Разработчики всех известных моделей ветроэлектрических установок (ВЭУ) в своих работах используют результаты Жуковского, опубликованные в начале прошлого столетия. В первых теоретических работах Н. Е. Жуковского [1] и Г. Х. Сабинина [2] для идеального ветряка крыльчатого типа коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) был определён как 59,3 % (Жуковский) и 68,7 % (Сабинин). На практике все выпускаемые в настоящий момент ВЭУ этого типа имеют значение КИЭВ не выше 50 %.
Ветроэлектрическая установка нового типа (ВЭУНТ), подробно описанная в [3], реализована как с использованием конструкции электрогенератора, в котором одно ветровое колесо связано со статором, а второе с ротором [4], так и специально разработанным синхронным генератором с неподвижным статором и двумя вращающимися роторами [3] в трёх вариантах исполнения (аксиального, цилиндрического и аксиально-цилиндрического типов), что позволило уйти от скользящих токовых контактов, а это значительно повышает срок службы ВЭУ.
Изначально разработана полуэмпирическая модель ВЭУНТ с горизонтальной осью вращения и контрвращением двух ветровых колёс, отображающая протекающие процессы. В этой модели было подтверждено экспериментально, что на второе ветровое колесо действует воздушный поток, прошедший через первое ветровое колесо и воздушный поток, созданный первым ветровым колесом, которое работает ещё и как вентилятор, при этом определение коэффициента использования ветра осуществляется только по скоростным характеристикам воздушных потоков перед и за ветровыми колёсами. В табл. 1 приведены экспериментальные результаты, выполненные согласно предложенной модели в сравнении с результатами [2].
Приведённые в табл. 1 результаты являются экспериментальным и теоретическим (в рамках предложенной полуэмпирической модели) подтверждением эффективности использования контрвращения двух ветровых колёс в ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродвигателя с целью получения повышенного значения коэффициента использования энергии ветра.
Таким образом, основными преимуществами ВЭУНТ является повышенный коэффициент использования энергии ветра; надёжность за счёт отсутствия вращения статора, следовательно, и за счёт отсутствия скользящих электрических контактов; удовлетворительная согласованность характеристик ветродвигателя с горизонтальной осью и контрвращением двух ветровых колёс и электрического генератора на основе магнитов из сплава «неодим-железо-бор». Генератор является вентильным и работает на внешний или внутренний выпрямитель.
В испытаниях при частоте вращения роторов 60 мин–1 в обмотках статора возбуждалась электродвижущая сила (ЭДС), действующее значение которой достигало 23 В, а амплитудное — 32 В. Данная конструкция наиболее пригодна для использования при изготовлении опытных образцов ВЭУНТ.
В ВЭУНТ-2×0,5 кВт использовали традиционную флюгерную схему ориентации установки при изменении направления ветра с возможным углом поворота установки вокруг вертикальной оси в 340°. Это обеспечивалось благодаря наличию двух пружин, возвращающих установку в нейтральное положение в случае отсутствия ветра. Опытные образцы ВЭУНТ, в отличие от ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродвигателя и одним ветровым колесом, оказались более подвижны и чувствительны к изменению направления ветра, что можно объяснить взаимной компенсацией гироскопических сил, так как при равенстве масс, диаметров и модулей угловых скоростей вращения обоих ветровых колёс моменты импульсов обоих ветровых колёс близки по величине и противоположны по направлению.
Зависимости средней выделяемой генератором мощности от скорости набегающего потока для ВЭУ традиционного типа и ВЭУНТ-2×0,5 кВт при одинаковой номинальной мощности (1 кВт) и диаметре ветровых колёс (2,2 м) показывают более высокую энергоэффективность работы установки с контрвращением двух ветровых колёс по сравнению с работой установки традиционного типа.
На данный момент испытаны два опытных образца ВЭУНТ-2×0,5 кВт с диаметром ветровых колёс 2,2 и 1,5 м.
Система автоматического регулирования ВЭУНТ-2×0,5 кВт предусматривает четыре режима работы, которые определяются скоростями вращения ветровых колёс и, соответственно, роторов генератора, и может обеспечивать стабильную работу ВЭУНТ в широком интервале скоростей ветра, обеспечивая зарядку аккумуляторных батарей. Во многих случаях конкретному потребителю необходимо иметь переменное напряжение 220 В, для чего может быть использовано традиционное решение посредством инвертирования постоянного напряжения от аккумуляторной батареи в переменное напряжение промышленной частоты. В данном случае был использован инвертор с входным напряжением 24 В, который после инвертирования обеспечивал величину переменного напряжения в 220 В. Система автоматического регулирования реализована посредством блока автоматического управления на базе контроллера Siemens Logo. Для противобуревой защиты установки разработаны электромеханическое (при скорости ветра свыше 12 м/с) и механическое (свыше 20 м/с) устройства торможения ветровых колёс.
В табл. 2 ниже приведены характеристики опытного образца ВЭУНТ-2×0,5 кВт и ВЭУ такой же расчётной мощности, изготовленной ООО «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» (Россия).
Опытный образец ВЭУНТ-2×0,5 кВт имеет более высокую энергоэффективность (при одинаковой мощности генераторов) по сравнению с ЛМВ-1003 при одних и тех же среднегодовых значениях скорости ветра, причём диаметр ветровых колёс опытного образца ВЭУНТ2×0,5 кВт (2,2 м) меньше, чем диаметр ветровых колёс установки ЛМВ-1003 (2,5 м).
На ВЭУНТ получен патент на полезную модель [5]. В 2010 году из двух изготовленных ВЭУНТ-2×0,5 кВт одна была установлена на территории Управления делами Президента Республики Казахстан в городе Астане, а другая — на территории Восточно-Казахстанского регионального технопарка «Алтай» в городе УстьКаменогорске.
В процессе выполненной работы получены следующие результаты:
- в результате проведённых исследований ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветродвигателя установлена целесообразность применения контрвращения двух ветровых колёс, что обеспечивает коэффициент использования энергии ветра ВЭУ до 80 %, причём вклад второго ветрового колеса может превышать 30 %;
- доказано, что с увеличением скорости ветра ЭДС, вырабатываемая в ВЭУ с горизонтальной осью за счёт контрвращения двух ветровых колёс, увеличивается также по гиперболической зависимости до номинального значения, при этом вклад второго колеса в суммарное значение ЭДС составляет до 70 % от вклада первого;
- предложена полуэмпирическая модель ветродвигателя с горизонтальной осью и контрвращением двух ветровых колёс, которая учитывает появление дополнительной составляющей скорости ветрового потока за первым ветровым колесом и объясняет повышение коэффициента использования энергии ветра за счёт работы второго ветрового колеса;
- предложены новые технические решения ветроагрегатов для ВЭУ с горизонтальной осью и контрвращением двух ветровых колёс, обеспечивающие повышенный коэффициент использования энергии ветра и достаточную надёжность ВЭУ за счёт отказа от узлов со скользящими электрическими контактами;
- разработаны и изготовлены с использованием трёхфазного синхронного генератора цилиндрического типа с двумя вращающимися роторами и неподвижным статором, опытные образцы ВЭУ с горизонтальной осью и контрвращением двух ветровых колёс (ВЭУНТ-2×0,5 кВт), имеющие повышенную энергоэффективность по сравнению с выпускаемыми ВЭУ традиционного типа, невысокую стоимость и небольшой относительный вес на единицу вырабатываемой мощности, а их стабильная работа при различных ветровых режимах обеспечивается предложенной системой автоматического регулирования.
В мировом рейтинге стран-участников ветроэнергетического сектора и Казахстан, и Россия находятся в конце списка. А по данным Всемирного совета по ветроэнергетике к 2050 году ветровая энергетика обеспечит около 34 % мирового спроса на электроэнергию. В мире широкое распространение получили ветроэлектростанции (ВЭС) с горизонтальной осью вращения в силу лучших аэродинамических параметров. При этом на значительной части территории на высоте 10 м среднегодовая скорость ветра составляет до 5 м/с, где возможно эффективное использование ВЭС малой и средней мощности. В статье авторы обосновали и создали ветроэлектрическую установку с горизонтальной осью и контрвращением двух ветровых колёс. На практике это обеспечивает повышение коэффициента использования энергии ветра и коэффициента использования во времени, поскольку поворот на ветер происходит быстрее из-за отсутствия влияния гироскопического эффекта, что позволяет наиболее эффективно их использовать в регионах с низкими среднегодовыми скоростями ветра и резкими изменениями направления. Полученные результаты позволяют рассматривать ВЭС нового типа как перспективное техническое решение и рекомендовать продолжение данных работ с использованием других технических решений, позволяющих обеспечить различные варианты малой и средней мощности.
