Ветроэнергетика. Теория

Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Средне-кубическая скорость ветра в 4 - 5 метров в секунду характерна для большинства промышленных районов. Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. И, кроме того, значительное количество безветреных дней. ВЭУ в России в основном будут работать треть или половину времени.

Ветрообильные районы - это прибрежные территории, расположенные вдоль морей и крупных озер. Побережье Северного Ледовитого океана, побережье Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но мало обжиты и поэтому создание ветроустановок, ветропарков представляет там сложности.

К районам, благоприятным для размещения ветряков, можно, пожалуй отнести несколько километров побережья в Ленинградской области вокруг Финского залива и Ладожского озера. Морское побрежье Ростовской области и Краснодарского края. Приморский край (район Владивостока). Перспективны ветрозапасы в Мурманской и Архангельской областях, но там более суровые условия для исполнения проектов ветропарков.

Домашний умелец может прикинуть мощность ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра. При среднегодовой скорости в 3,5 м/с характерной для континентальной части России, можно принять, что среднеэнергетическая (среднекубическая) скорость составит около 5 м/с. А ветряк будет работать треть всего времени.


Мощность воздушного потока, давящая на площадку, расположенную перпендикулярно к ветру, равна

P=0.6 x S x V x V x V,
где S - площадь площадки в метрах квадратных
V - скорость ветра в м/сек.
Кроме того, необходимо учитывать встречное давление ветра на вторую лопасть, расположенную с другой стороны вала.

«Есть случаи, когда вертикальная ось вращения перевешивает все остальные недостатки, но в целом будущее за пропеллерами - покажите мне промышленный современный большой ветряк на "бочках"? С пропеллерного ветродвижителя реально снять порядка 50-54% энергии потока, при теоретическом максимуме в 59%, а с бочек будешь неимоверно рад уже при 30%.»

Теоретический максимум, равный 0,593, вывел Жуковский Н.Е. в 1920 году. Это максимальная мощность, которую можно получить от установки, помещенной в неограниченный поток. Неважно, в воздух или в воду. Статья Жуковского «Ветряная мельница типа НЕЖ. Статья третья.» была посвящена пропеллерным ветрякам, но данный теоретический вывод сделан безотносительно к какой-либо конкретной конструкции. То есть 0,593 – это не максимальный КИЭВ пропеллера, а максимальный КИЭВ некой еще не изобретенной идеальной ветро- или гидроустановки. Максимальный КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра) достигнутый с помощью пропеллера равен примерно 0,43. Так что пропеллер не является идеальным улавливателем энергии свободного потока. Но из всех существующих конструкций он имеет максимальный КИЭВ на настоящий момент, потому что физика его работы близка к идеальному ветряку.

А вот различные виндроторы, карусельные установки по сути дела эквивалентны парусу, который в рабочий ход движется, увлекаемый ветром, а на обратном пути с минимальными потерями возвращается назад. Так вот, парус имеет предел КИЭВ примерно в 0,197. Почему примерно? Потому, что теоретическое значение равно 0,147 умноженное на коэффициент лобового сопротивления. А коэффициент лобового сопротивления максимален у «тазика» отверстием навстречу потоку.

В интернете часто можно встретить утверждения, что парус - самая совершенная ветровая машина. Нет, это не так. Предел паруса - 0,197. Карусельные установки из-за потерь на обратном пути обеспечивают КИЭВ около 0,15, а виндроторы около 0,15. Самая совершенная ветровая машина на настоящий момент – это пропеллер.

Может ли тогда парус тягаться с пропеллером? Как ни странно – может. Пропеллер имеет в 3 раза лучший КИЭВ, чем у парусных установок. Но это если говорить об идеальных пропеллерах. Если же говорить об самодельных пропеллерах, то их КИЭВ достигает 0,3 – 0,35 при тщательном выполнении. (При плохом 0,2, а то и 0,1) И разница по КИЭВ между парусными и пропеллерными установками сокращается до 2 раз.

Если взять 2 метровый в диаметре пропеллер, то у него сложность конструкции должна быть точно такая же, как и у большого ветряка: слежение за ветром, защита от резких поворотов по ветру, ограничители максимальной скорости вращения, узел защиты от шторма. То есть, пропеллерный ветряк любого диаметра состоит из десятков, а то и сотен деталей. Парусная установка такой же мощности имеет два –три паруса размером 3 на 3 метра каждый и вертикальную ось, насаженную на тихоходный генератор, оттяжки от верхнего подшипника. Пропеллерный ветряк сможет сделать далеко не каждый самодельщик, а парусную установку – многие, причем КИЭВ парусной установки от кустарного изготовления не пострадает особенно. Сколотить виндротор из фанеры и брусков – такая задача по плечу человеку владеющему только молотком. Парусные установки – тихоходны, поэтому аэродинамическое совершенство форм здесь не так принципиально. А самое главное, что надо сказать, современные быстроходные пропеллеры очень шумны. Постепенно приходит понимание, что шум – такая же экологическая опасность, как и разные другие. Поэтому, по крайней мере рядом с населенными пунктами, ветряки будут ставить тихоходные (они меньше шумят). Пропеллеры будут медленными, многолопастными, с КИЭВ около 0,3, поэтому парусные установки вполне могут с ними посоревноваться.

Какой же вариант ветряка наилучший? Быстроходность является оптимальной при максимально возможном количестве лопастей. Трудность с большим количеством лопастей в том, что они должны быть очень узкие или быть очень тихоходными (или оба условия вместе). Совершенный ротор ветротурбины имеет бесконечное количество бесконечно узких лопастей.

Как только вы выбрали форму лопасти в плане, количество лопастей будут продиктованы быстроходностью Z.



Для уменьшения шума высокоскоростных лопастей их кончики заостряют.