2.1. Загальна характеристика вертикально-вісьових веу

Такі ВЕУ мають ряд переваг відносно ВЕУ з горизонтальним розташуванням вісей. В них відсутні вузли для орієнтації на вітер. Це спрощує конструкцію та полегшує гіроскопічні навантаження. Розроблена велика кількість різноманітних пристроїв з вертикальною віссю обертання (рис. 2.1.1), в яких для створення моменту обертання використовуються сили опору та підйомна сила робочих лопастів.

Це пристрої з пластинчатими, чашечковидними або турбінними елементами, а також з роторами Савоніуса з лопастями S-вираженої форми. Пристрої такого типу мають великий початковий момент, але меншу швидкохідність та потужність в порівнянні з ротором Дар’є. Вітродвигун Дар’є вважається основним конкурентом відносно вітродвигунів крильчатого типу.

Ротор Дар’є відноситься до вітроприйомних пристроїв, які використовують підйомну силу, що з’являється на вигнутих лопатях, які мають профіль крила в поперечному перетині. Його основний недолік – малий початковий момент, а його перевага – велика швидкохідність і в силу цього – відносно велика питома потужність, яка віднесена до його маси. Для усунення головного недоліку та з метою збільшення початкового моменту ротор Дар’є комбінують з різними типами стартерів, наприклад, з ротором Савоніуса.

В роторах другого типу з вертикальною віссю обертання використовують ефект Магнуса. До таких роторів з циліндрами, які обертаються відносяться конструкції Мадараса і Флетнера (див. рис. 2.1.1 (11,12). При набіганні вітрового потоку на обертаємий циліндр у відповідності з ефектом Магнуса діє сила, яка направлена перпендикулярно відносно напрямку потоку. Такі пристрої здатні переміщати судна та сухопутні транспортні засоби. Розподілення сили показано на рис. 2.1.2 та 2.1.3

Рис. 2.1.1 Вітроприйомні пристрої з вертикальною віссю обертання:

1 – ротор Савоніуса; 2 – ротор Савоніуса багатолопасний; 3 – ротор пластинчатий; 4 – ротор чашечний; 5 – ротор Дар’є – виражений; 6 – ротор Дар’є Δ – виражений; 7 – ротор з прямими криговими лопатями (Giromill); 8 – вітротурбіна з криволінійними пластинчатими лопатями; 9 – ротор Дар’є і ротор Савоніуса; 10 – ротор Савоніуса щілевий; 11 – ротор з використанням ефекту Магнуса; 12 – ротор з несущими паралельними поверхнями; 13 – вітроколесо з дефлекторним пристроєм; 14 – сонячно-вітровий пристрій; 15 – вітроколесо з трубою Вентурі; 16 – вітроколесо з вихровим пристроєм.

Рис. 2.1.2 Використання ефекту Магнуса у вітродвигунах:

1 – вплив вітру; 2 – підйомна сила (ефект Магнуса); 3 – сила опору; 4 – результуюча сила.

Рис. 2.1.3. Схематичне зображення вітроелектричної установки Мадараса:

1 – обертаючий циліндр; 2 – візочок; 3 – рельсова дорога; 4 – електрогенератор, який обертається від колеса візочка.

В ряді випадків ротор збільшує віддачу потужності при наявності направляючого дефлектора (див. рис. 2.1.1 (13) та ежектора у вигляді труби Вентурі (див. рис. 2.1.1 (15).

Відома також вітроустановка з ротором вертикально-вісевого обертання, яка розташована в трубі (або башні), в середині якої генеруються висхідні вихори (див. рис. 2.1.1 (14)). Одночасно в такій башні передбачається нагрівання повітря шляхом безпосереднього використання сонячного випромінювання або паливного топлива з наступним розширенням повітря. В результаті цього створюється ефект газової турбіни, який має місце на виході башні. З метою підвищення економічності ВЕУ з такими башнями і вітроприймачами, які працюють з використанням підйомної сили у вітровому потоці, останні повинні бути по можливості великої потужності: від 1000 до 20000 кВт. При цьому розміри вітротурбін обмежуються напругами, які з’являються в конструкції опорів, лопатей та других навантажених елементів. Тому вітроприймачі повинні мати по можливості меншу масу, а підйомна сила використовується як рушійна сила, щоб мати велику швидкохідність при великих значеннях коефіцієнта використання вітрової енергії.

Переваги, які забезпечують більш сильні та більш тривалі вітри, можуть бути реалізовані при розташуванні таких ВЕУ на береговій полосі водоймів або в прибережних водах. Вітроустановки башневого типу, які призначені для створення і використання вихорів з метою збільшення швидкості потоку і градієнта тиску в зоні вітроприйомного пристрою можна використовувати з врахуванням законів швидкості при вихроутворенні (див. рис. 2.1.1 (16) та рис. 2.1.4)

Рис. 2.1.4 Вихрові пристрої башенного типу, які діють при любому напрямку вітру:

1 – регулюємі вертикальні лопатки; 2 – лопатки закриті; 3 – трос, який прикріплений до землі; 4 – непереміщуєма опорно-направляюча конструкція; 5 – маховик; 6 – передача до генератора; 7 – підшипник; 8 – вихідний перетин турбіни; 9 – лопаті вітроколеса.