Почему эффективность ветротурбин с вертикальной осью вращения низка?

Основные причины более низкой эффективности ветротурбин с вертикальной осью вращения (VAWT) по сравнению с ветротурбинами с горизонтальной осью вращения (HAWT) связаны с различными факторами, такими как аэродинамические характеристики, конструкция и условия эксплуатации. Ниже приводится подробный анализ:
1. Низкая аэродинамическая эффективность

Низкая способность к самозапуску: угол атаки профилей лопастей большинства ветротурбин с вертикальной осью вращения (особенно типа Дарио) постоянно меняется во время вращения, что затрудняет создание достаточного пускового момента при низких скоростях ветра и требует использования дополнительных устройств или внешних сил для запуска.

Проблема динамического срыва потока: когда лопасти поворачиваются в сторону, противоположную направлению ветра, направление воздушного потока относительно лопастей резко меняется, что легко может вызвать динамический срыв потока и привести к потере энергии.

Взаимодействие между лопастями: Лопасти вентилятора с вертикальной осью вращения проходят через зону завихрения потока и подвергаются воздействию турбулентности переднего вихревого следа, что снижает аэродинамическую эффективность.

2. Ограничения в проектировании и выборе материалов.

Концентрация усталостных напряжений: опорные конструкции (такие как тросы или стойки) и основания лопаток вентиляторов с вертикальной осью вращения подвергаются циклическим переменным нагрузкам, которые подвержены повреждениям из-за усталости и ограничивают возможности крупномасштабного проектирования.

Сложность изготовления лопастей: Процесс изготовления изогнутых лопастей (например, типа «Дэрил») сложнее, дороже и труднее в применении для эффективного проектирования профиля крыла по сравнению с прямыми лопастями с горизонтальной осью.

3. Низкий коэффициент использования энергии ветра (Cp)

Теоретический предел низкий: теоретический максимальный коэффициент использования энергии ветра для вентиляторов с вертикальной осью вращения составляет около 0,4, тогда как для вентиляторов с горизонтальной осью вращения он может достигать 0,59 (предел Бейтса).

Фактическая разница в эффективности: фактическая эффективность преобразования энергии ветра вентиляторами с вертикальной осью вращения обычно составляет всего 10–30%, в то время как современные вентиляторы с горизонтальной осью вращения могут достигать 40–50%.

4. Недостаточная адаптация к окружающей среде

Чувствительность к изменениям направления ветра: Хотя вентиляторы с вертикальной осью вращения теоретически могут работать при любом направлении ветра, в реальных условиях турбулентного или часто меняющегося ветра сложно поддерживать оптимальный угол атаки лопастей.

Слабое сопротивление ветру: Большие вентиляторы с вертикальной осью вращения подвержены проблемам со стабильностью из-за структурных вибраций при сильном ветре, а конструкция тормозной системы более сложна.

5. Сценарии применения и технологическая зрелость

Ограничения по масштабу: ветротурбины с вертикальной осью вращения в основном используются для распределенной генерации электроэнергии малого и среднего масштаба (например, в городских условиях), но в крупных коммерческих проектах ветроэнергетики по-прежнему преобладают ветротурбины с горизонтальной осью вращения, которые оптимизировались на протяжении десятилетий и обладают высокой технологической зрелостью.

Меньшие инвестиции в НИОКР: Из-за небольшой доли рынка технологический прогресс в области аэродинамической оптимизации, исследования материалов и систем управления для вентиляторов с вертикальной осью вращения относительно медленный.

Преимущества и области применения вентиляторов с вертикальной осью вращения

Несмотря на низкую эффективность, вентиляторы с вертикальной осью вращения обладают рядом уникальных преимуществ:

Нет необходимости в системе рыскания: может улавливать ветер в любом направлении.

Низкий уровень шума и безопасность: низкая скорость, низкий уровень шума и относительно безопасная траектория движения лопастей для птиц.

Удобство обслуживания: генератор и другое оборудование можно разместить на земле для удобства обслуживания.

Поэтому ветротурбины с вертикальной осью вращения больше подходят для применения в городских условиях с сильной турбулентностью и переменным направлением ветра, а также в небольших автономных системах электроснабжения, чем в крупных ветропарках.

краткое содержание

Основная причина низкой эффективности ветротурбин с вертикальной осью вращения — это присущее им отсутствие аэродинамических характеристик, что ограничивает их способность улавливать энергию ветра. Кроме того, усталость конструкции и масштабные проблемы затрудняют конкуренцию с ветротурбинами с горизонтальной осью вращения. В будущем, с развитием новых материалов и технологий управления потоком, таких как активные закрылки и вихревые генераторы, ожидается повышение эффективности ветротурбин с вертикальной осью вращения, но они по-прежнему могут играть вспомогательную роль на основном рынке ветроэнергетики.