В чем разница между двумя видами простейших и наиболее распротсраненных ветрогенераторами? Об этом – в колонке руководителя проектов компании "Греса Групп" Виталия Шестака. (укр.)

В чому відмінність між двома найпростіших і найбільш розповсюджених видами вітрогенераторів - вертикального і горизонтального? Основна різниця полягає у принципі відбору енергії лопатями – різниться не лише орієнтація лопатей в просторі, а й їхня аеродинаміка. Вертикальний вітрогенератор використовує силу напору вітру. А пропелер використовує підйомну силу, яка виникає в точці проходження потоку повітря крізь лопаті. Простіше кажучи, у "вертикалок" вітер тисне на лопаті, а у "горизонталок" - створює різницю тисків навколо лопаті. Відмінності конструкції обумовлюють те, що ККД горизонтальних вітрогенераторів на 30% більше, ніж у вертикальних, але, як не парадоксально, останні іноді втричі дорожчі.

Вертикальні вітрогенератори

Вертикальні вітрогенератори бувають різних типів і модифікацій, але по суті і принципу роботи їх можна звести до найпростішого типу - "Савоніус". Обертання ротора засновано на різниці тисків вітру на лопаті. Уявіть собі ротор подібного вітрогенератора. Вітер налягає на лопаті, увігнута лопать затримує потік повітря і його кінетична енергія тисне на цю лопать. Лопать, що повертається, має опуклу форму по відношенню до вітру, і завдяки цьому потік вітру просто з неї "звалюється". Так виникає різниця тиску.

Чим сильніший вітер (тобто швидкість вітру) тим більше різниця тиску. Внаслідок цього зростають обороти і , відповідно, потужність ротора. Але обороти не можуть перевищити швидкість вітру, оскільки тоді вітер не зможе штовхати лопать. Максимум - обороти можуть наблизиться до швидкості вітру, але не досягти її. І при максимальних обертах ротор має "нульовий" ККД, оскільки вся енергія йде на розкрутку ротора.

Але при навантаженні обороти ротора падають і, пропорційно, падінню оборотів, зростає потужність на валу. Максимальна потужність досягається за швидкості обертання в два рази меншої швидкості вітру. Наприклад, якщо швидкість вітру 10 м/с, то максимальна потужність на валу буде при швидкості руху кінця лопаті 5 м/с.

Якщо ж обороти збільшуються, то потужність падає, а якщо обороти під навантаженням падають, то вітер просто не встигає провалюватися і набігає, як ком на лопать. Цей ком вітру швидко збільшується, і нові порції вітру натикаючись на нього розтікаються по боках. Таким чином, відбивається велика частина енергії вітру і, в результаті, на роторі істотно падає крутний момент.

Принцип роботи горизонтального вітряка ("пропелера")

Принцип роботи класичного гвинта в корені відрізняється від роботи вертикального ротора. Щоб його зрозуміти, потрібно згадати про підйомну силу літака. Адже саме такий принцип використовується в горизонтальному вітрогенераторі. Лопаті горизонтального вітрогенератора мають аналогічну аеродинамічну будову, як і крила літака. На прикладі крил літака легше уявити, як працює "підйомна" сила і чому вони виникає. Будова крил (а також лопатей) має таку форму, що рух повітряних мас з різних сторін крила (лопаті) має різну швидкість. Закон Бернулі стверджує, що при русі рідини чи повітря, співвідношення тиску до швидкості буде однаковим в різних частинах потоку (труби/лопаті/крила).

Це означає, що при більшій швидкості тиск буде менший, а при меншій швидкості навпаки - більший. Над крилом літака повітря рухається з більшою швидкістю бо йому треба здійснити більший шлях. Як наслідок, тиск буде менший від атмосферного. Під крилом тиск буде більшим, що створить підйомну силу, котра штовхає літак вгору.

Можна також уявити собі, як обертається гвинт і потік вітру, що набігає на лопаті вітрогенератора. Коли вітер набігає на лопать, то цей вітер відбивається від неї, і під кутом викидається в сторону позаду лопаті. Але в той самий час крізь лопаті також йде і прямий потік повітря. При зіткненні двох потоків утворюється тиск на зразок тиску підйомної сили крила літака, який і підштовхує лопать. Чим більший утворюється тиск, тим сильніше виштовхується лопать. Таким чином обороти лопаті не прив'язані до сили вітру, а залежать від тиску, створеного на стику двох повітряних потоків.

Завдяки цьому швидкість обертання кінчика лопаті може перевищувати в рази швидкість вітру. Тут криється відповідь на питання "чому маленькі лопаті обертаються швидше, ніж величезні і МОЖУТЬ ПРАЦЮВАТИ НА меншій висоті, ДЕ МЕНШЕ ВІТРУ?". Справа в тому, що в створенні тиску бере участь весь потік вітру, котрий потрапляє в площину обертання гвинта. І через вузькі лопаті може "провалюватися" більше повітря не затримуючись, а лише відпрацювавши частки секунди. Також тонкі лопаті дають менший лобовий опір потоку в площині обертання.

У горизонтальних вітрогенераторів виходить навпаки: потужність гвинта зростає з ростом обертів, і чим швидше лопать обертається, тим більше вітру вона опрацьовує за одиницю часу. Тиск зростає ще більше і сильніше виштовхує лопать. Теоретично це зростання оборотів, тиску і потужності було б нескінченним, якби не інші чинники, які це обмежують. Так, наприклад, коли вітровий потік не встигає "провалюватися", то спереду гвинта наростає повітряна подушка, з якої "звалюється" основний потік вітру в сторони. Тобто потужність вітру просто відходить в сторони з подушки і гвинту перепадає дуже мало енергії. Збільшення кількості лопатей не завжди може покращити цю ситуацію.

Багато-лопатеві вітрогенератори не завжди кращі для генерації

У багато-лопатевих гвинтів межа тиску настає дуже швидко, тому вони менш інерційні. Але обертаючись, лопать потрапляє в зону підвищеного тиску створеною попередньою лопаттю. Це, в свою чергу, створює гальмування. Тому, чим більше лопатей, тим сильніше відбувається гальмування. Через таку закономірність із зростанням лопатей, найпоширенішими є трьох-лопатеві вітрогенератори.

За вищенаведених причин ККД горизонтальних вітрогенераторів на 30% більше, ніж ККД вертикальних, а через "тихохідність" вертикальних - шуми у них до 30% менше, ніж у горизонтальних.

Але потрібно пам'ятати, що при тих же заявлених характеристиках по генерації вартість гарного вертикального вітрогенератора до 3 разів вище, ніж горизонтального.