Почему лопасть одна.

Далее приводиться статья с сайта ООО «Электроветер» о достаточно нетрадиционном ветрогенераторе, всего с одной лопастью.


Современная ветроэнергетика базируется на горизонтальной трёхлопастной схеме ветродвигателя - думаю, так вырабатывается 99% всей ветроэнергии. Связано это с тем, что все крупные ветрогенераторы, от 100кВт и до мегаваттов, просто обречены работать только так - схема динамически сбалансирована и устойчива при больших размерах, а соответственно, и больших нагрузках на конструкцию. Что касается отбираемой мощности, то она зависит практически от двух показателей - ометаемой площади (диаметр D) ветродвигателя и скорости ветра V, а коэффициент использования энергии ветра К для вертикальной оси в 1,5 - 3 раза ниже, чем для горизонтальной оси. Формула мощности N, кВт :
N = (D в квадрате умножить на V в кубе, разделить всё на 2080) и всё умножить на К.
Но для мощностей до 100кВт, когда размеры и нагрузки относительно малы - можно и поэкспериментировать. В патентной библиотеке можно найти сотни нестандартных решений, как у нас, так и за рубежом, но, на мой взгляд, только единицы могут похвастаться какой-то изюминкой. В итоге всё равно всё сводится к вертикально- и горизонтальноосевым ветрогенераторам. Ими и займёмся.

Начнём с оси вращения и поставим её вертикально - почему-то вертикальноосевые ветрогенераторы больше всего привлекают обывателя и простых изобретателей - просто навязчивая идея первооткрывателей - мол, не требует направления по ветру и тихо крутится - вот главные аргументы. Первый- с технической точки зрения решается очень просто - хвостовым оперением, а с экономической - копейки по сравнению со стоимостью, например, генератора. Второй аргумент - низкая скорость вращения, приемлем для слуха, но абсолютно противоречит и технике и экономике. Ведь скорость вращения при одинаковой ометаемой площади будет в несколько раз меньше, чем у горизонтальноосевых, а это значит, что генератор надо ставить в несколько раз более мощный и, соответственно, дорогой. А генератор в ветряке – это 80% его стоимости. И речь идёт не о 20-50% разницы, а о 200-500%.
Что касается меньшего шума от такого ветряка - не аргумент, так как в любом случае он будет намного меньше работающего бензогенератора - самого популярного и распространённого нынче автономного источника электричества. Уменьшить шум можно и на горизонтальноосевых ветрогенераторах - уменьшить скорость их вращения за счёт увеличения площади и/или количества лопастей - результат будет такой же. Избавиться от него совсем не удастся - аэродинамика процесса не позволит это ни при каких схемах и конструкциях.
А у вертикальноосевых есть ещё и существенные недостатки - большая материалоёмкость, а это не только цена, но и инерционность всей конструкции, причём основная масса выносится на дальние от оси вращения расстояния, где скорость движения максимальная - небольшой дисбаланс - и уровень вибраций возрастает на порядок. Отсюда и второй недостаток - крепление массивного ветродвигателя с большими динамическими нагрузками решается только большой стоимостью. Вал генератора должен быть рассчитан на существенно большие нагрузки. Мачта должна быть раза в 3 более мощной и на столько же более дорогой. Высокой мачту на такие нагрузки и вовсе не сделать за разумные деньги - это же Эйфелеву башню надо строить!
Третий недостаток - КПД вертикальной оси в 1,5-2 раза ниже.
В итоге - стоимость в несколько раз выше, а КПД ниже. Так стоит ли переплачивать СТОЛЬКО за меньшие 10 децибел шума? Учитывая слабое развитие ветроэнергетики именно из-за высокой стоимости оборудования, данное направление вряд ли можно считать перспективным. Хотя некоторые проекты доходят до бизнес-планов и получают финансирование от серьёзных компаний. Мне не раз присылали по электронной почте подобные, красиво расписанные проспекты. Дилетанту понравится сразу...

Вернёмся к второму варианту - горизонтальной оси.
Увеличивать число лопастей больше 3-х, как говорят исследования, нет смысла - КПД начинает падать из-за увеличения сопротивления вихревых срывов на многочисленных концах лопастей. Скорость же вращения снизится, хоть и не так значительно, как у вертикальноосевых, но генератор нужно брать всё же более мощный. Такой вариант как раз подойдёт любителям тишины, готовым переплатить за это процентов 50-100 стоимости ветрогенератора. При этом, как это ни покажется парадоксальным, - по теории - идеальный ветряк состоит из бесконечного числа лопастей бесконечной длины. Когда я начинал заниматься ветряками - первая конструкция была с ветроколесом из 25 лопаток, соединённых наружным кольцом - по сути - воздушная турбина.
С точки зрения увеличения скорости вращения ветродвигателя, для уменьшения стоимости генератора нужно уменьшать число лопастей или их площадь. Последнее сложно выполнимо из-за потери прочностных характеристик лопасти. Двухлопастная схема даст прирост по скорости 20-30% по сравнению с трёхлопастной, но лишит её динамической устойчивости при прохождении момента совпадения осей лопастей и мачты. К тому же, при изменяемом угле установки лопасти, необходимо синхронизировать поворот лопастей, что усложняет конструкцию. Этот недостаток в полной мере относится и к трёхлопастному ветродвигателю.

В середине прошлого века Бабинцевым И.А. была предложена однолопастная схема ветродвигателя - лопасть с противовесом. Её быстроходность(отношение окружной скорости на краю лопасти к скорости ветра) бьёт все рекорды - от 10 до 20 единиц, тогда как у двухлопастных она составляет всего 7-10, у трёхлопастных - 5-7 - то есть в 2 раза медленнее крутятся, чем с одной лопастью при одинаковом диаметре и скорости ветра, а у вертикальноосевых этот показатель составляет всего от 0,8 до 3.
Как пример - наша компания предлагает две модели с одним генератором и почти одинаковым ометаемым диаметром, но одна - трёхлопастная (см. ВЭУ 3/5), а вторая - однолопастная (см. ВЭУ 3/7), - вырабатываемая мощность последней существенно выше при практически одинаковой стоимости.
Статическая балансировка обеспечивается противовесом, а динамическая - шарнирным креплением пары лопасть-противовес. При этом появляется ещё одно преимущество - лопасть всегда находится в равновесном положении между давлением ветра и центробежной силой от вращения ветродвигателя. В результате лопасть не испытывает изгибающего момента от давления ветра, как это происходит у жёстко закреплённых на валу генератора 2-х или 3-х лопастей.
Конечно, и здесь не обходится без недостатков - это, во-первых, малая площадь всего одной лопасти, что увеличивает стартовую скорость ветра, но проблема решается увеличением угла установки лопасти при запуске. Во-вторых, шарнирное крепление лопасти позволяет ей в нижнем положении близко подходить к мачте, что увеличивает вероятность поломки, особенно при диаметрах ветродвигателя больше 5м.. Приходится генератор и ветродвигатель выносить дальше от мачты.
В-третьих, при малой скорости вращения - до одного оборота в секунду, например при разгоне - возникает динамический дисбаланс и, как следствие - возникают небольшие колебания верхней части мачты с ветрогенератором, что, в общем, не существенно, так как бывают такие моменты редко и они не продолжительны по времени. По этим причинам сложно производить надёжные однолопастные ветрогенераторы мощностью более 100кВт, хотя сам видел в проспектах мощности и 200 и 250кВт.
Зато на небольших мощностях, потребность в которых только в России составляет не менее 1000 ветроустановок в год, мы получаем ветрогенератор практически в два раза более низкой стоимости при аналогичных технических параметрах, а трёхлетний опыт изготовления и эксплуатации позволяет говорить о реальном преимуществе данного направления в ветроэнергетике.

Р. А. Мельников. "Альтернативный киловатт", 2. 2010 г.