Какой ветрогенератор лучше вертикальный или горизонтальный

В настоящее время существует множество конструкций ветрогенераторов. Все это множество можно условно разделить на два типа. Первый тип использует силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения), второй тип использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения). В большинстве случаев ветряк с вертикальной осью вращения использует силу напора потока (парус) а ветряк с горизонтальной осью вращения использует подъемную силу ветра (винт). Но существуют и исключения например ротор Дарье. Ось вращения у него вертикальная но он использует подъемную силу ветра как горизонталка.

Давайте подробнее рассмотрим какие силы действуют на ветряки. Возьмем пластину стоящую поперек потока. Когда пластина стоит неподвижно она испытывает максимальное давление ветра но не выполняет ни какой работы если пластина движется по направлению ветра она выполняет какую-то работу но уже испытывает меньшее давление ветра, так как убегает от него. Если пластина движется со скоростью ветра она не испытывает ни какого давления и не может выполнить ни какой работы. Давно доказано что максимальную работу пластина выполняет если движется в три раза медленнее потока. Винт напротив выполняет максимальную работу когда его лопасти вращаются со скоростью потока. Если вспомнить что мощность это произведение силы на скорость станет ясно что винты в три раза эффективнее парусников. Если вспомнить теорию КИЭВ идеального винта с горизонтальной осью вращения Н.Е. Жуковский 0,593 Г.Х. Сабинин 0,683 . У ветряков использующих силу напора потока теоретический КИЭВ 0,192 . То есть соотношение примерно такое же три к одному. Кажется все ясно винты в три раза эффективнее парусников но давайте не будем торопится.

Оценивая эффективность ветряка мы предъявляем ему конкретные требования, предполагая что он будет крутить генератор, насос и тд. Предъявляем определенные требования необходимые для работы нагрузки и на этом основании оцениваем сам ветряк. В этом и заключается ошибка оценки эффективности ветряков.

Давайте рассмотрим следующий пример. Возьмем два ветряка винт и парусник (турбина Савониуса) в качестве нагрузки будет генератор который генерирует электроэнергию по средством пьезоэлектриков, на основе пьезоэффекта (как в зажигалке). То есть основным требованием к ветряку будет создание максимального давления. Для работы необходимо надавливать и отпускать пьезоэлектрик и чем быстрее и сильнее это делать тем выше эффект. Рассмотрим парусник, пластина стоящая поперек потока испытывает максимальное давление, и передает это давление по средством какого то механизма на пьезоэлектрик. При переключении механизм разрывает связь между пластиной и пьезоэлектриком, пластина свободно движется по направлению ветра, пьезоэлектрик не испытывает ни какова давления. Через секунду механизм переключается и пластина со всей силой патока и инерцией опять давит на пьезоэлектрик. Через секунду механизм переключается и тд. и тп. Рассмотрим винт, ему необходимо время чтобы разогнаться до скорости ветра затем торможение из за создаваемого давления и снова необходимо время для разгона. Мы видим что парусник может сделать гораздо больше циклов надавил отпустил чем винт, за тоже самое время. Пользуясь той же формулой мощность это произведение силы на скорость теперь получим противоположный результат, теперь парусник гораздо эффективнее чем винт.

На основании этих примеров можно сделать вывод, если нужно что то быстро крутить выгодно использовать подъемную силу ветра (винт). Если сильно давить, выгодно использовать силу напора потока (парус).

Можно возразить что таких генераторов нет, сегодня нет, но не кто не даст гарантию что завтра не найдется умник который придумает новый сверх эффективный пьезоэлектрик на основе которого можно будет построить такой генератор. В настоящее время парусник превосходит винт если стоит задача тянуть большую нагрузку, например насос, где основные требования высокий стартовый порог большой крутящий момент а скорость вращения вторичный показатель. Но возможно в будущем, с появлением новых материалов, парусники как ветрогенераторы станут эффективнее винтов.

В развитии ветроэнергетики на данный момент можно выделить два направления. Первое это строительство ветра парков в местах с высокой ветровой нагрузкой, и дальнейшей транспортировкой электроэнергии потребителям. Второй установка ветрогенераторов непосредственно в местах потребления электроэнергии.

Первое направление характерно тем что на данных площадках постоянный, относительно ровный поток ветра, который не сильно изменяется по скорости и направлению. Данная особенность позволяет эффективно использовать ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Небольшие перепады скорости патока позволяют изготовить винт с углами заклинения под среднюю скорость ветра и небольшие отклонения от средних значений позволяют эффективно использовать винт. Постоянство направления ветра позволяет использовать винты по истине циклопических размеров. В условиях когда нет необходимости постоянно поворачивать винт ориентируя его по направлению меняющегося ветра циклопические размеры конструкции не будут являться недостатком.

Второе направление, установка ветрогенераторов в местах потребления электроэнергии, предъявляет конструкциям новые требования. Практически на всей территории России резко выраженный континентальный климат, а это значит изменения скорости ветра от полного штиля до ураганных порывов при постоянном изменении направления. Данные условия предъявляют конструкции особые требования, такие как высокий стартовый порог, большой крутящий момент, простоту и скорость ориентирования по ветру. В условиях резко выраженного континентального климата классический винт эффективно работать не будет. Углы заклинения и углы атаки винта рассчитывают под конкретную скорость ветра и только при этой скорости ветра винт способен выдать максимум. КИЭВ винта будет меняться в зависимости от скорости ветра, если скорость ветра соответствует параметрам винта винт будет работать эффективно в остальное время КИЭВ будет значительно ниже заявленного. Чтобы избавится от этого недостатка делают винт регулируемого шага. То есть меняют угол атаки в зависимости от скорости ветра. КИЭВ становится постоянным, но меняя угол атаки приходится отказаться от углов заклинения что значительно ухудшает аэродинамические характеристики винта и винт уже не способен выдать максимальный КИЭВ. Так же необходимо помнить и про ориентирование конструкции по направлению ветра. Классический горизонтальный винт довольно трудно крутить ориентируя по направлению ветра. При больших скоростях ветра резкое изменение направления приводит к разрушению конструкции, отламыванию хвостового флюгера. Во избегании таких последствий усложняют конструкцию, делают складывающийся хвостовой флюгер.

Ветрогенераторы использующие силу напора потока (вертикальные) имеют постоянный КИЭВ не зависящий от скорости ветра. КИЭВ турбины Савониуса 0,18 и он ни как не меняется ни при каких обстоятельствах. Вертикальные ветрогенераторы имеют высокий стартовый порог что позволяет им начинать работать при более низких скоростях ветра. Они не нуждаются в ориентировании по направлению ветра что является так же неоспоримым преимуществом.

Все выше перечисленные особенности конструкций при эксплуатации в условиях резко выраженного континентального климата снижают преимущество винтов в сравнении с парусниками с теоретических в 3 раза до практических в 2 раза. Но все равно при использовании существующих генераторов, которые надо быстро крутить, выгодней использовать ветрогенераторы использующие подъемную силу ветра как движущую силу.

В статье Винт ветрогенератора представлена конструкция ветрогенератора использующая подъемную силу ветра как движущую силу. Имеющую возможность использовать силу напора потока при старте что дает ей высокий стартовый порог, и относительно легкое ориентирование по направлению ветра, не требующее разворачивать всю конструкцию, как классический ветрогнератор с горизонтальной осью вращения.

На сегодняшний день на рынке малой ветроэнергетики широко представлены конструкции горизонтальных ветрогенераторов (винтов) с различным количеством лопастей, от однолопастных (ветряки Мельникова) до многолопастных. Так же широко представлены высоко оборотистые ветрогенраторы на основе ротора Дарье.

Если сравнить конструкцию описанную встатье Винт ветрогенератора с горизонтальной ветра турбиной то она имеет следующие преимущества, постоянный КИЭВ не зависящий от скорости ветра. Возможность использовать силу напора потока дает конструкции высокий стартовый порог, а изменение угла атаки в зависимости от снимаемой нагрузки большой крутящий момент. Данная конструкция имеет преимущества и в сравнении с ротором Дарье. Ротор Дарье конструктивно имеет довольно малый момент приложения силы. То есть подъемная сила ветра возникает только в момент когда лопасть находится под определенным углом к набегающему потоку ветра. На окружности, по которой движется лопасть, это две точки с угловым размером 3-5 градусов. Конструкция, представленная встатье Винт ветрогенератора, имеет момент приложения силы раз в 20 больше, и если вспомнить принцип сохранения энергии это даст конструкции значительное преимущество.

Эксплуатация ветрогенератора в условиях резко выраженного континентального климата предъявляет конструкциям довольно жесткие требования, для выполнения которых приходится усовершенствовать, усложнять конструкции адаптируя их к эксплуатации в предложенных условиях. Простых решений, таких как у винта КИЭВ выше значит он лучше, в данных условиях не будет.