В контакте

Сравнение ветрогенераторов

Для примера я хочу сравнить два вида самых простых и распространенных видов ветрогенераторов. Первый вертикальный типа Савониус, и обыкновенный пропеллерный. Почему-же мощность этих типов и их обороты существенно отличаются. А дело в том что вертикальный ветрогенератор использует силу напора ветра, а пропеллер так называемую подъемную силу, которая возникает в силу возрастания давления в точке где проходит прямой поток воздуха сквозь лопасти, и тот, что отражается от лопасти.

Принцип работы вертикального ветрогенератора типа Савониус

Но обо всем по порядку, и так как-же работает вертикальный ветрогенератор самого простого типа. Его можно назвать по разному, но это по сути будет Савониус. Вращение ротора основано на разности давлений ветра на лопасти. Можно себе представить ротор подобного ветрогенератора. Ветер налегает на лопасти и давит, вогнутая лопасть задерживает поток воздуха и его кинетическая энергия давит на эту лопасть, а та лопасть что возвращается имеет выпуклую форму по отношению к ветру и поток ветра просто с нее сваливается. Поэтому возникает разность давления.

Чем сильнее ветер тем больше разность давления и следовательно мощность ротора растет и обороты тоже. Но обороты не могут превысить скорость ветра, так-как толкать тогда ветер не сможет лопасть. Самые большие обороты могут только приблизится к скорости ветра, но не могут достигнуть ее так-как возвращающиеся лопасти тоже испытывают давление. И при максимальных оборотах ротор имеет КПД 0% , так-как вся энергия уходит на раскрутку ротора. Но при нагрузке обороты ротора падают и пропорционально падению оборотов растет и мощность на валу. Максимальная мощность достигается при скорости вращения в два раза меньшей скорости ветра. Например если скорость ветра 10м/с то максимальная мощность будет на валу при скорости движения конца лопасти 5м/с. Если-же обороты увеличиваются, то мощность падает, а если обороты под нагрузкой падают, то ветер просто не успевает проваливаться и набегает как ком на лопасть, этот ком ветра быстро увеличивается, и новые порции ветра натыкаясь на ком расходятся в стороны, так отражается большая часть энергии ветра и в итоге на роторе существенно падает крутящий момент.

Ветер действующий на ротор ветрогенератора

Линиями показано направление ветра действующее на лопасти

Принцип работы горизонтального ветряка ("пропеллера")

Принцип работы классического винта в корне отличается от работы вертикального ротора. Можно так-же представить себе вращающийся винт и набегающий поток ветра на лопасти. Когда ветер набегает на лопасть, то этот ветер отражается от нее и под углом выбрасывается в сторону позади лопасти. Но в это -же время сквозь лопасти так-же идет и прямой поток воздуха. При столкновении двух потоков образуется давление, которое и выталкивает лопасть. Чем больше образуется давление тем сильнее оно выталкивает лопасть. Таким образом обороты лопасти не привязаны к силе ветра, а зависят от давления созданного на стыке двух потоков ветра.

Таким образом скорость вращения кончика лопасти может превышать в разы скорость ветра. И так-же здесь кроется ответ "Почему маленькие лопасти работают лучше чем огромные". А все потому что в создании давления участвует весь поток ветра попадающий в плоскость вращения винта. И через узкие лопасти может проваливаться больше воздуха не задерживаясь а лишь отработав доли секунды. Так-же аэродинамически тонкие лопасти дают меньшее лобовое сопротивление потоку в плоскости вращения.

Здесь получается наоборот, мощность винта растет с ростом оборотов, чем быстрее лопасть вращается тем больше ветра она отражает за единицу времени. Давление растет еще больше и сильнее выталкивает лопасть. Теоретически этот рост оборотов давления и мощности бесконечен если бы не другие факторы, которые все ограничивают. Так например когда ветровой поток не успевает проваливаться то спереди винта нарастает воздушная подушка, с которой сваливается основной поток ветра в стороны, следовательно мощность ветра просто сваливается с подушки в стороны и винту перепадает очень мало энергии.

Например у много-лопастных винтов предел давления наступает очень быстро, поэтому они менее оборотистые. Так-же кроме превышения давления лопасть вращаясь попадает в зону повышенного давления созданного впереди идущей лопастью и это давление тормозит лопасть, поэтому чем больше лопастей тем сильнее происходит торможение.

Самые эффективные одно-лопастные винты, так-как лопасти при вращении не мешает повышенное давление от впереди идущих лопастей, а только сопротивление потока, но конечно до того момента пока лопасть не упирается в давление созданное ей самой. Поэтому обороты у этих винтов самые большие, но тоже имеют свой придел. Так-же этот придел наступает когда давление достигает большой величины и поток воздуха не успевает проваливаться через винт и нарастает воздушной шапкой на винте, в следствие чего новые порции воздуха натыкаясь на эту подушку расходятся в стороны.

Ветер действующий лопасть

На рисунке показано как дует ветер и где образовывается зона давления на лопасть

Подгонка ветроколеса к генератору

По вышеописанным принципам и причинам вертикальный и горизонтальный винты работают по совершенно разным принципам. Но самое главное это когда винт хорошо подогнан к генератору. Например если в случае вертикального ветрогенератора поставить слишком мощный генератор, то ротор не выйдет на обороты с максимальным КПД и будет большой недобор мощности из-за того что сильно заторможенный ротор не будет успевать переваривать поток ветра и спереди винта образуется ветровая шапка, которая будет отражать основной поток ветра.

Если-же поставить слабый генератор, то ротор будет набирать большие обороты и в следствии чего мощность будет падать, так-как чем быстрее лопасть вращается тем меньше на нее давит напор ветра, она же уходит от него. В итоге небольшой прирост оборотов, но дальше мощность падает и даже под небольшой нагрузкой обороты все равно не растут.

Так-же, но наоборот с горизонтальным винтом. Если генератор слишком мощный, то винт не сможет выйти на максимальные обороты и следовательно не сможет от ветра получить всю возможную мощность. Обороты даже при усилении ветра не будут дальше расти, а набегающий поток будет просто срываться с медленно вращающейся лопасти. А если генератор слабый, то обороты винта будут всегда на пределе, а значит точка максимального давления будет превышена и лобовое сопротивление вращающихся лопастей не позволят оборотам расти и мощность винта упадет, в итоге из-за предела по оборотам мощности не будет расти.

Поэтому в обоих случаях нужно чтобы мощность генератора четко соответствовала мощности и о оборотам винта при разной скорости ветра. Например если пропеллер диаметром 1,2м при 5м/с имеет 500 об/м, и мощность на валу около 40 ватт, то генератор нужен чтобы на 500 об/м нагружал винт не более 35ватт, и не менее 30 чтобы впустую не тратить энергию винта. Так-же при больших оборотах, к примеру тот-же винт при 10м/с выдаст около 400 ватт энергии на валу при оборотах где-то 1200об/м, значит и генератор должен на этих оборотах нагружать не более 350 ватт. Если учесть что КПД генератора где-то 0,8 то реально электрическую мощность можно ожидать около 300 ватт на 10 м/с.