Теоретична частина
1.1. Типи вітрогенераторів
Постійне вдосконалення технологій виробництва вітрогенераторів вимагає найбільш точного моделювання їх режимів роботи у різних погодних умовах.
Підвищення точності визначення параметрів режимів вітрогенераторів, що працюють у складі електроенергетичних систем, залежить від адекватності відображення фізичних процесів, моделі вітрового потоку, який у значній мірі визначає режим роботи (ВЕУ)
У роботах з моделювання вертикально-осьових турбін можна виділити п'ять напрямків досліджень:
– моделювання вітрового потоку;
– моделювання ротора;
– моделювання генератора;
– моделювання процесу переходу механічної енергії обертання ротора в електроенергію;
– моделювання систем управління вихідною потужністю [9, с. 67].
Принципову складність представляє моделювання аеродинамічного впливу вітрового потоку на ротор, дослідження впливу форми лопатей ротора та інших геометричних параметрів на аеродинамічні характеристики конструкції. При обертанні ротора лопать змінює своє розташування щодо потоку повітря. З цим пов'язане значне ускладнення у дослідженні аеродинаміки вертикально - осьового ротора у порівнянні з горизонтально - осьовим [8, с.28].
У літературі розроблена методика чисельної побудови аеродинамічних характеристик вітротурбіни з вертикальною віссю обертання на підставі імпульсної моделі вітроколеса, а також геометричних та аеродинамічних співвідношень обраного профілю лопаті. Показана методика дозволяє побудувати енергетичні та моментні характеристики та проектувати вітроколеса з різними типами профілів, для яких маються аеродинамічні характеристики. Варіація таких параметрів, як відносні величини хорди профілю лопаті та висоти колеса в долях радіуса, за допомогою автоматизованого розрахунку дозволяє вибрати оптимальні варіанти геометричних параметрів вітротурбіни з вертикальною віссю обертання на стадії її проектування.
Суттєвою трудністю для розрахунку профілю з невідомими аероді-намічними характеристиками є визначення коефіцієнта потужності, який залежить від складних та нелінійних аеродинамічних процесів, що виникають при взаємодії вітрового потоку з робочою поверхнею лопаті вітрового колеса. Наприклад, для визначення залежності коефіцієнта потужності від швидкості вітру може бути використана спеціальна програма WT_PERF , що використовує постійно оновлювальні алгоритми, які постійно модернізуються і доповнюються новими функціями.
Пошук конфігурацій лопатей пов'язан з параметричними дослідженнями всієї різноманітності геометричних та кінематичних характеристик і ротора в цілому та заснован на багаторазовому вирішенні прямих задач аеродинаміки.
Питання моделювання генератора не має жорсткого зв’язку безпосередньо з вітроенергетикою, існує безліч робіт з моделювання різних генераторів, так наприклад в наводиться модель електрогенератора з постійними магнітами, а в роботі надано опис різних типів генераторів для турбін з вертикальною віссю обертання.
В області питання електромеханічної взаємодії між ротором і генератором існують методики, які дозволяють виконати аеродинамічні, міцнісні і електромагнітні розрахунки. Наприклад, в розглянуті фізичні процеси аеродинамічного у вітротурбіні та електромеханічного в електричних генераторах перетворення енергії. Наведено розрахунки для основних типів електрогенераторів і результати електромагнітних розрахунків, які порівнюються із досвідченими даними. В крім опису конструкцій вітроелектричних установок та генераторів, їх експлуатаційних характеристик надано також опис системи регулювання.
В розглянуто активне керування вихідними параметрами ВЕУ шляхом зміни кута атаки лопатей. Кутова швидкість обертання ротора ВЕУ залежить від швидкості вітру, кута повороту лопатей щодо набігаючого потоку та навантаження на генераторі. Отже, при зміні вітру і навантаженні, варіюючи кутом атаки можна забезпечити сталість кутовий швидкості. Описана система розроблена для вітрових установок, як з горизонтальною, так і вертикальною віссю.
Відомі моделі вітрового потоку дозволяють імітувати наявність випадково зміного з різною амплітудою вітрового потоку. Але відомі моделі вітрового потоку не дозволяють створювати його коливання відносно деякої постійної величини швидкості вітру, не змінюючи її, що може привести до помилки у визначенні параметрів режимів ВЕС [9, с.69].
Розроблено велику кількість вітрогенераторів. Залежно від орієнтації осі обертання по відношенню до напрямку потоку вітрогенератори можуть бути класифіковані наступним чином (рис. 1.1-1.3):
з горизонтальною віссю обертання, паралельної напрямку вітрового потоку;
з горизонтальною віссю обертання, перпендикулярної напрямку вітру (подібні водяному колесу);
з вертикальною віссю обертання, перпендикулярної напрямку вітрового потоку [9, с. 71].
Рис.1.1 Вітрогенератори з горизонтальною віссю обертання
Рис.1.2 Вітрогенератори з вертикальною віссю обертання з використанням сили опору і підйомної сили
Рис.1.3 Вітрогенератори інших типів
Розроблено також пристрої для перетворення енергії вітру в електроенергію без застосування рухомих частин. До них відноситься, наприклад, пристрій, в якому для вироблення електричної енергії на основі термоелектричного ефекту Томсона застосовується процес охолодження у вітровому потоці [11, с. 235].