Какие ветряные турбины эффективнее — с вертикальной или горизонтальной осью вращения?

В настоящее время эффективность основных трехлопастных горизонтально-осевых ветровых турбин значительно выше, чем у вертикально-осевых ветровых турбин.

Этот разрыв в эффективности имеет фундаментальное значение. Ключевым показателем эффективности является «коэффициент использования энергии ветра», который показывает, сколько энергии ветровая турбина может получить от ветра. Современные крупногабаритные вентиляторы с горизонтальной осью вращения могут достигать КПД 45–50%, что близко к теоретическому пределу (59,3%, известному как предел Беза). В отличие от этого, КПД вентиляторов с вертикальной осью вращения значительно ниже, обычно всего 15–40%, в зависимости от типа конструкции.

Почему эффективность вентиляторов с горизонтальной осью настолько высока?

В основном это связано с его принципом работы:

Все лопасти одновременно режут ветер под оптимальным углом: лопасти горизонтально-осевого вентилятора имеют форму крыльев самолёта (аэродинамический профиль). Когда дует ветер, он создаёт огромную подъёмную силу, которая является основной движущей силой вращения лопастей. Благодаря тому, что лопасти всегда вращаются в одном направлении, большая часть лопасти может непрерывно и эффективно использовать энергию ветра.

Высокая скорость: вентиляторы с горизонтальной осью могут развивать очень высокую скорость, что делает их очень эффективными при приводе генератора для выработки электроэнергии.

Почему эффективность вентиляторов с вертикальной осью ниже?

Принцип работы вентиляторов с вертикальной осью вращения (в основном это вентиляторы «типа Дарио», внешне напоминающие взбиватель для яиц) отличается:

Лопасти движутся вперёд и назад под действием ветра: при повороте в разные положения их угол с направлением ветра постоянно меняется. Только при определённых углах лопасти могут эффективно улавливать энергию ветра; однако в других положениях (например, при повороте в наветренную сторону) лопасти будут создавать сопротивление. Эта особенность, «конкурирующая с самим собой», принципиально ограничивает эффективность ветрогенератора.

Низкие показатели запуска: многие вентиляторы с вертикальной осью вращения не могут запуститься самостоятельно и требуют внешней помощи.

Несмотря на огромный разрыв в эффективности, вентиляторы с вертикальной осью вращения не лишены своих преимуществ. Они обладают рядом уникальных особенностей, которые делают их незаменимыми в определённых ситуациях.

Преимущества и недостатки вентиляторов с горизонтальной осью:

Преимущества:

Основные преимущества: чрезвычайно высокая эффективность и наилучшая экономическая целесообразность для крупномасштабной выработки электроэнергии.

Недостатки:

Необходимость ориентации по направлению ветра: необходимо оборудовать сложную «систему рыскания», чтобы постоянно корректировать положение кабины в соответствии с направлением ветра, подобно указателю направления ветра.

Сложная конструкция и высокие затраты на обслуживание: тяжелые генераторы и редукторы устанавливаются на вершинах башен высотой в десятки и даже сотни метров, что делает обслуживание и ремонт очень сложными и дорогими.

Громкий шум: вращающийся с высокой скоростью кончик лезвия будет производить сильный шум.

Высокие требования к среде установки: необходимы стабильные и ровные ветровые условия, что может не обеспечить хороших результатов в городах с турбулентными и порывистыми ветрами.

Преимущества и недостатки вентиляторов с вертикальной осью:

Преимущества:

Ветер не нужен: ветер с любого направления может заставить его вращаться, что исключает необходимость в системе рыскания.

Простая конструкция и легкость обслуживания: основное оборудование, такое как генератор и редуктор, установлено на цокольном этаже, и обслуживающему персоналу не нужно подниматься высоко, что обеспечивает низкие затраты на обслуживание.

Низкий уровень шума: скорость обычно ниже, а работа происходит тише.

Адаптация к сложным ветровым условиям: отлично подходит для городских условий с переменным направлением ветра и турбулентностью, может устанавливаться на крышах.

Низкая скорость стартового ветра: некоторые типы (например, S-тип) могут запускаться при слабом ветре.

Недостатки:

Основной недостаток: низкая эффективность.

Существует структурный риск: некоторые конструкции испытывают высокие напряжения в основании лопастей при высокоскоростном вращении, что может легко привести к проблемам.

Итак, окончательный вывод таков:

Если вы хотите построить крупную ветряную электростанцию ​​и добиться максимальной выработки электроэнергии и экономической выгоды, то «высокоэффективные» горизонтально-осевые ветряные турбины — единственный распространённый выбор. Именно поэтому почти все ветряные мельницы, которые мы видим в природе, имеют горизонтальную ось.

Но если вам нужен «неприхотливый и простой в обслуживании» генератор для распределенных сценариев, таких как обеспечение электроэнергией уличных фонарей, зданий, удаленных базовых станций, особенно в городах с нестабильным направлением ветра, то «низкоэффективный, но прочный и долговечный» вентилятор с вертикальной осью вращения на самом деле может оказаться более подходящим выбором.

Короче говоря, горизонтальная ось представляет «лучших студентов», стремящихся к производительности и масштабированию, а вертикальная ось — «талантливых студентов», адаптирующихся к конкретной среде. С точки зрения чистой эффективности вентиляторы с горизонтальной осью превосходят всех.