В автономных системах гарантированного электроснабжения на возобновляемых источниках энергии особые требования по надежности и эффективности предъявляются к к ветроэнергетическим первичным источникам энергии, в качестве которых могут применяться как горизонтально-осевые, так и вертикально-осевые установки. Вопросы проектирования, разработки и эксплуатации горизонтально-осевых установок хорошо представлены в отечественной литературе и они наиболее полно представлены на отечественном и зарубежных рынках. Их преимущества и эффективность по коэффициенту преобразования энергии ветра, практически приближающемуся к теоретическому значению ξ =0,593 неоспоримы. Вместе с тем они имеют и существенные недостатки, такие как потеря выработки энергии при переориентации на ветер, наличие устройства передачи энергии с горизонтального расположенного генератора на вертикальную мачту и незащищенность лопастей от поломки при шквальных ветрах. Каковы особенности конструкции вертикально-осевой ветротурбинной установки модульного типа, как оптимизированы ее геометрические параметры оптимизация и как они влияют на вырабатываемую ею мощность?
Наиболее известные и простыми по исполнению являются ветроустановки Савониуса. Они могут иметь различные модификации исполнения. Наиболее интересными, с нашей точки зрения, являются вертикально-осевые ветроустановки турбинного типа с направляющим аппаратом и лопатками, ветроколеса, имеющими форму дужки. Такие установки разработываются и выпускаются рядом отечественных [2,3] и зарубежных предприятий [4].
На рисунках 1а и1б представлены конструкция и внешняя характеристика турбинной установки, выпускаемой фирмой Gual Industrie [4].
Анализ коэффцициента преобразвания энергии ветра, показывает, что его значение не превышает ξ=0,12. Поэтому представляет интерес возможности его увеличения, как за счет оптимизации его параметров – определению оптимального значения числа лопаток ветроколеса, их геометрии, углов их установки, размерам направляющего аппарата, его геометрии и углам установки. В связи с этим в аэродинамической трубе НИМК ЦАГИ были проведены экспериментальные исследования такой ветроустановки, проведено математическое моделирование упрощенной модели ветроустановки с плоскими лопатками [5] и проведено им цифровое моделирование в среде Flow vision.
На рисунке 2 представлена конструкция исследуемой ветротурбинной установки (ТВЭУ), имеющей двухярусную конструкцию. В верхнем ярусе расположено ветроколесо, к валу которого крепятся с помощью траверс крепятся лопатки дугообразной формы. Вал ветроколеса имеет двухточечное крепление в подшипниках статора, на боковой поверхности которого находятся дугообразные лопатки направляющего аппарата. Нижний конец вала ветроколеса соединяется с магнитоэлектрическим тихоходным генератором ВГБЖ-08 [6], расположенном в нижнем ярусе конструкции ветротурбинного модуля.
Аэродинамические характеристики ТВЭУ –коэффициент использования энергии ветра - ξ или Ср и быстроходность Ζ определяются формулами
ξ= Ср=2N/(
