Что лучше - вертикально или горизонтально-осевая ВЭУ?

(по материалам специалистов по ветроэнергетике КБ «Южное»: д.т.н. М.И.Галась, инж. Ю.П.Дымковец, Н.А.Акаев, И.Ю.Костюков)

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок (ВЭУ) горизонтально-осевые или так называемые пропеллерные установки составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько тысяч предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса - в 1929 г., ротор Дарье - в 1931 г., ротор Масгроува — в 1975 г.). Кроме этого, до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ВЭУ ошибочно считалось, что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости рабочих органов (лопастей) к скорости ветра больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ это отношение достигает более 5:1).

Эта предпосылка, верная только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привела к неправильным теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-х – 70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных.

Вертикально-осевые ВЭУ стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании и Румынии в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения. Наибольших успехов добилась фирма VAWT (Великобритания). С 1986 г. на о-ве Сардиния была испытана ВЭУ этой фирмы с ротором диаметром 14 м и мощностью 40 кВт. В том же году была введена в промышленную эксплуатацию ВЭУ VAWT-450 с ротором диаметром 25 м мощностью 130 кВт. Сейчас фирма работает над созданием установки VAWT-850 мощностью 500 кВт. Фирма приступила к разработке более крупной установки VAWT -2400 с ротором диаметром 67 м мощностью 1.7 МВт.

В России разработкой вертикально-осевых ВЭУ с прямыми лопастями занимаются КБ "Радуга", ООО «ГРЦ-Вертикаль», Объединение «Гидропроект», ЦАГИ, ВНИИ электроэнергетики, ООО "Электросфера" и многие другие. Созданы опытные установки ВЛ-2М, ВДД-16 и др., которые при испытаниях показывают неплохие результаты.

Почему для разработки все больше выбирают вертикально-осевые ВЭУ с прямыми лопастями?

Встречающиеся в литературе сопоставления ВЭУ вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем обычно ограничиваются упоминанием о предпочтительности вертикально-осевых ВЭУ в связи с их основной особенностью — нечувствительностью к направлению ветра и, следовательно, возможностью значительного упрощения конструкции установки. Более того, прогнозируется наибольшее применение вертикально-осевых ВЭУ в развивающихся странах, не владеющих современными технологиями. В обоснование такого прогноза выдвигается именно конструктивная простота вертикально-осевых установок, не требующих поворотных устройств и систем.

Однако опыт проектирования и эксплуатации ветрогенераторов (ветроэлектрических или ветроэнергетических установок) показывает, что отсутствие поворотных устройств и систем - не единственный оценочный параметр для сравнения их с горизонтально-осевыми пропеллерными. Вертикально-осевые и горизонтально-осевые ВЭУ - принципиально разные решения, многие характеристики этих установок не повторяются.

Поэтому кроме независимости работы вертикально-осевых ВЭУ от направления ветра, как явно положительной характеристики, обусловливающей многие другие достоинства, существует целый ряд других их принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые можно рассматривать как не менее важные.

Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем, проведенные с разных точек зрения. Сравнениям будет подвергаться пропеллерная установка в традиционном исполнении и вертикально-осевая типа Дарье с прямыми лопастями.