Вертикально-осевой ветродвигатель

Вертикально-осевой ветродвигатель (ВО ВЭУ, ВО ВЭС) — это тип ветроэнергетической установки, в которой ось вращения ротора расположена вертикально по отношению к направлению ветра и к поверхности земли. В отличие от горизонтально-осевых ветрогенераторов, ротор вертикально-осевого ветродвигателя не требует ориентации на ветер, что упрощает конструкцию и позволяет использовать его в условиях переменных и турбулентных воздушных потоков.

История

Первые упоминания о вертикально-осевых ветродвигателях относятся к IX веку, когда в Персии (современный Иран) и Афганистане использовались ветряные мельницы с вертикальной осью вращения. Эти древние конструкции, известные как «панамоны», имели лопасти, расположенные по окружности, и использовались для помола зерна и подъёма воды. В отличие от европейских горизонтальных мельниц, они не требовали разворота на ветер.

В XVIII—XIX веках в Европе и России предпринимались попытки усовершенствовать вертикально-осевые конструкции. В 1920-х годах французский инженер Жорж Дарье запатентовал ротор, известный как ротор Дарье. Его конструкция, состоящая из двух или трёх изогнутых лопастей, работала за счёт подъёмной силы (аэродинамического принципа), что значительно повысило эффективность по сравнению с древними моделями, работавшими на силе лобового сопротивления.

В середине XX века интерес к ВО ВЭУ возрос в связи с развитием альтернативной энергетики. В 1970-х годах в Канаде и США были построены экспериментальные образцы, такие как установка «Эол» (Eole) мощностью 4 МВт в Кап-де-ла-Мадлен, Квебек (1987 год). Однако из-за технологических проблем, низкой надёжности и высокой стоимости эксплуатации, к концу XX века коммерческое развитие ВО ВЭУ замедлилось, уступив место доминированию горизонтально-осевых ветрогенераторов.

В XXI веке, с ростом интереса к распределённой энергетике и городским ветроустановкам, вертикально-осевые ветродвигатели вновь привлекли внимание разработчиков. Современные проекты направлены на повышение КПД, снижение вибраций и адаптацию к условиям низких скоростей ветра.

Классификация

Вертикально-осевые ветродвигатели классифицируются по принципу действия и конструктивным особенностям.

По принципу действия

1. Роторы, работающие на силе лобового сопротивления (drag-type): Лопасти имеют большую площадь поверхности, и вращение происходит за счёт разницы в сопротивлении ветра между рабочей и возвратной сторонами.

• Ротор Савониуса (S-ротор): Состоит из двух или трёх полуцилиндрических лопастей, расположенных в форме буквы «S». Прост в изготовлении, имеет высокий пусковой момент, но низкий КПД (обычно 10–15%). Часто используется в качестве стартового механизма для роторов Дарье.

1. Роторы, работающие на подъёмной силе (lift-type): Вращение обеспечивается за счёт аэродинамической подъёмной силы, возникающей на лопастях, имеющих профиль крыла. КПД таких роторов может достигать 30–40%, что сопоставимо с горизонтально-осевыми установками малой мощности.

• Ротор Дарье (H-ротор, Φ-ротор): Лопасти имеют форму параболы (Φ-тип) или прямые, параллельные оси (H-тип). Требует внешнего запуска (или комбинации с ротором Савониуса), так как не обладает самозапуском при низких скоростях ветра.
• Ротор с лопастями-крыльями (H-ротор): Наиболее распространённый в современных проектах. Прямые лопасти крепятся к центральной стойке с помощью горизонтальных траверс.

По конструктивным особенностям

• Одноярусные и многоярусные: Одноярусные имеют один ярус лопастей, многоярусные — два или более, расположенных друг над другом для увеличения мощности.
• С опорой на землю или на крышу: ВО ВЭУ могут устанавливаться на отдельных мачтах, на крышах зданий или на плавучих платформах (для морских станций).
• С фиксированным или изменяемым углом атаки: Некоторые современные модели оснащаются механизмами для изменения угла установки лопастей (питч-контроль), что повышает эффективность и снижает нагрузки.

Устройство и принцип работы

Вертикально-осевой ветродвигатель состоит из следующих основных узлов:

1. Ротор: Вращающаяся часть, включающая лопасти и центральную стойку (вал). Лопасти изготавливаются из композитных материалов (стеклопластик, углепластик), алюминия или стали.
2. Вал: Вертикальный вал, передающий крутящий момент от ротора к генератору. Обычно опирается на подшипники в верхней и нижней частях.
3. Генератор: Электрическая машина (синхронный или асинхронный генератор), преобразующая механическую энергию вращения в электрическую. Часто располагается в основании установки (на уровне земли или крыши), что упрощает обслуживание.
4. Тормозная система: Механический или электрический тормоз для остановки ротора при превышении допустимой скорости ветра или для технического обслуживания.
5. Система управления: Контроллер, отслеживающий скорость ветра, напряжение и частоту тока, управляющий тормозами и (при наличии) питч-контролем.
6. Опорная конструкция: Мачта или рама, обеспечивающая устойчивость установки.

Принцип работы ротора Дарье (наиболее распространённого типа) основан на том, что при вращении лопасти попеременно находятся в набегающем потоке ветра. Из-за разницы скоростей потока на выпуклой и вогнутой сторонах лопасти (аналогично крылу самолёта) возникает подъёмная сила, направленная по касательной к окружности вращения. Эта сила создаёт крутящий момент, который вращает ротор. В роторе Савониуса вращение происходит за счёт того, что ветер, ударяя в вогнутую часть лопасти, создаёт большее давление, чем при обтекании выпуклой стороны.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Независимость от направления ветра: Не требуется механизм ориентации на ветер (флюгер или сервопривод), что упрощает конструкцию и снижает износ.
• Работа при турбулентном ветре: ВО ВЭУ лучше работают в условиях городской застройки, где ветер часто меняет направление и имеет высокую турбулентность.
• Низкая скорость запуска: Многие модели (особенно роторы Савониуса) начинают вращаться при скорости ветра 1,5–2 м/с, что позволяет генерировать энергию при слабом ветре.
• Размещение генератора на земле: Генератор, редуктор и другие тяжёлые компоненты могут располагаться в основании установки, что упрощает их обслуживание и ремонт.
• Эстетика и низкий уровень шума: ВО ВЭУ часто имеют более компактный и эстетичный вид, а также создают меньше шума по сравнению с горизонтально-осевыми установками, что делает их пригодными для установки вблизи жилых домов.

Недостатки

• Низкий КПД: Максимальный теоретический КПД (предел Бетца) для ВО ВЭУ составляет около 30–40% против 59% для горизонтально-осевых. На практике КПД большинства серийных моделей не превышает 20–25%.
• Пульсации крутящего момента: При вращении ротора возникают значительные пульсации момента, что приводит к вибрациям и необходимости использования более мощных подшипников и валов.
• Сложность масштабирования: Для достижения большой мощности (свыше 1 МВт) ВО ВЭУ требуют очень высоких мачт и массивных роторов, что увеличивает стоимость и сложность строительства.
• Необходимость внешнего запуска: Роторы Дарье не обладают самозапуском при низких скоростях ветра, поэтому часто требуют комбинации с ротором Савониуса или электрического стартера.
• Высокая нагрузка на опоры: Вертикальный вал и лопасти создают значительные изгибающие и крутящие нагрузки на фундамент и мачту.

Применение

Вертикально-осевые ветродвигатели находят применение в следующих областях:

• Городская и распределённая энергетика: Установка на крышах зданий, в парках, на автостоянках для обеспечения электроэнергией небольших объектов (жилые дома, офисы, уличное освещение).
• Автономные системы: Питание удалённых объектов (метеостанции, базовые станции сотовой связи, системы навигации), где требуется надёжность и работа при слабом ветре.
• Гибридные энергосистемы: Совместное использование с солнечными батареями (фотоэлектрическими панелями) для обеспечения круглосуточного энергоснабжения.
• Морские ветроэлектростанции: ВО ВЭУ рассматриваются как перспективная технология для плавучих платформ, так как их центр тяжести расположен ниже, что повышает остойчивость.
• Образовательные и исследовательские цели: Простота конструкции и наглядность работы делают ВО ВЭУ популярными в учебных заведениях для демонстрации принципов ветроэнергетики.

Современные тенденции и разработки

В 2020-х годах наблюдается рост интереса к ВО ВЭУ со стороны стартапов и научных организаций. Основные направления разработок включают:

• Повышение КПД: Использование аэродинамических профилей нового поколения, оптимизация формы лопастей и углов атаки.
• Снижение вибраций и шума: Применение демпфирующих материалов, активных систем управления и балансировки.
• Интеграция в архитектуру: Разработка ветрогенераторов, встраиваемых в фасады зданий или в конструкции мостов.
• Масштабирование: Создание крупных ВО ВЭУ мощностью до 10–20 МВт для морского базирования (например, проекты компаний SeaTwirl (Швеция) и Aeromine (США) — последняя организация не признана в РФ нежелательной).

Интересные факты

• Самая мощная в мире вертикально-осевая ветроустановка — «Эол» (Eole) в Канаде (4 МВт, ротор Дарье) — была выведена из эксплуатации в 1993 году из-за поломки подшипника.
• В России в 2010-х годах велись разработки ВО ВЭУ для Арктики, где ветры часто меняют направление и имеют высокую турбулентность.
• Ротор Савониуса, из-за своей простоты, часто используется в самодельных ветрогенераторах.

Источники

1. Бурковский, В. Л. «Ветроэнергетика: теория и практика». — М.: Энергоатомиздат, 2015.
2. Патент США № 1,835,018 (George Darrieus, 1931).
3. «Wind Energy Handbook» / T. Burton, N. Jenkins, D. Sharpe, E. Bossanyi. — 2nd ed. — Wiley, 2011.
4. Материалы Международного энергетического агентства (IEA Wind TCP).
5. Отчёт «Vertical Axis Wind Turbines: A Review of Current Status and Future Prospects» // Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018.