально-осевые ВЭУ. Совсем недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикально-осевых установок.

Мощное ускорение китайских производителей. Еще три-четыре года назад найти рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых тридцати страницах поиска по теме ВО ВЭУ среди китайских предприятий изредка проскальзывают американские и европейские. Характерной чертой китайской ветроэнергетики является то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из энергии ветра независимо от принципа действия и величины Ср. Цены на китайскую продукцию значительно ниже, но и качество пока оставляет желать лучшего. Однако всем нам известен объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы следует ожидать появления нового мирового лидера в области ветроэнергетики. Как отмечалось выше, уже сегодня Китай вышел на второе место в мире по установленной мощности ВЭУ.

Наши скромные достижения
Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (НИЛ ТЭВИ МИКТ, г. Воронеж) совместно с учебно-исследовательской лабораторией альтернативных энергетических технологий и установок (УИЛ АЭТУ) Воронежского государственного технического университета в течение ряда лет проводит исследования в области ВО ВЭУ. Под руководством автора в лабораториях произведены продувки масштабных моделей ряда роторов.



Рис. 17 Разновидности исследованных моделей роторов (фото автора)

В результате проведенных исследований по заказу ЗАО «Балтийский станкостроительный завод» разработана перспективная конструкция ВО ВЭУ, демонстрационный масштабный образец которой в настоящее время находится в стадии изготовления.
Рабочая установка имеет оригинальную конструкцию лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии осуществляется по схеме: ветротурбина – синхронный генератор – регулируемый выпрямитель – буферный накопитель энергии – инвертор – потребители или сеть.
Фирма ВЕСТАС, которая занимает значительную долю мирового рынка ВЭУ, прошла тридцатипятилетний путь в поисках этой схемы, которая сегодня считается наиболее перспективной.
Приемлемый КПД устройства обеспечивается путем регулирования нагрузки в зависимости от (скорости ветра или крутящего момента) и использованием пассивного магнитного подвеса, который в настоящее время довольно широко начинает применяться в таких конструкциях.
На рис. ниже показаны полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3D-образ демонстрационного макета.



Рис. 18 Перспективная разработка ВО ВЭУ: а) – заготовка лопасти (фото автора); б) – модель ВОВЭУ в работе (фото автора); в – демонстрационный образец 1,5 кВт

В будущем для увеличения мощности ВО ВЭУ потребуются либо спецгенераторы, либо мультипликаторы. Основные сложности, как обычно, будут связаны прежде всего с тем, что надежность серийного генератора и мультипликатора должна быть на уровне аэрокосмической техники. И то и другое в России не производится, а настраивать такое производство необходимо сегодня. Иначе завтра мы будем кормить зарубежных производителей и из этой отрасли, проедая небезграничные богатства наших подземных кладовых.

Павел Беляков, к.т.н., доцент, профессор каф. электроэнергетики Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж); доцент каф. электромеханических систем и электроснабжения Воронежского государственного технического университета
Автор приносит свои извинения специалистам в области ветроэнергетики за упрощенное изложение материала и неполное соответствие терминологии, так как статья носит скорее популярный, чем научный характер
На первом рисунке: проект оффшорного ветропарка на базе ВО ВЭУ