устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо , приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания. Историческая справка. Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Современные типы ветродвигателей. В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера). Барабанный и крыльчатый. Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис.1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает 50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет. S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис.2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика , который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно. Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 ? w/u ? 10).

Ветроэнергетикой интересуются многие. Причины такого интереса разные: для кого-то это одна из немногих возможностей обеспечить дом электричеством; кто-то рассматривает ветряк как резервный источник питания; другие хотят получить полную независимость от центральных электросетей. На сегодняшний день такая возможность есть – необходимо установить на участке ветрогенератор и не очень сложное вспомогательное оборудование. Однако некоторые нюансы все же есть, о которых следует знать заранее.

Кинетическая энергия ветра может быть преобразована как в электрическую, так и в механическую или тепловую энергию. Таким образом, при помощи ветра можно не только обеспечить дом электричеством, но и, к примеру, поднять воду со скважины, без промежуточной трансформации кинетической энергии ветрового потока в электрическую.

В том или ином случае понадобится ветроэнергетическая установка, включающая в себя ветродвигеталь, укомплектованный преобразователем энергии и аккумулятором. Преобразователем энергии могут быть электрогенераторы, гидронасосы, компрессоры. К примеру, если ветроэнергетическая установка будет служить только для полива, то нет смысла вначале получать электричество, а затем использовать его для питания электронасосов. Лишнее звено трансформации энергии снижает КПД ветроэнергетической установки. В хозяйственной практике в основном находят применение только два типа преобразователей – электрический и механический (для перекачки воды). В первом случае речь идет о накоплении электрической энергии, которая используется потребителями; во втором о ветронасосах, обеспечивающих необходимое давление в системах капельного орошения, дождевальных установок, бытовых водопроводах.

Типы ветродвигателей

Любой ветродвигатель имеет лопасти, которые, обладая парусностью, принимают на себя часть кинетической энергии ветрового потока. Форма этих лопастей и конструкция ветроколеса может быть разной. Различают три основных типа ветродвигателей: крыльчатые (похожие на пропеллер), роторные (карусельные) и барабанные. Наиболее распространены крыльчатые рабочие органы ветроколеса, ось вращения которых расположена горизонтально. Их доля составляет не менее 90% от общего числа ветродвигателей.

Именно такие «ветряки» в большом количестве можно встретить в Европе, и особенно в Нидерландах. Ветроэнергетические проекты этой страны, стартовавшие еще в средине прошлого века, уже многократно окупили себя. Вопреки расхожему мнению, что ветроэнергетическая установка не способна вырабатывать достаточное количество электроэнергии, адекватное затратам на ее установку и обслуживание, в Голландии целые поселки питаются исключительно от «ветряков». Одна мощная ветроэнергетическая установка способна обеспечить в полном объеме электричеством несколько сот(!) коттеджей. Ветродвигатель такой установки установлен на очень прочную и устойчивую конструкцию, в основе которой лежит заглубленная на 15-20 метров массивная железобетонная плита. Она, как корень дерева, удерживает высокую башню, внутри которой находится лестница, позволяющая обслуживать ветроагрегат. При этом не используются никакие растяжки.

Крыльчатые ветродвигатели состоят из ветроколеса, головки, механизма ориентации (хвоста) и башни (или мачты – в зависимости от размера).

Ветроколесо может быть оснащено от одной до восьми и более лопастей. В зависимости от их количества, ветродвигатели делятся на быстроходные (до 4 лопастей), средней скорости хода (4…8 лопастей) и тихоходные (от 8 лопастей).

Головка сконструирована таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг вертикальной оси башни. Ее форма зависит от мощности и назначения ветродвигателя – в свою очередь факторы, определяющие систему передаточного механизма, его конструкцию и число ступеней.

Хвост работает по принципу флюгера и разворачивает головку по ветру. Площадь его поверхности зависит от аэродинамических параметров лопастей ветроколеса.

Башня поднимает ветродвигатель выше всех препятствий, которые снижают напорный поток ветра, а также обеспечивает безопасность вращения лопастей. При скорости ветра превышающей 35-45 м/с срабатывает тормозная система, полностью останавливающая ветродвигатель.

Количество лопастей крыльчатого ветроколеса зависит от средней скорости ветра в районе установки ветроэнергетической установки. На открытых пространствах, морских и океанических побережьях используют малолопастные крыльчатые ветродвигатели, для запуска которых необходима минимальная скорость ветра 5-8 м/с. Это наиболее простые по конструкции ветродвигатели, имеющие высокий КПД, однако создающие немало шума.

В районах, где скорость ветра редко превышает 5 м/с, как правило, рекомендуют устанавливать многолопастные ветродвигатели. Они работают практически бесшумно, но также и имеют КПД ниже, чем малолопастные; кроме того, на изготовление многолопастных ветродвигателей уходит больше материалов, т.к. во время работы ветродвигатель данного типа испытывает повышенные гироскопические нагрузки.

Роторные ветродвигатели (они же карусельные) также имеют простую конструкцию, но обладают гораздо меньшим КПД - максимум 18%. Проблема их использования состоит еще и в том, что в них применяются довольно редкие многополюсные электрогенераторы. Роторные ветродвигатели имеют вертикальную ось вращения и лопасти, работающие по типу паруса. Одно из преимуществ такого типа ветродвигателей – отсутствие механизма ориентации. Вертикальная ось вращения позволяет безопасно использовать роторное ветроколесо при малой высоте башни. Такие ветродвигатели запускаются при малой скорости ветра и не шумят. Главный недостаток роторных ветродвигателей в малом коэффициенте использования ветра, поскольку в работе постоянно задействована только часть лопастей; остальные либо преодолевают сопротивление ветра, либо изолируются от него зонтом (кожухом).

За последнее десятилетие рынок ветроэнергетических установок (ВЭУ) существенно пополнился в первую очередь компактными моделями, которые могли бы найти применение в усадьбах и на фермах. Они рассчитаны на небольшую начальную скорость ветра 2,5…3 м/с и установку ветроагрегата на высоте 6…17 м. Номинальное количество электроэнергии вырабатывается уже при 6…8 м/с (скорость вращения ветротурбины 250…300 об/м.).

Ветрогенераторы в работе

Скорость ветра не является постоянной и поэтому получить от преобразователя «чистую» электрэнергию со стабильными параметрами не получается. Генератор, как правило, вырабатывает напряжение 0…56 В. Генерируемая «грязная» энергия аккумулируется батареями, которыми укомплектована ВЭУ, чем и обеспечивается бесперебойная работа системы. В период сильных ветров установка работает на пределе мощности и запасает энергию впрок, чтобы отдавать ее в безветрие или при слабом ветре. Нередко вместе с ветродвигателем используются солнечные батареи, которые обеспечивают заряд аккумуляторов в летний период, когда ветры особенно слабы.

Для преобразования постоянного тока аккумуляторов в переменный с параметрами 220В/50 Гц, ВЭУ оснащаются инверторами.

С целью преодоления пиковых нагрузок ВЭУ сочетают с вспомогательными источниками электроэнергии, такими как дизельные и бензиновые генераторы, а также (в качестве вспомогательной) централизованную электросеть.

Индивидуальные ветроэнергетические установки малой мощности постепенно становятся дешевле и эффективнее. Вместе с этим увеличиваются и перспективы их применения для частных домов и фермерских хозяйств. К примеру, для коттеджей в отдаленных районах немаловажно располагать автономной ветроэнергетической установкой мощностью 20-50 кВт, которая гарантирует работу основного электрооборудования при отсутствии всех иных источников.

Ветронасосы

Поднимать воду из глубины при помощи ветра люди научились давно, однако этот способ не забыт и сегодня, особенно там, где недоступны источники электроэнергии. Идея изобретения проста – использовать энергию ветра для привода водяного насоса.

Наибольшее распространение ветронасосы получили в США. Когда-то они решали судьбу экономики страны, а сегодня стали еще и неким культовым сооружением традиционной обстановки американского ранчо.

На постсоветском пространстве ветронасосы – большая редкость, хотя в период садово-огородного бума средины 80-ых их популярность возросла. Обстоятельства заставили. В наши дни также складываются предпосылки к обращению к уже позабытым «Ромашкам» и «Водолеям», поскольку доля электроэнергии в себестоимости овощной продукции растет из года в год.

Ветромеханический агрегат «Ромашка» был разработан НПО «Ветроэн». Впревые его чертежи были опубликованы в журнале «Моделист-конструктор» в 1988 году, в котором излагалось руководство по самостоятельному изготовлению ветронасоса.

Оба агрегата имеют максимально упрощенную конструкцию. Они предназначены для всасывания воды с глубины до 8 м и работают уже при скорости ветра 3 м/с. Ветроколесо «Ромашки» имеет 12 лопастей и приводит в движение диафрагму насоса посредством кулочково-рычажного механизма с вертикальной тягой, проходящей внутри опоры ветродвигателя.

При скорости ветра 5 м/с ветронасос «Ромашка» поднимает 8-метровой глубины до 300 литров воды в час, и способен доставить ее на высоту до 10 метров. В паре с системой капельного полива данный агрегат предоставляет реальную возможность возделывания огородных культур на отдаленных участках, при наличии там водоема или скважины глубиной до 8 метров.

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам : геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.

Сопротивление набегающему потоку ветра характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное.

ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса.

ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые - в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рис. 15.

Они делятся на две группы:

Крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (б ÷д);

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (а) и ортогональные (е)).

Типы крыльчатых ветродвигателей различаются только количеством лопастей.

Крыльчатые ветродвигатели. Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения.

Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ветродвигателей значительно выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Мультипликатор является редуктором, повышающим скорость вращения вала электрогенератора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные ветродвигатели. Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора, работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов неэффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем, «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Карусельный лопастной ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные ветродвигатели. Ортогональные ветроагрегаты наиболее перспективны для большой энергетики. Сегодня при использовании ортогональных ветроагрегатов имеются определенные трудности, одной из которых является проблема их запуска.

В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. тип е, рис. 15). Самолет, прежде чем «опереться» на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.

устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Историческая справка. Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Современные типы ветродвигателей. В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Барабанный и крыльчатый. Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.
S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Р€ w/u Р€ 10).
ЛИТЕРАТУРА
Ветроэнергетика. М., 1982 Ярас Л. и др. Энергия ветра. М., 1982

Содержание статьи

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат – колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Историческая справка.

Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.

Современные типы ветродвигателей.

В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей – барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).

Барабанный и крыльчатый.

Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления – лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ~50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.

S-образный ротор.

Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920–1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.

Коэффициент использования энергии ветра.

Мощность, получаемая от ветра, обычно мала – менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением

N = 0,0000446 V 3 (м/с).

Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u ; значение этого соотношения w /u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5–10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w /u = 2,5) до 35–40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w /u Ј 10).