2.2. Особливості вертикально – вісьових двигунів
Вітрові установки з вертикальною віссю обертання можуть використовувати як силу опору, так і під’ємну силу. Внаслідок своєї геометрії вони знаходяться у робочому положенні при будь-якому напрямку вітру. Основними елементами вітродвигуна з вертикальною віссю (рис. 2.2.1) являється ротор 1, механічна трансмісія 2, перетворювач енергії 3 та користувач 4.
Основними характеристиками вітроколеса являється коефіцієнт використання енергії вітру, швидкохідність або число модулів z, момент на валу М, потужність N, частота обертання n [2].
Рис.2.2.1 Основні елементи вертикально-осьового вітродвигуна:
1-роотор; 2-механічна трансмісія; 3-перетворювач енергії; 4-споживач.
Частина повної енергії потоку Е, яка сприймається вітроколесом, і яку вітродвигун перетворює в механічну енергію Еву, оцінюється коефіцієнтом ξ використання енергії вітру.
(2.2.1)
Важливою характеристикою вітроколеса являється його швидкохідність, або число модулів Z:
(2.2.2)
де ω – кутова швидкість; R – радіус вітроколеса; V – швидкість вітру перед вітроколесом.
У кращих швидкохідних колес значення ξmax доходить до 0,45÷0,48, а у тихохідних ξmax = 0,35- 0,38.
Як показує досвід, використання вітроустановки з вертикальною віссю обертання має ряд суттєвих переваг відносно до вітроустановок з горизонтальною віссю обертання: відсутність необхідності орієнтації на вітер, спрощується конструкція механізму передач, знижуються допустимі навантаження на лопаті, спрощується їх використання.
На Україні фірмою «Енергетичні системи і обладнання» (м. Дніпропетровськ) розроблені вітроустановки «ECO – 0420 та ECO – 0020» ортогональної конструкції (з вертикальною віссю обертення) з відповідною потужністю 420 та 20 кВт. Принцип їх роботи базується на використанні під’ємної сили прямих лопатів навколо вертикальної віссі.
Вітроелектрична установка «ECO – 0020» призначена для перетворення енергії вітрового потоку в електричну енергію промислової частоти і може бути використана для енергозабезпечення невеликих сільськогосподарських та промислових підприємств, інших приміщень, військових частин та інших споживачів, установка може працювати в автономному режимі без обслуговуючого персоналу в місцях, віддалених від електричних мереж. Лопаті вітрової турбіни з профілем NACA-0020 виготовлені із алюмінієвого сплаву, мають довжину 5 метрів, застосовується асинхронний генератор з частотою 50 Гц. Робочий діапазон вітрів 5-20 м/с.
В Сумському державному університеті проведений великий комплекс експериментальних досліджень. Відомо, що здійснити акумулювання теплової енергії значно простіше та дешевше, ніж акумулювання електричної енергії. Вже розроблена конструкція теплоакумуляторного агрегата ТАВ (діаметр вітроколеса 3 м , число лопатів - 3). Система перетворення енергії складається з синхронного генератора, інвертора, блоку електронного регулювання та теплоелектронагрівача.
Вертикально вісьові вітродвигуни (ВД) за принципом дії умовно можна поділити на дві групи [1]. До першої групи відносяться вітродвигуни, обертання яких з’являється в наслідок різниці опору лопатей при їх переміщенні за вітром та проти вітру. Такими ВД являються чашечковий ротор, турбіни Савоніуса і Лафонда, ротори з екраном аба шарнірно закріпленими лопатями та інші.
Вітродвигуни, які використовують різні опори лопатей, являються тихохідними, оптимальна швидкість кінця лопаті складає приблизно 1/3 швидкості вітру, вони, як правило, мають низький (близько 0,3) коефіцієнт використання енергії вітру. Використання таких вітроагрегатів має ряд серйозних недоліків, наприклад, їх застосування для отримання електроенергії потребує складного механічного та електричного обладнання.
Разом з тим ВЕУ такого типу мають здатність до самозапуску, в них менші втрати енергії в опорно-ходових вузлах, вони більш простіші при використанні та ремонті. Деяке підвищення енергетичної ефективності тихохідних ВУ досягається за допомогою ряду спеціальних мір (зниження парусності, екранування, магнітна подушка та інше).
До другої групи вітродвигунів з вертикальною віссю обертання відносяться різноманітні ротори типу Дар’є (з прямими, нахиленими та зогнутими лопастями), а також вітродвигуни з періодично змінюваним кутом установки лопатей. Обертаючий момент на такому роторі створює аеродинамічні («тягнучі») сили, які з’являються при обтіканні повітряним потоком крилового профілю.
Вітродвигуни такого типу мають високу швидкохідність (лопаті переміщаються в 2–4 рази скоріше вітру). Це являється суттєвою перевагою при використані ВЕУ для вироблення електроенергії. Вони мають низьке значення коефіцієнта затінення (σ<0,3) та достатньо високий коефіцієнт Cp використання енергії вітру (Сp=0,3–0,4). Суттєвим недоліком являється те, що на необертаючому роторі Дар’є момент зрушання з місця практично дорівнює нулю, а це потребує спеціальних систем запуску.
Разом з тим конкурувати з кращими на сьогоднішній день вітроагрегатам пропелерного типу (з горизонтальною вісю обертання) можуть лише ротори Дар’є. Останні порівняно прості за конструкцією, не потребують додаткових механізмів орієнтування на вітер та обмеження розвиваючої потужності на швидкостях, які перевищують розрахункові. Крім того, при використанні таких ВУ для роботи в енергосистемах простіше вирішується задача створення машин мегаватного класу.
Все це визначає на сьогоднішній день зростаючий інтерес до ортогональних вітродвигунів та необхідність створення відповідних математичних моделей для розрахунків їх аеродинамічних характеристик.