Использование энергии ветра меняющего направление


Как же современные ветродвигатели борются с капризами ветра? Ведь всем известно, что ветер может менять свое направление и скорость часто по нескольку раз в сутки.

Как уже было сказано выше, примитивные конструкции простейших ветродвигателей имели жесткое ветровое колесо, которое раз навсегда устанавливалось против наиболее часто повторяющегося в данной местности направления ветра. Такие ветродвигатели не могли использовать всех рабочих скоростей ветра и, кроме того, должны были выдерживать в лоб все скорости, вплоть до скорости бури. Такие ветровые машины работали с низкой эффективностью и часто разрушались бурями.

В дальнейшем стали строить ветродвигатели, у которых имелась возможность выводить ветровые колеса из-под ветра силой человека или животного, при помощи простейших устройств. Для этого делают поворотным весь корпус ветродвигателя у мельниц козлового типа или поворачивают на корпусе только верхний шатер у мельниц шатрового типа. Поворот корпуса или шатра ветряной мельницы осуществляется специальным большим рычагом, который называется водилом. Ветровое колесо выводят из-под ветра частично — с целью снижения числа оборотов крыльев при больших скоростях воздушного потока, или полностью, когда оно становится ребром к ветру для защиты его от поломки во время бури. С помощью водила ветровое колесо устанавливают против ветра для пуска ветродвигателя в работу.

Так у ветряных мельниц осуществлялись регулирование и установка на ветер ветровых колес. Это усовершенствование ветровой машины намного улучшило ее эксплуатационные качества. Однако простейшая ветряная мельница может нормально работать только в присутствии человека, который должен следить за ветром и вовремя осуществлять поворот ветрового колеса в нужное положение.

Крупные ветряные мельницы требовали постоянного присутствия нескольких человек, что снижало хозяйственную выгодность использования ветродвигателей.

Дальнейшим шагом в развитии техники строительства ветродвигателей было стремление использовать силу ветра не только для вращения ветрового колеса, но и для автоматической его установки против ветра.

Для этого к задней части поворотной на башне головки стали прикреплять на длинном стержне или на специальной форме вертикальную поверхность, которая при перемене направления ветра автоматически поворачивала головку и вновь устанавливала ветровое колесо в лоб к ветру. Так появилось простейшее устройство — хвост — для поворота ветрового колеса на ветер без вмешательства человека. Хвосты у современных ветродвигателей рассчитывают так, чтобы они начинали поворачивать головку с ветровым колесом на ветер, когда его направление изменится на угол около 10 градусов.

Имеются конструкции ветродвигателей, у которых роль хвоста выполняет ветровое колесо, устанавливающееся вновь против ветра, когда он изменит свое направление. Для этого ветровое колесо помещается не впереди башни, а за башней. В этом случае ветровое колесо, как флюгер, автоматически следует за ветром.

К недостаткам такой схемы ветродвигателя нужно отнести вредное влияние башни на ветровое колесо, которая, затеняя, ослабляет и искажает воздушный поток, подходящий к крыльям.

Однако при помощи хвостов могут устанавливаться на ветер только небольшие ветровые колеса диаметром до 12—15 метров, так как возможные резкие повороты хвостом больших ветровых колес могут вызвать дополнительные ломающие усилия в махах крыльев и у главного вала за счет появления больших гироскопических сил. Как известно, вращающаяся масса сопротивляется принудительному изменению плоскости вращения.

Это сопротивление и является причиной возникновения гироскопических сил, которые резко увеличиваются при быстрых поворотах вращающихся крыльев.

Для поворота на ветер больших ветровых колес современных быстроходных ветродвигателей применяются другие остроумные устройства, которые при любом ветре аккуратно и плавно выводят ветровое колесо на ветер.

Из наиболее распространенных таких устройств являются виндрозные механизмы (см. рис. 7), которые представляют собой два многолопастных ветровых колеса небольшого диаметра, помещенных на задней части фермы головки с плоскостями вращения, расположенными под прямым углом к плоскости вращения рабочего ветрового колеса. Общий вал виндроз соединяется механизмом с большим передаточным отношением с зубчатым, или цевочным, ободом вершины башни. Когда ветер дует в лоб рабочему колесу, виндрозы оказываются расположенными ребром к его направлению и стоят неподвижно. Когда же направление ветра изменится и он зайдет сбоку виндроз, они приходят в движение, поворачивая через передаточный механизм головку с ветровым колесом на ветер до тех пор, пока оно не станет строго против ветра. В это время виндрозы вновь расположатся ребром к ветру и остановятся, пока он снова не изменит свое направление.

Обычно виндрозные механизмы поворачивают головку относительно башни с очень небольшой скоростью: один полный оборот за несколько минут.

У крупных ветродвигателей, работающих с электрическими генераторами на общую сеть с другими станциями, установка головки на ветер осуществляется при помощи электромотора, управляемого небольшим флюгером, который, поворачиваясь при изменении направления ветра, замыкает электрическую линию и автоматически пускает электромотор.

Электромотор остановится лишь тогда, когда произойдет разъединение линии при положении флюгера вдоль воздушного потока, а ветрового колеса в лоб к ветру.

Таковы основные устройства у современных ветродвигателей для автоматического поворота ветрового колеса на ветер.

Однако ветер может менять в широких пределах не только свое направление, но и скорость, а следовательно, и силу давления на ветровое колесо, которое при постоянной нагрузке, не имея специальных ограничивающих устройств, будет вращаться с переменным числом оборотов, про-

порциональных действующей скорости ветра. При больших скоростях ветра ветровое колесо может развить очень большое число оборотов, опасное не только для его прочности, но и для прочности приключенных к ветродвигателю машин.

Поэтому современные ветродвигатели снабжаются специальными устройствами, которые, вступая в действие при определенной скорости ветра, автоматически ограничивают число оборотов ветрового колеса при дальнейшем ее увеличении и совершенно останавливают его при буре.

Наиболее простой метод ограничения оборотов у ветрового колеса заключается в том, что оно при ветре с определенной скоростью начинает частично выходить из-под ветра. При этом по мере усиления ветра ветровое колесо поворачивается все на больший угол и при буре встает ребром к воздушному потоку и останавливается (рис. 8 и 9).

При поворотах головки с ветровым колесом дополнительно поднимается специальный груз или растягиваются регулирующие пружины, которые при уменьшении скорости ветра вновь выводят ветровое колесо на ветер.

При косой обдувке ветровое колесо удерживает число оборотов в заданных пределах при повышенных скоростях воздушного потока.

Вывод ветрового колеса из-под ветра достигается за счет некоторого смещения его оси относительно оси башни (регулирование с эксцентриситетом у многолопастного ветродвигателя ТВ-5) или при помощи дополнительной поверхности, помещенной сбоку ветрового колеса (регулирование боковой лопатой у ветродвигателя ТВ-8).

При этой довольно простой схеме регулирования число оборотов ветрового колеса колеблется в довольно больших пределах с отклонением в ту или другую сторону до 15—20 процентов от установленного значения. Кроме этого, при описанных конструктивных схемах регулирующих устройств возможен резкий поворот вращающегося ветрового колеса и появление ломающих гироскопических сил.

По этим причинам метод регулирования или, вернее, ограничения числа оборотов путем вывода всего ветрового колеса из-под ветра обычно применяется у тихоходных ветродвигателей с небольшими ветровыми колесами. Для регулирования числа оборотов у больших быстроходных ветродвигателей выводят из-под ветра не ветровые колеса, а отдельные крылья или их концевые части, равные 1/4 или 1/3 длины крыла.

Наиболее совершенным и еще непревзойденным по качеству является центробежно-аэродинамическое регулирование быстроходных ветродвигателей при помощи особых обтекаемых поверхностей — стабилизаторов (рис. 10), которые на стойках прикрепляются к поворотным частям крыльев. Стабилизаторы управляются центробежными грузами, которые помещаются внутри крыльев и очень чувствительны к изменениям числа оборотов ветрового колеса, а следовательно, и скорости ветра. Незначительное перемещение центробежных грузов вызывает поворот стабилизаторов, а затем и поворотных частей у крыльев. При выходе поворотных частей крыльев из-под ветра ветровое колесо снижает число оборотов за счет дополнительных сопротивлений и уменьшения рабочих поверхностей у крыльев.

Хорошо налаженное стабилизаторное регулирование обеспечивает очень высокую равномерность вращения ветрового колеса с отклонением от расчетных чисел оборотов на 1,5—5 процентов в ту или другую сторону.

Это оригинальное регулирование разработано советскими учеными и конструкторами под руководством заслуженного деятеля науки профессора Г. X. Сабинина и профессора Н. В. Красовского.

Покойный академик В. П. Ветчинкин предложил чисто аэродинамическое регулирование числа оборотов ветровых колес у быстроходных ветродвигателей путем вывода из-под ветра крыльев за счет давления на них самого воздушного потока. Для этого крылья, как флюгеры, могут поворачиваться относительно осей махов, свободно пропуская воздушный поток.

Однако необходимая равномерность у ветровых колес с этим регулированием достигается за счет включения в трансмиссию ветродвигателя дополнительной вращающейся массы, которая называется инерционным аккумулятором.

Инерционный аккумулятор не только выравнивает обороты трансмиссии ветродвигателя, но запасает на 5—6 минут кинетическую энергию, которая расходуется затем в периоды кратковременных провалов скоростей у порывистого ветра.

У небольших быстроходных ветродвигателей поворот крыльев при регулировании осуществляется за счет дополнительных центробежных сил, которые возникают на специальных грузах, прикрепленных к крыльям. Такое регулирование применено у ветроэлектрических агрегатов типа ВЭ конструкции ЦАРИ.

Это простейшее по выполнению и весьма оригинальное по замыслу регулирование было предложено лауреатом Сталинской премии В. С. Шаманиным.

Таковы основные автоматические механизмы современных крыльчатых ветродвигателей, при помощи которых их ветровые колеса устанавливаются на ветер и сохраняют заданное число оборотов при больших скоростях воздушного потока.

Благодаря наличию этих механизмов современные крыльчатые ветродвигатели могут продолжительное время надежно и нормально работать в отсутствии обслуживающего персонала.

Из сказанного следует, что современные ветродвигатели являются вполне совершенными механизмами, применение которых при определенных хозяйственных условиях имеет ряд существенных преимуществ перед двигателями других типов.

Энергетика хозяйств, базирующихся на ветродвигателях, при умелой их эксплуатации отличается независимостью от затруднений, связанных е получением и доставкой топлива. Это приобретает исключительное значение для отдаленных районов нашей страны.

Так, опыт эксплуатации нескольких десятков быстроходных ветроэлектрических станций в хозяйствах Крайнего Севера показал, что за ряд лет ветроэлектростанции выработали до 97 процентов всей потребной энергии и только 3 процента пришлись на долю резервных тепловых двигателей, которые пускались в работу лишь при ремонтах ветродвигателей. Работа ветродвигателей в этих хозяйствах дала несколько сот тысяч рублей экономии и значительно сократила завоз горючего.

Известный энергетик и строитель Днепровской гидроэлектростанции академик А. В. Винтер, учитывая особенности энергии ветра, рекомендует при решении вопросов о целесообразности использования ветродвигателей брать за основу не установленную мощность ветродвигателя, которая зависит от наличия и скорости ветра, а количество работы, полученное от него без затраты топлива или соответствующего эквивалента гидроэнергии.

Это значит, что при использовании энергии ветра следует учитывать не киловатты располагаемой переменной мощности, а ту механическую работу, которую может дать ветросиловая установка, сокращая затраты топлива, рабочей силы и тягла на трудоемких работах.

Ветросиловые установки нужно использовать в первую очередь там, где ветровой режим имеет достаточную интенсивность и где производственные процессы без хозяйственного ущерба допускают перерывы, которые могут быть вызваны периодами штиля и слабого ветра или бурь, когда ветродвигатель работать не может.

К таким производствам относится большинство стационарных сельскохозяйственных работ в колхозах, а именно: водоснабжение, переработка зерна, приготовление корма, молотьба, осушение заболоченных земель, силовое обслуживание разнообразных кустарных производств и промыслов, а также мелкая электрификация для освещения и моторной нагрузки.

Эффективность ветродвигателей в сельском хозяйстве была подчеркнута В. И. Лениным, когда он еще в 1918 году в «Наброске плана научно-технических работ» Академии наук СССР дал указание использовать ветряные двигатели вообще и в применении к земледелию.

Большое хозяйственное значение имеют ветродвигатели для механизации трудоемких работ в сельском хозяйстве в свете постановления сентябрьского пленума ЦК КПСС о мерах дальнейшего развития сельского хозяйства СССР.

Наиболее трудоемкой работой на колхозной животноводческой ферме является обеспечение животных водой.

Так, по данным Всесоюзного научно-исследовательского института механизации сельского хозяйства (ВИМ) до 20 процентов всех трудовых затрат колхозников приходится на обслуживание животноводства, из которых около одной четвертой части расходуется на обеспечение животных водой.

Для механизации только водоснабжения на колхозных фермах ежегодно требуется 41,8 миллиона киловатт-часов энергии, для получения которой от тепловых двигателей необходимо не менее 125 тысяч тонн жидкого топлива.

Однако теоретические исследования показывают, что до 75 процентов необходимой энергии для механизации водоснабжения в сельском хозяйстве может быть получено за счет использования энергии ветра при помощи современных ветронасосных установок.

В настоящее время возможность использования ветронасосных установок в сельском хозяйстве не проблема, а вполне реальное техническое мероприятие, которое подлежит широкому внедрению в первую очередь для механизации водоснабжения на колхозных фермах.

Опыт эксплуатации нескольких тысяч ветронасосных установок в колхозах и совхозах подтверждает сказанное.

Ветронасосная установка, будучи правильно смонтирована и обеспечена уходом в соответствии с правилами технической эксплуатации, надежно обеспечивает хозяйство водой в любом пункте Советского Союза. Простейшая и зарекомендовавшая себя схема ветронасосной установки сельскохозяйственного типа (рис. 11) состоит из ветродвигателя, трансмиссия которого соединяется со штангой насоса простого действия.

Цилиндр насоса прикрепляется к нижнему концу вертикального нагнетательного трубопровода так, чтобы средняя частица цилиндра находилась на расстоянии не более 4— 5 метров от уровня воды в колодце. При большом количестве воды в колодце насос может быть погружен в воду.

Колонна нагнетательных труб подвешивается к переходной коробке, которая устанавливается на дне насосной шахты.

От переходной коробки вода по трубопроводу подается в бак водонапорной башни, из которого она по разводящей трубе поступает в водоразборные колонки или непосредственно в помещение для скота.

В настоящее время для механизации водоснабжения изготовляются многолопастные ветродвигатели разных марок (рис. 12).