Для электроснабжения удалённых маломощных потребителей электрической энергии в регионах со среднегодовыми ветрами более 4 м/с целесообразно применение ветроэнергетических установок (ВЭУ). Из всего многообразия их конструкций наибольшее применение находят горизонтально-осевые (ГО) ветроустановки. Основным их отличием от вертикально-осевых (ВО) является более высокий коэффициент преобразования энергии ветра Ср, в современных ВЭУ достигающий 0,5–0,52 при его максимальном теоретическом значении, определённом Н. Е. Жуковским [1] и чуть позднее, в 1919 году, немецким физиком Альбертом Бетцом, Ср = 0,593 [2].
Кроме того, горизонтально-осевые ВЭУ имеют меньшую материалоёмкость и являются более лёгкими и дешёвыми. Кроме того, они обладают бóльшей быстроходностью, что позволяет использовать в них (при прямом приводе) электрические генераторы с меньшей массой [3].
Для электроснабжения передвижных объектов различного назначения, геологических экспедиций, туристических групп, альпинистов, пастухов (чабанов) и других потребителей требуются ветроустановки, имеющие малые габариты при вырабатываемых мощностях от 50 Вт до 2 кВт. Геометрические размеры ветроколеса могу быть определены по основной формуле ветроэнергетики [1]:
где P — мощность горизонтально-осевой ВЭУ; v — скорость воздушного потока (ветра), м/с; Ср — коэффициент преобразования энергии ветра; η = ηгенηмульт, где ηген — КПД генератора, ηмульт — КПД мультипликатора (при его отсутствии ηмульт = 1,0); ρ — удельная плотность воздуха при 18°C, ρ = 1,225 кг/м³; Sом — площадь максимального сечения и ротора, м²; R — радиус ветроколеса (ВК).
Как видно из формулы (1), выходная мощность ВЭУ зависит только от площади, ометаемой ветроколесом (то есть от его радиуса), коэффициента преобразования энергии ветра, который зависит от профиля лопастей, плотности воздуха, КПД генератора при прямом приводе генератора ветроколесом и куба скорости ветра. Следует отметить, что мощность, развиваемая ВЭУ, практически не зависит от числа лопастей.
Анализ современных конструкций горизонтально-осевых ВЭУ малых и средних мощностей отечественного и зарубежного производства показывает, что все существующие ветроустановки имеют три или две лопасти [4]. Практически не встречаются однолопастные ВЭУ, хотя их конструкция позволяет иметь не худшие характеристики при более низкой стоимости, меньших габаритах и массе в упакованном виде, что, безусловно, представляет особенный интерес для указанных выше групп потребителей.
Сложность применения однолопастных ВЭУ связана прежде всего с тем, что, несмотря на кажущуюся их простоту, они с трудом запускаются.
В настоящей статье предлагается техническое решение, которое обеспечивает надёжный запуск однолопастных ВЭУ при любых скоростях ветра всего рабочего диапазона ВЭУ от 2 до 60 м/с.
Для проектирования однолопастных ВЭУ необходимо знать зависимости размера лопасти ветроколеса от мощности и частоты вращения ветроколеса n для выбора или проектирования генератора [1–4] исходя из выбранной быстроходности ветроколеса Z и расчётной скорости ветра vр:
Конструкция однолопастной ВЭУ
Типовая конструкция однолопастной ветроустановки представлена на рис. 1. Основным её элементом является наличие одной лопасти 1, крепящейся на переходнике 5, насаженном на вал 6 генератора 4, и балансирующего груза 8, перемещающегося по резьбе переходника при статической балансировке ветроколеса. Крепление маха лопасти на переходнике осуществляется с помощью спецштифта 3.
Рис. 1. Конструкция ветроколеса однолопастной ВЭУ (1 — лопасть; 2 — мах лопасти; 3 — штифт крепления лопасти; 4 — генератор; 5 — переходник крепления лопасти к генератору; 6 — вал генератора; 7 — гайка крепления переходника к валу генератора; 8 — уравновешивающий груз; 9 — гайка крепления груза)
Однолопастные ВЭУ из-за несимметричности конструкции или не имеют пускового момента вообще, или он слишком мал, что не позволяет им запускаться при малых скоростях ветра от 2,0 до 3,5 м/с. Запуск ветроколеса с одной лопастью или несколькими лопастями без крутки (или с малой круткой) возможен за счёт применения стартёрного режима генератора ВЭУ. Обычно в качестве генератора ВЭУ применяются синхронные магнитоэлектрические генераторы, которые сравнительно легко перевести в режим однополупериодного вентильного двигателя без датчика положения ротора. В таких двигателях информацию о положении ротора можно снимать с фаз ротора в неработающий полупериод ЭДС вращения [5].
Существует и другой способ запуска системы «ветроколесо — генератор» ветроэнергетической установки — за счёт установления лопасти под действием ветра на пусковой угол. Реализовать такой способ изменения угла атаки возможно за счёт применения так называемого «косого кардана», имеющего шарнирное крепление к корпусу генератора.
На рис. 2 показана принципиальная конструкция однолопастного ветроколеса, включающего: кардан 3, свободно качающийся в медно-графитовых подшипниках 5; мах 3, находящий под углом α к оси вращения кардана; лопасть 4; балансирующий цилиндрический груз 6, имеющий возможность перемещаться по резьбе. Система «лопасть — мах — груз» крепится к корпусу генератора обращённой конструкции или к переходному устройству, крепящемуся к генератору, который, в свою очередь, приводится во вращение лопастью ветроколеса ВЭУ.
Рис. 2. Регулятор пускового угла однолопастной ВЭУ (1 — корпус генератора; 2 — кардан; 3 — мах лопасти; 4 — лопасть; 5 — подшипники кардана; 6 — балансировочный груз)
Такая конструкция обеспечивает при ветре, имеющем скорость от 0,5 до 2 м/с, отклонение системы «лопасть — мах — груз» по ветру на угол β и установку лопасти под большим углом атаки φ (положение по оси c-d), что, в свою очередь, обеспечивает уверенный запуск ветроколеса даже при таких малых скоростях ветра.
После начала вращения ветроколеса плоскость его вращения занимает положение a-b, перпендикулярное оси вращения ротора генератора O-O′.
Рассмотрим подробно работу однолопастной ВЭУ с устройством установки лопасти на большие пусковые углы.
Свободнокачающееся ветровое колесо состоит из косого кардана 2, установленного в подшипниках 5, помещённых в подшипниковых гнёздах стоек корпуса генератора 1. Под углом α сквозь кардан проходит запрессованный в тело кардана стержень 3, с одной стороны которого крепится лопасть 4, на другом же конце стержня находится балансировочный цилиндрической формы груз 6, который можно перемещать по резьбе при статической балансировке ветроколеса.
При отсутствии ветра положение системы «лопасть — мах — кардан — балансировочный груз» занимает любое произвольное положение. При возникновении ветра ветроколесо с помощью хвостового оперения ориентируется на ветер, который давит на лопасть и переводит всю указанную систему в положение, совпадающее с осью c-d.
При этом лопасть ветроустановки совершает сложное движение и занимает положение с углом атаки φ, что позволяет системе «лопасть — мах — кардан — груз — корпус генератора» начать вращаться вокруг оси O-O′. При этом плоскость вращения лопасти занимает положение, перпендикулярное оси вращения генератора. Лопасть установлена под углом атаки, обеспечивающим интенсивный разгон ветроколеса и генератора до требуемой расчётной или номинальной частоты вращения, при которой генератор выдаёт положенную паспортную мощность, определяемую формулой (1).
На рис. 2 ось a-b соответствует положению системы «лопасть — мах — груз» при вращении ветроколеса под действием ветра. При этом угол атаки лопасти φ соответствует оптимальному углу разбега ветроколеса, а ось c-d соответствует положению отклонения лопасти под действием ветра, при этом угол φ соответствует пусковым углам ветроколеса. Положение лопасти при отсутствии ветра может быть любым (произвольным), и будем считать, что угол установки лопасти не позволяет ветроколесу трогаться.
Для определения зависимости между конструкционным углом между карданом и стержнем — махом лопасти α, углом отклонения лопасти под действием ветра β необходимо рассмотреть геометрическую модель регулятора, представленную на рис. 3.
Рис. 3. Геометрическая модель регулятора пусковых углов однолопастной ВЭУ
Рассмотрим два положения маха ветроколеса ВЭУ. Первое — при отсутствии ветра (v = 0): DE — хорды лопасти при отсутствии ветра; АВ — ось кардана; О-О′ — мах; α — угол между махом и карданом.
Положение лопасти при скорости ветра v > 0: β — угол отклонения лопасти; D1E1 — хорда лопасти; φ — пусковой угол лопасти.
Для нашего доказательства рассмотрим сферический равнобедренный треугольник OO1O2 с углом при вершине O (угол O1OO2 равен углу β) и равнобедренный треугольник O1MO2, который имеет угол при вершине φ.
Проведём биссектрисы углов O1OO2 и O1MO2 — OO3 и MO3, которые в силу равнобедренности треугольников OO1O2 и O1MO2 будут и высотами, образуя угол 90° с основанием O1O2.
Длина маха O-O1 известна и равна a, то есть имеет место:
O-O1 = a. (3)
Рассмотрим прямоугольные треугольники O1OO3 и O1O3M. Углы при вершинах M и O равны, соответственно:
Тогда, решая треугольники, можно выразить из треугольника O1OO3:
Из треугольников OMO1 и O1MO3 находим вначале MO1, а затем O1O3:
Приравняв правые части (5) и (7), можно записать:
из (8) можно получить углы φ и α:
Расчётные зависимости между конструкционными углами α, предельным углом отклонения лопасти β и пусковым углом φ представлены в табл. 1 и на рис. 4.
Анализ графических зависимостей пусковых углов φ (рис. 4) от конструкционных углов между осью кардана и стержнем маха α, а также предельным углом отклонения лопасти под действием ветра β позволяет выбрать их оптимальные значения для обеспечения надёжного запуска ветроколеса.
Рис. 4. Зависимость пускового угла однолопастной ВЭУ от конструкционного угла α между осями маха и кардана
Обязательным условием устойчивой работы однолопастной ВЭУ является балансировка ветроколеса. Как показывает опыт разработки и эксплуатации однолопастных ВЭУ, для их стабильной работы без вибраций достаточно проведение статической балансировки ветроколеса на ножах перед установкой его в подшипниковый узел корпуса генератора.
Рис. 5. Упрощённая схема ветроколеса однолопастной ВЭУ
Масса балансировочного груза и его положение определяется условием равновесия системы «лопасть — мах — кардан — груз» из уравнения равенства моментов с одной стороны и от оси поворота кардана — с другой [6], в соответствии с упрощённой схемой ветроколеса однолопастной ВЭУ (рис. 5):
mгр + mст = mмаха + mл; (11)
mгрlгр + mстlст = mмахаlмаха + mлlл, (12)
где mгр — масса груза, кг; mст — масса стержня, кг; mмаха — масса маха, кг; mл — масса лопасти, кг; lгр — расстояние от центра вращения до центра масс груза, м; lст — расстояние от центра вращения до центра масс стержня груза, м; lмаха — расстояние от центра вращения до центра масс маха, м; lл — расстояние от центра вращения до центра масс лопасти, м.
Ветроэлектрическая установка ВЭУ-0,8 производства ООО «НИЦ «Виндэк»
Выводы
1. Выходная мощность горизонтально-осевых ВЭУ не зависит от числа лопастей ветроколеса.
2. Запуск ветроколеса однолопастной ВЭУ возможен как от генератора, работающего в стартёрном режиме, так и с помощью качающегося регулятора пусковых углов с косым карданом.
3. Для устойчивой работы однолопастной ВЭУ без вибраций и устранения дисбаланса необходима и достаточна статическая балансировка ветроколеса в составе «лопасть — балансировочный груз» на ножах до установки ветроколеса в подшипники корпуса генератора.
4. Величина пусковых углов лопасти однолопастной ВЭУ фиксированная и зависит от угла между осью кардана и осью маха лопасти, а также предельного угла отклонения лопасти под действием ветра, заложенных в конструкцию регулятора.
