2026-07-10 13:32:33
By
За прошедшие годы ветропарки распространились по всему миру. Внимание почти всех приковано к трем культовым лопастям ветротурбин с горизонтальной осью вращения. И это неспроста: крупные ветротурбины с горизонтальной осью вращения обеспечивают впечатляющую мощность и высокую эффективность, являясь основой для ветроэнергетики, подключенной к сети.
Однако не на каждой площадке можно установить стометровую башню с горизонтальной осью вращения. Крыши городских зданий, морские плавучие платформы, отдаленные форпосты — в таких условиях ветряная турбина с вертикальной осью вращения (VAWT) начинает демонстрировать свои уникальные преимущества.
В последние годы вертикально-осевые ветротурбины (VAWT) вновь привлекли к себе внимание. Не потому, что они превосходят горизонтально-осевые ветротурбины (HAWT) по абсолютным показателям, а потому, что они проще в эксплуатации и лучше адаптируются.
В этой статье подробно рассматривается наиболее важный компонент любой вертикально-осевой ветротурбины — лопасти — и анализируется современное состояние технологий.
Будем откровенны: вертикально-осевая ветротурбина не может сравниться по эффективности выработки электроэнергии с горизонтально-осевой ветротурбиной с эквивалентной площадью ометания. Но ее преимущества заключаются в другом.
Генератор, редуктор и другие тяжелые компоненты могут быть размещены на уровне земли или на небольшой высоте. Башня не должна выдерживать огромные изгибающие моменты, и ремонтным бригадам никогда не приходится подниматься на стометровые конструкции. Уже одно это значительно снижает эксплуатационные расходы. Благодаря меньшему количеству движущихся частей по сравнению с горизонтально-осевой ветротурбиной, вертикально-осевая ветротурбинная система по своей природе более надежна.
Направление ветра в городских условиях постоянно меняется. Вертикально-осевая ветротурбина (HAWT) требует механизма рыскания для отслеживания ветра, и эти системы со временем часто выходят из строя. Вертикально-осевая ветротурбина (VAWT) принимает ветер с любого направления без разбора — нет потери устойчивости к рысканию и нет отказов, связанных с рысканием.
Коэффициент быстроходности (TSR) вертикально-осевой ветротурбины значительно ниже, чем у горизонтально-осевой ветротурбины. Низкая скорость вращения означает низкий уровень шума — достигается практически бесшумная работа. В частности, в проектах, интегрированных в здания, вертикально-осевая ветротурбина работает тише, и ее форма более естественно вписывается в архитектурную среду.
Таким образом, вертикально-осевые ветротурбины (VAWT) не призваны заменить горизонтально-осевые ветротурбины (HAWT). Они нашли свое место в новых сценариях применения — распределенная генерация, плавучие морские ветроэлектростанции и городские микросети.
Лопасти — это сердце вертикально-осевой ветротурбины. В зависимости от принципа работы они делятся на две категории: подъемного и тормозного типов. Разница в их характеристиках существенна.
Прочность: параметр, определяющий поведение лопастей.
Прежде чем перейти к сравнению, следует отметить один ключевой параметр, определяющий характеристики лезвия: плотность (σ).
σ = N × c / D
где N — количество лопастей, c — длина хорды лопасти, а D — диаметр ротора. Коэффициент заполнения напрямую определяет диапазон рабочих параметров ротора Cp–TSR:
Высокая плотность (σ > 0.4): низкое сопротивление вращающемуся диаметру, легкий самозапуск, более низкий коэффициент полезного действия — отличительная черта роторов фрикционного типа.
Низкий коэффициент заполнения (σ < 0.2): высокое значение TSR, высокая эффективность, но плохой самозапуск — отличительная черта роторов подъемного типа.
По сути, коэффициент заполнения, удельная скорость потока и коэффициент сопротивления трению образуют трехстороннюю взаимосвязь. Как только вы это поймете, вы поймете принципиальную разницу между лопатками подъемного и тормозного типов.
Лопасти, создающие подъемную силу, напоминают крылья самолета. Когда ветер обтекает поверхность лопасти, разница скоростей воздушного потока между верхней и нижней поверхностями создает перепад давлений, генерируя подъемную силу. Тангенциальная составляющая этой подъемной силы приводит в движение ротор.
Выбор профиля крыла: серия NACA 00xx
Для вертикально-осевых ветротурбин H-типа наиболее часто используются симметричные профили лопастей серии NACA 00xx — такие как NACA 0012, 0015 и 0018. Двузначное обозначение указывает на отношение толщины к хорде в процентах. Более толстый профиль обеспечивает лучшую структурную целостность за счет незначительного снижения аэродинамической эффективности; более тонкий профиль обеспечивает лучшее отношение подъемной силы к сопротивлению, но требует более высокой точности изготовления. Выбор зависит от диапазона рабочих чисел Рейнольдса и масштаба ротора: для небольших турбин обычно используются профили NACA 0012–0015, в то время как для средних и крупных турбин предпочтение отдается профилям NACA 0018–0021 для повышения структурной надежности.
Конфигурация H-типа
Наиболее распространенной конфигурацией подъемника является Н-образная, в которой несколько прямых лопастей соединены с центральным валом посредством горизонтальных опорных рычагов, образуя при взгляде сверху букву H.
Количество лезвий имеет значение
Количество лопастей напрямую влияет на характеристики вертикально-осевых ветротурбин подъемного типа: двухлопастная конфигурация является самой простой и дешевой, но требует строгой динамической балансировки и страдает от высоких пульсаций крутящего момента, что делает ее склонной к вибрации. Трехлопастная компоновка является основным выбором — хорошая динамическая балансировка, низкие пульсации крутящего момента и оптимальный компромисс между эффективностью и стабильностью. Четыре или более лопастей дополнительно увеличивают коэффициент жесткости, обеспечивая более плавный крутящий момент, но при этом снижая коэффициент мощности. Подавляющее большинство коммерческих мало- и среднегабаритных H-образных турбин используют трехлопастную компоновку.
Преимущества: высокая эффективность
При обсуждении теории часто упоминают предел Бетца в 59.3%. Это теоретический потолок, который никогда не достигается на практике. Фактические турбины H-типа, используемые в полевых условиях, достигают коэффициента мощности Cp примерно от 0.25 до 0.35 при номинальной скорости ветра. Оптимизированные конструкции могут превышать 0.35 в идеальных условиях, а несколько лабораторных прототипов приблизились к 0.40 при оптимальном коэффициенте TSR.
В реальных условиях эксплуатации лучшие горизонтально-осевые ветротурбины (HAWT) достигают коэффициента полезного действия Cp приблизительно 0.50, в то время как теоретический максимум для вертикально-осевых ветротурбин подъемного типа составляет около 0.40. Однако, учитывая преимущества вертикально-осевых ветротурбин в сложных ветровых условиях — меньшую уязвимость к экстремальным погодным явлениям, таким как тайфуны, отсутствие потерь на рыскание и более низкие затраты на установку и техническое обслуживание — разрыв в эффективной генерирующей мощности между ними значительно сокращается в определенных сценариях эксплуатации.
Недостаток: низкая инициативность.
У турбин подъемного типа есть один существенный недостаток — при низких скоростях ветра они просто стоят на месте. Лопасти сначала должны быть разогнаны до определенной скорости вращения, прежде чем они смогут создать достаточную подъемную силу для поддержания вращения. Именно поэтому многие турбины подъемного типа либо оснащены небольшим пусковым двигателем, либо имеют гибридную конструкцию, в которой добавлен набор лопастей, создающих сопротивление в фазе запуска.
Лопасти тягового типа по своей сути гораздо проще — как ветряная мельница или анемометр: ветер приводит их во вращение непосредственно.
Савониус (S-тип)
Классическая конфигурация — это ротор Савониуса, в котором две полуцилиндрические лопасти смещены относительно центральной оси, образуя S-образную форму при взгляде сверху. Его работа основана исключительно на сопротивлении воздуха: вогнутая поверхность улавливает тягу ветра, в то время как выпуклая поверхность на противоположной стороне испытывает меньшее сопротивление — результирующий крутящий момент от этой разницы приводит к вращению. Благодаря своей простой конструкции и отсутствию сложных аэродинамических поверхностей ротор Савониуса может надежно работать при ветре всего 1.5–2 м/с.
Спиральная (горловского типа)
Существует также винтовой тип, в котором лопасти закручиваются вдоль оси. Он обеспечивает исключительно плавное вращение и впечатляющий внешний вид.
Преимущества: Адаптивный дизайн
Начальная скорость ветра исключительно низкая — ротор начинает вращаться при порывах всего 1.5–2 м/с. Уровень шума минимальный, а конструкция безопасна для птиц.
Недостаток: низкая эффективность.
Традиционные роторы с тормозным сопротивлением (например, классический ротор Савониуса) обычно достигают коэффициента полезного действия всего 0.15–0.18. Оптимизированные конструкции со спиральными или изменяемой геометрией могут достигать 0.20–0.25. Это делает турбины с тормозным сопротивлением непригодными для крупномасштабной генерации электроэнергии, но в тех областях применения, где абсолютная эффективность не является приоритетом — небольшие автономные системы электроснабжения, системы, интегрированные в здания, — они оказываются более практичными, чем показывают их показатели.
Инженеры всегда стремились к сочетанию лучших качеств двух типов лопаток: высокой эффективности лопаток подъемного типа и способности к самозапуску лопаток тормозного типа. Решение? Гибридные конструкции.
Распространенный подход заключается в добавлении комплекта тормозных лопастей либо внутри, либо снаружи подъемных лопастей H-образного типа. При низкой скорости ветра тормозные лопасти берут на себя управление и разгоняют ротор до нужной скорости. Как только скорость вращения становится достаточной, подъемные лопасти начинают эффективно вырабатывать электроэнергию.
Другой подход использует лопасти со спиральной закруткой, которые при низких скоростях ветра проявляют характеристики, связанные с сопротивлением, а при более высоких скоростях переходят к характеристикам, связанным с подъемной силой.
Естественно, гибридные конфигурации сложнее и дороже. Но на участках со сложными ветровыми условиями они часто обеспечивают превосходные общие характеристики.
Независимо от типа, мощность, которую может выработать ветровой ротор, определяется одним универсальным уравнением:
P = 0.5 × ρ × A × V³ × Cp
ρ — Плотность воздуха, приблизительно 1.225 кг/м³ на уровне моря.
А — Площадь ометания. Для вертикально-осевой ветротурбины наиболее распространенное выражение — диаметр ротора × высота ротора.
V³ — скорость ветра в кубе. Удвойте скорость ветра, и вы получите в восемь раз большую мощность.
Cp — Коэффициент мощности, значения которого обсуждались в предыдущих разделах.
Расчет площади стреловидности несколько различается в зависимости от конфигурации. Для ротора H-типа: площадь стреловидности = диаметр × высота стреловидности. Для ротора Φ-типа (Даррие): площадь стреловидности ≈ 0.65 × высота × максимальный диаметр — приблизительная поправка, основанная на типичной кривизне профиля лопатки.
Пример решения задачи
Рассмотрим вертикально-осевую ветротурбину H-типа с диаметром ротора 3 м и высотой стреловидности 3.5 м. Площадь стреловидности A = 3 × 3.5 = 10.5 м². При номинальной скорости ветра 10 м/с и при условии Cp = 0.30:
P = 0.5 × 1.225 × 10.5 × 10³ × 0.30 ≈ 1,930 Вт
Это турбина, приближающаяся к классу 2 кВт в номинальных условиях. При расчете реальной выходной мощности необходимо также учитывать КПД генератора (обычно 85–93%), потери в линии электропередачи и присущую ветровым условиям изменчивость. Этот пример также объясняет, почему для достижения мощности 5 кВт вертикально-осевой ветротурбине необходима площадь ометания не менее 20 м².
В развитии вертикально-осевых ветротурбин заслуживают внимания два направления:
В глубоководных зонах сосредоточены обильные ветровые ресурсы, но глубина воды исключает возможность использования свайных фундаментов — жизнеспособными являются только решения с плавучими платформами. Низкий центр тяжести вертикально-осевой ветротурбины обеспечивает ей гораздо лучшую устойчивость, чем горизонтально-осевой ветротурбине на волноустойчивой платформе, а доступ для технического обслуживания значительно упрощается.
Встроенные в здание фотоэлектрические системы в сочетании с вертикально-осевыми ветротурбинами, накопителями энергии и контроллером микросети могут превратить отдельное здание в автономный энергетический блок.
Международные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы последних лет предоставляют ценные ориентиры. В сфере плавучих морских ветроэнергетических установок шведская компания SeaTwirl в 2015 году успешно развернула свой прототип плавучей вертикально-осевой ветротурбины S1 мощностью 30 кВт, подтвердив преимущество в устойчивости конструкции с низким центром тяжести на плавучей платформе. Детальная разработка проекта для ее установки S2 мощностью 1 МВт завершена. Компания FlowGen (Швейцария) внедрила компактные вертикально-осевые ветротурбины в многочисленные проекты распределенной энергетики по всей Европе.
Китайские производители не отстают в производстве маломощных генераторов постоянного тока или в процессах изготовления лопастей. Разрыв заключается в двух основных областях: во-первых, в нехватке данных длительных полевых испытаний в различных условиях для подтверждения надежности системы; и во-вторых, в необходимости улучшения интеграции на системном уровне — в частности, в согласовании лопастей, генератора и контроллера. Вместо того чтобы гнаться за отдельными прорывами, более прагматичный путь заключается в том, чтобы сначала сделать системы вертикально-осевых ветротурбин мощностью 5–50 кВт действительно надежными.
Прекрасно спроектированный комплект лопастей ничего не значит, если он плохо согласован с генератором. Это наиболее часто упускаемое из виду звено в практической инженерной работе.
Крутящий момент
Генераторы с постоянными магнитами обладают присущим им пульсирующим моментом между магнитами ротора и пазами статора. Этот резистивный момент накладывается непосредственно на пусковой момент ротора во время фазы запуска. Если генератор с постоянными магнитами имеет высокий пульсирующий момент (например, конструкция с небольшим количеством пазов и малым воздушным зазором), фактическая скорость ветра при включении системы может увеличиться с теоретических 2–3 м/с до 4–5 м/с. В регионах с низкими ветровыми ресурсами это фатально — система может вращаться целые дни, не генерируя энергию. Для низкоскоростных систем с вертикально-осевыми ветрогенераторами с прямым приводом при выборе генератора с постоянными магнитами необходимо отдавать приоритет многопазовым конфигурациям с соответствующим расширением воздушных зазоров для минимизации пульсирующего момента.
Согласование кривых скорости и мощности
Лопасти работают в оптимальном диапазоне TSR при номинальных условиях (обычно 2.5–3.5 для конструкций подъемного типа). Соответствующая номинальная частота вращения должна попадать в зону высокой эффективности генерации генератора (обычно 80–120% от номинальной скорости). Несоответствие может означать, что лопасти достигают номинальной скорости ветра, в то время как генератор все еще работает ниже номинальной частоты вращения — что приводит к недостаточной генерации — или генератор преждевременно переходит в режим постоянной мощности, когда лопасти еще не раскрыли свой полный потенциал. На этапе проектирования системы настоятельно рекомендуется провести перекрестную проверку кривой Cp–TSR лопастей по отношению к кривой зависимости эффективности генератора от скорости вращения.
Прямой привод против редуктора
Вертикальные ветротурбины работают на относительно низких скоростях (малые и средние агрегаты обычно 100–250 об/мин). Генератор с прямым приводом и постоянными магнитами (PMG) исключает механические потери и риски отказов, связанные с редуктором, но требует большего количества пар полюсов для достижения номинальной мощности на низких оборотах, что увеличивает размер и стоимость двигателя. Добавление редуктора позволяет использовать более компактный высокоскоростной генератор, но требует обслуживания редуктора. В настоящее время прямой привод доминирует в системах мощностью менее 10 кВт, в то время как в диапазоне 10–50 кВт сосуществуют оба подхода, и выбор зависит от приоритетов заказчика в отношении надежности и стоимости.
Технология вертикально-осевых ветротурбин (VAWT) за последние годы значительно продвинулась, и особенно заметным стало развитие лопастей. Гибридные конструкции эффективно объединили преимущества лопастей подъемного и тормозного типов.
В основе технологии никогда не лежит вопрос абсолютного добра или зла — речь идет только о пригодности для конкретной цели. Выберите правильную конфигурацию, и вы получите хорошую турбину.
