Vėjaračiai nedidelės galios vertikaliosios ašies vėjo jėgainei

energetika. 2009. T. 55. Nr. 4. P. 214–219© lietuvos mokslų akademija, 2009© lietuvos mokslų akademijos leidykla, 2009Vėjaračiai nedidelės galiosvertikaliosios ašies vėjo jėgaineiAlgirdas GulbinasLŽŪU Žemės ūkio inžinerijosinstitutas, Raudondvaris,LT-54132 Kauno r.El. paštas: gulbinas@mei.ltNedidelės galios vėjo jėgainės su vertikaliosios ašies vėjaračiais yra nesudėtingos konstrukcijos,tačiau dėl didelės masės, tenkančios galios vienetui (su Savonijaus rotoriais), ir netolygaus sukimomomento (su ortogonaliniais dvimenčiais vėjaračiais) ribojamas jų naudojimas.Pateikiami vertikaliosios ašies vėjaračių, naudotinų nedidelės galios vėjo jėgainėse, veikimotyrimai. Nustatyti Savonijaus rotorių, turinčių skirtingos formos mentes ir ortogonalinio dvimenčiovėjaračio sukimo momento kitimo dėsningumai. Ortogonalinio dvimenčio vėjaračiosukimo momentas kai kuriose padėtyse, judančio oro srauto atžvilgiu, yra nepakankamas, kadjis pradėtų suktis savarankiškai be pradinio sukimo impulso. Savonijaus rotorių sukimo momentasyra tolygesnis, ypač su spiralinėmis mentėmis, negu ortogonalinių vėjaračių, tačiau dėldidelės jų masės, tenkančios galios vienetui, juos tikslinga naudoti tik mažose vėjo jėgainėse.Vėjo jėgainės dvimenčio ortogonalinio vėjaračio sukimo momento netolygumą galima sumažintiįrengus papildomą Savonijaus rotorių su tiesiomis mentėmis, tvirtinamą prie vėjaračiotam tikru kampu, šiuo atveju vėjaratis gali pradėti suktis, be atskiro pradinio sukimo impulso.Pasiūlyta nedidelės galios vėjo elektrinės su vertikaliosios ašies ortogonaliniu vėjaračiu beipapildomu Savonijaus rotoriumi schema.Raktažodžiai: vertikaliosios ašies ortogonalinis vėjaratis, Savonijaus rotorius1. ĮVADASLietuvos Respublika, atsižvelgdama į Europos Parlamento ir Tarybosdirektyvą 2001/77/EB „Dėl elektros, pagamintos iš atsinaujinančiųenergijos išteklių skatinimo elektros energijos vidausrinkoje“, įsipareigojusi iki 2010 m. elektros energijos gamybą išatsinaujinančiųjų energijos šaltinių padidinti iki 7 % bendroselektros energijos suvartojimo (šiuo metu iš jų pagaminamaapie 4,7 % elektros energijos, tarp jų vėjo elektrinėse – apie 1 %).Vykdant šiuos įsipareigojimus, be hidroelektrinių, biodujų beikogeneracinių biokuro elektrinių, Lietuvos vakarinėje dalyje, kurvėjo greičiai didžiausi, įrengiami vėjo elektrinių parkai, kuriuosestatomos didelės galios – 2 MW ir galingesnės – vėjo elektrinės.Iki 2010 m. tokių elektrinių instaliuota galia turi siekti 200 MW.Tačiau įrengiant šiuos parkus, susiduriama su nemažais sunkumais.Aktuali tampa ir žemės plotų, kuriuose numatoma statytivėjo elektrinių parkus, įsigijimo ar nuomos problema. Elektrosenergijos, kuriai gaminti naudojami atsinaujinantieji energijosištekliai, gamybos ir pirkimo skatinimo tvarkos aprašo 2 priede(Valstybės žinios. 2001. Nr. 104-3713; pakeitimai – Valstybės žinios.2005. Nr. 73-2651 bei Valsybės žinios. 2006. Nr. 100-3862)planuojama ir nedidelių, neviršijančių 250 kW galios, vėjo elektriniųstatyba. Iki 2009 m. tokių elektrinių bendra instaliuota galiaturėtų sudaryti iki 3,5 MW. Nedidelės galios elektrinės, kaiprodo išvystytą vėjo energetiką turinčių šalių, ypač JAV patirtis,gali pagaminti žymią dalį reikalingos elektros energijos [1]. Mažosiosvėjo jėgainės nesunkiai integruojamos į aplinką kaimovietovėse ir jas galėtų įsirengti ūkininkai ar kiti kaimo vietoviųgyventojai savo sodybų energijos poreikiams tenkinti. Lietuvojemažajai vėjo energetikai galėtų būti neblogos perspektyvos,bet susiduriama su problema, kad naujos nedidelės galios vėjoelektrinės yra labai brangios. Jų santykinė kaina siekia iki keliųtūkstančių eurų už vieną kilovatą instaliuotos galios. Lietuvojepanašias elektrines būtų galima gaminti gerokai pigiau, bentkai kuriuos komplektuojančius mazgus, pavyzdžiui, vėjaračius,elektros konversijos sistemas.Paprastos konstrukcijos ir nesunkiai pagaminamos yra vėjojėgainės su vertikaliosios ašies vėjaračiais. Jėgainės su tokio tipovėjaračiais nedidelės galios vėjo elektrinių rinkoje sudaro nemažądalį [2, 3]. Šioms jėgainėms dažniausiai naudojami ortogonaliniaiarba Darje (Darrieus) tipo vėjaračiai su profilinėmis mentėmisbei įvairių konstrukcijų Savonijaus (Savonius) rotoriai.Tačiau be privalumų, palyginti su įprastomis horizontaliosiosašies vėjo jėgainėmis, jos turi ir trūkumų: jų mažesnis galios koeficientas;nuolat kintantis vėjaračio sukimo momentas sukeliapapildomas apkrovas jėgainės konstrukcijos elementams; kaikurių vėjaračių išvystomas sukimo momentas gali būti nepakankamas,kad jėgainė pradėtų veikti savarankiškai, be pradiniosukimo impulso.Tyrimų tikslas – eksperimentiniais ir analitiniais tyrimaisištirti ortogonalinio vėjaračio ir Savonijaus rotoriaus sukimomomentų kitimo dėsningumus, pagrįsti vertikaliosios ašiesortogonalinio vėjaračio ir papildomo Savonijaus rotoriaus tarpusaviopadėtį, siekiant efektyviausio jų veikimo, pasiūlyti ver-

Vėjaračiai nedidelės galios vertikaliosios ašies vėjo jėgainei 215tikaliosios ašies nedidelės galios vėjo jėgainės su ortogonaliniuvėjaračiu bei papildomu Savonijaus rotoriumi schemą.2. TYRIMŲ METODIKATyrimų objektai – nedidelės galios vėjo jėgainių vėjaračiai suvertikaliąja ašimi. Tai Savonijaus tipo rotoriai ir ortogonalinis Hformos vėjaratis.Savonijaus rotorių (1 pav. I) sudaro dvi pusapvalio lovioformos mentės, įtvirtintos tarp skritulio formos diskų. Nustatyta[4], kad optimalus rotoriaus skersmens D, menčių profiliospindulio R, tarpo tarp menčių a ir rotoriaus aukščio H ryšysyra: R = D/3,7; a = 0,3R; H = D. Tyrimai atlikti su trimis Savonijausrotorių modeliais, turinčiais skirtingas mentes (1 pav. II).Šių rotorių skersmuo D = 250 mm, aukštis H = 250 mm, menčiųprofilio spindulys R = 67 mm, tarpas tarp menčių a = 20 mm.Eksperimentiniai tyrimai su Savonijaus rotorių modeliais atliktispecialiame stende – aerodinaminiame vamzdyje (2 pav.).IEksperimentinių tyrimų metu matuotas vėjaračio modelįaptekančio oro srauto greitis ir nustatytas vėjaračio išvystomassukimo momentas. Sustabdyto vėjaračio sukimo momento nustatymui,kas 15 laipsnių buvo keičiamas jo pasisukimo kampasaptekančio oro srauto atžvilgiu ir dinamometru matuojama jotraukos jėga.Tiriamas rotoriaus modelis turi būti aerodinamiškai panašusį natūralų vėjaratį [5]: t. y. jie turi būti geometriškai panašūs(linijiniai matmenys proporcingi); modelio ir natūralaus vėjaračiopadėtys oro srauto atžvilgiu turi būti vienodos; bandymų turibūti išlaikoma sąlyga:čia Re – Reinoldso skaičius;ν – natūralų vėjaratį aptekančio oro srauto greitis m/s;ν – modelį aptekančio oro srauto greitis m/s;1D – natūralaus vėjaračio būdingas matmuo (skersmuo) m;D 1– vėjaračio modelio būdingas matmuo (skersmuo) m;γ – oro klampio kinematinis koeficientas m 2 /s.Kadangi natūralus vėjaratis ir modelis veiks ore, kurio kinematinioklampio koeficientą abiem atvejais galima laikyti vienodu(γ = 1,45 · 10 –5 m 2 /s), todėl iš (1) išraiškos nustatomas modelįaptekančio oro srauto greitis v 1(m/s):(1)(2)II1 pav. Savonijaus rotoriaus schema (I) ir vėjaračių modeliai (II):D – vėjaračio skersmuo; R – menčių profilio spindulys; a – tarpas tarp menčių;1 – rotorius su tiesiomis mentėmis; 2 – su mentėmis dviejose sekcijose, persuktose90° kampu; 3 – su spiralinėmis mentėmisTarkime, kad vėjaračių rotorių modeliai yra penkis kartusmažesni negu natūralaus vėjaračio, t. y. D = 5D 1. Vėjo greitis,kuriam esant nedidelės galios vėjaratis pasiekia vardinę galią,paprastai yra 7–8 m/s, todėl oro srauto greitis aerodinaminiamevamzdyje, atsižvelgiant į (2) išraišką, turėtų būti ν = (35–40) m/s.Kitas tyrimų objektas – nedidelės galios vėjo jėgainės dvimentisortogonalinis H pavidalo vertikaliosios ašies vėjaratis(3 pav.).Vėjaratis turi skersinį, per vidurį nejudamai sujungtą suvertikaliąja ašimi. Skersinio galuose pritvirtintos simetrinioprofilio WORTMAN FX–L150/25 mentės. Mentės aerodinaminėstyga – 0,566 m, mentės ilgis (aukštis) – 3,39 m, vėjaračio skersmuo– 6,78 m, mentės vienos pusės plotas – 1,92 m 2 .Ortogonalinio vėjaračio sukimo momentas T (N m) nustatomasanalitiškai:2 pav. Aerodinaminio vamzdžio schema: 1 – prieškameris;2 – darbinė kamera; 3 – difuzorius; 4 – ventiliatorius; 5 – tiriamasmodelis; 6 – oro srauto greičio daviklis; v – oro srautas

Vėjaračiai nedidelės galios vertikaliosios ašies vėjo jėgainei 217III5 pav. Ortogonalinio vėjaračio schema (I) ir vėjaračio sukimo momento T priklausomumasnuo pasisukimo kampo φ (II): D – vėjaračio skersmuo; F t1ir F t2– menčių traukimojėgos; v – oro srauto kryptis6 pav. Ortogonalinio vėjaračio su papildomu Savonijaus rotoriumi sukimo momentoT priklausomumas nuo pasisukimo kampo φ: θ – kampas tarp vėjaračio skersinio irSavonijaus rotoriaus; ν – oro srauto kryptisvėjaračiu. Didesnę vėjo jėgainės galią galima pasiekti sujungiantkelis mažesnius rotorius, tačiau tuomet darosi sudėtingesnė jėgainėskonstrukcija, be to, arti sumontuoti rotoriai trukdytų atitekančiamoro srautui ir jie negalėtų pakankamai efektyviai veikti.Reikia įvertinti ir tai, kad Savonijaus rotorių sukimo momentasnuolat kinta. Siekiant tolygesnio sukimo momento, galima naudotirotorius su mentėmis, išdėstytomis keliose, tolygiai persuktosesekcijose, arba su spiralinėmis mentėmis, bet šiuo atveju vėjaračiokonstrukcija yra sudėtingesnė ir brangesnė. TikslingiausiaSavonijaus rotorius taikyti mažose vėjo jėgainėse, kurių vėjaračiųdarbo plotas būtų iki 10 m 2 , o galia iki 0,5 kW.Kitas Savonijaus rotorių pritaikymas būtų juos panaudotikaip papildomus rotorius vertikaliosios ašies ortogonalinėsevėjo jėgainėse. Jėgainės su ortogonaliniais vėjaračiais turi nemažaiprivalumų, palyginus su kitokiomis [7], tačiau vienas jų trūkumųyra toks, kad dvimentis ortogonalinis vėjaratis pradedaveikti, tik jam suteikus pradinį sukimo impulsą.5 pav. pavaizduotas tiriamo ortogonalinio dvimenčio vėjaračiosukimo momento priklausomumas nuo pasisukimo kampo.Šis priklausomumas nustatytas skaičiavimais, remiantis (3) ir(5) išraiškomis. Oro srauto greitis pasirinktas 35 m/s (kaip ir Savonijausrotorių eksperimentiniuose tyrimuose), aerodinaminiųkoeficientų c yir c xnustatymui panaudoti mentės profilių katalogo[8] duomenys.Grafike matyti, kad vėjaračio pasisukimo kampui ϕ esant90° ar 270°, sukimo momentas yra lygus nuliui, o kai kampasϕ lygus 180° ir 360°, sukimo momentas net yra neigiamas. Taigivėjaračiui esant šiose padėtyse jis pats negalės savarankiškaipradėti suktis. Todėl gerokai pasunkėja jėgainės su tokio tipovėjaračiu eksploatavimas. Norint išvengti šių neigiamų vertikaliosiosašies ortogonalinio vėjaračio savybių, galima padidintimenčių skaičių, tačiau, siekiant paprastesnės ir pigesnės vėjojėgainės konstrukcijos, galima dvimenčio vėjaračio trūkumussumažinti įrengiant papildomą Savonijaus rotorių, tvirtinamąprie ortogonalinio vėjaračio tam tikru kampu.Išnagrinėjus įvairius tokio papildomo rotoriaus tvirtinimovariantus, nustatyta, kad tam geriausiai tiktų Savonijaus rotorius7 pav. Nedidelės galios vėjo elektrinės schema: 1 – ortogonalinio vėjaračio mentės;2 – Savonijaus rotorius; 3 – stabdis; 4 – elektros generatorius; 5 – stovas

218Algirdas GulbinasLentelė. Pagrindiniai vėjo elektrinės parametraiParametras Matav. vnt. DydisGalia kW 1,5Vėjaračio sukimosi greitis min –1 40–120Vėjaračio skersmuo m 4Savonijaus rotoriaus skersmuo m 1Vėjo elektrinės aukštis m 3,5Menčių ilgis m 3Kampas θ tarp ortogonalinio vėjaračioskersinio ir Savonijaus rotoriauslaipsniai 105Vėjo elektrinės orientacinė masė kg 300su tiesiomis mentėmis. Rotorius tvirtinamas prie ortogonaliniovėjaračio kampu θ = 105°. 6 pav. parodytas ortogonalinio vėjaračiosu papildomu Savonijaus rotoriumi sukimo momentopriklausomumas nuo jo pasisukimo kampo oro srauto kryptiesatžvilgiu.Pavaizduotame grafike matyti, kad nors vėjaračio sukimomomento netolygumai ir išlieka gana nemaži, tačiau sukimomomentas visose vėjaračio padėtyse yra teigiamas, tad vėjaratis,esantis bet kurioje padėtyje, gali pradėti suktis savarankiškai. Beto, papildomas Savonijaus rotorius šiek tiek padidina ir vidutinįvėjaračio sukimo momentą.Remiantis eksperimentinių ir analitinių tyrimų rezultatais,siūloma nedidelės galios vėjo elektrinės su vertikaliosios ašiesortogonaliniu vėjaračiu bei papildomu Savonijaus rotoriumischema (7 pav.).Vėjo elektrinė turi vertikaliosios ašies dviejų menčių ortogonalinįvėjaratį su simetrinio aerodinaminio profilio mentėmis.Siekiant sumažinti ortogonalinio vėjaračio sukimo momentonetolygumą ir palengvinti jėgainės paleidimą, įrengiamas papildomasSavonijaus rotorius, kuris kampu θ tvirtinamas prieortogonalinio vėjaračio. Lėtaeigis kintamosios elektros srovėsgeneratorius tiesiogai sujungiamas su vėjaračio velenu. Vėjoelektrinės mazgai montuojami ant stovo, tvirtinamo prie betoniniopamato. Pagrindiniai vėjo elektrinės parametrai pateiktilentelėje.Ortogonalinio vėjaračio mentėms naudotinas simetrinisaerodinaminis profilis WORTMAN FX-71L-150/25 arbaNACA 0021. Papildomo Savonijaus rotoriaus mentės daromostiesios. Vėjaračio galios ribojimui, ortogonalinio vėjaračio menčiųnustatymo kampas turi būti reguliuojamas, t. y. reikalingasmenčių kampo keitimo įtaisas [9], veikiantis atsižvelgus į vėjaračiosukimosi greitį. Vėjaračio sustabdymui įrengiamas diskinisstabdis su rankiniu valdymu. Stabdžio valdymui pritaikoma hidraulinėarba mechaninė pavara. Elektros srovei gaminti naudojamastiesiogiai per movą sujungtas su vėjaračio vertikaliuojuvelenu lėtaeigis 0–400 V elektros generatorius. Vėjo elektrinėturėtų būti komplektuojama įrenginiu, kuris generatoriaus gaminamąkintamų parametrų elektros srovę paverstų nuolatine12 V elektros srove, tinkama akumuliatoriams įkrauti.Eksperimentinė panašios konstrukcijos vėjo elektrinė suortogonaliniu vėjaračiu bei papildomu Savonijaus rotoriumiįrengta Lietuvos žemės ūkio universiteto Žemės ūkio inžinerijosinstitute Raudondvaryje.4. IŠVADOS1. Ortogonalinio dvimenčio vėjaračio sukimo momentas kai kuriosepadėtyse oro srauto atžvilgiu yra nepakankamas, kad vėjaratispradėtų suktis savarankiškai, be pradinio sukimo impulso.2. Savonijaus rotorių, ypač su spiralinėmis mentėmis, sukimomomentas yra tolygesnis negu ortogonalinių vėjaračių, tačiaudėl didelės jų masės, tenkančios galios vienetui, juos tikslinganaudoti tik mažose vėjo jėgainėse arba šiuos rotorius naudotikaip papildomus vėjaračius vėjo jėgainėse su ortogonaliniaisdvimenčiais vėjaračiais.3. Vėjo jėgainės dvimenčio ortogonalinio vėjaračio sukimomomento netolygumą galima sumažinti įrengus papildomąSavonijaus rotorių su tiesiomis mentėmis, tvirtinamą prie vėjaračiokampu θ = 105°; šiuo atveju vėjaračio veikimo pradžiainereikalingas atskiras pradinis sukimo impulsas.LiteratūraGauta 2009 06 15Priimta 2009 08 251. Asmus P. Small wind turbines. Can they live up to their potentialin the USA? // Refocus. 2003. July / August. P. 40–43.2. Riegler H. HAWT versus VAWT. Small VAWTs find a clearniche // Refocus. 2003. May / June. P. 44–46.3. Peace S. Wind alternatives. Why not vertical axis? // Refocus.2003. May / June. P. 30–33.4. Fujisawa N., Gotoh F. Experimental study on the aerodynamicperformance of Savonius Rotor // Journal SolarEnergy Engineering. 1994. Vol. 116. P. 148–152.5. Ivanov I. I., Ivanova G. A., Perfilov O. A. Modelnye issledovaniyarotornykh rabochikh kolyos vetroenergeticheskikhstantsiy // Vetroenergeticheskiye stantsii. 1988. Vyp. 129.S. 106–113.6. Gulbinas A. Vertikalios ašies vėjaračio darbo efektyvumotyrimas // Žemės ūkio inžinerija. LŽŪII ir LŽŪU mokslodarbai. 2002. T. 34(4). P. 79–89.7. Freris L. L. Wind Energy Conversion Systems. PrenticeHall International (UK), 1990. 338 p.8. Althaus D. Stuttgarter Profilkatalog. Stuttgarter Institut fürAerodynamik und Gazdynamik der Universität Stuttgart,1972. 389 p.9. Gulbinas A. Vėjo jėgainių galios reguliavimas // Žemėsūkio inžinerija. LŽŪII ir LŽŪU mokslo darbai. 2007.T. 39(3). P. 81–94.

Vėjaračiai nedidelės galios vertikaliosios ašies vėjo jėgainei 219Algirdas GulbinasVERTICAL AXIS WIND ROTORS FOR SMALL-SCALEWIND TURBINESSummaryResearch on the performance of vertical axis rotors applicable in smallscalewind turbines is presented. Experimental research on Savoniusrotors with different forms of blades in an aerodynamic tube and analyticalresearch on an orthogonal two-bladed wind rotor were carriedout. A consistent change pattern of wind turbine rotation torque wasestablished. Small-scale wind turbines with vertical axis rotors have asimple structure. However, the big mass per power unit (with Savoniusrotors) and the uneven torque (with orthogonal two-bladed wind turbines)limit their usage. The torque of orthogonal two-bladed wind turbinesin some positions, depending on the airflow passing through, isinsufficient for self-rotation without the initial impulse. The torque ofSavonius rotors with spiral blades is more even than that of the orthogonalwind rotors. However, because of their big mass per power unit, itis reasonable to use them only in small-scale wind turbines. It is possibleto reduce the torque unevenness of orthogonal two-bladed windrotors by employing additional Savonius rotors with straight blades,fixed to a wind turbine at a certain angle. In this case, no initial impulseis required to start wind turbine operation.A scheme of a small-scale vertical axis wind turbine with an additionalSavonius rotor is proposed.Key words: vertical axis wind turbine, Savonius rotorАльгирдас ГульбинасВЕТРОКОЛЕСА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮВРАЩЕНИЯ ДЛЯ ВЕТРОУСТАНОВОК МАЛОЙМОЩНОСТИРезюмеПредставлены результаты исследования ветроколес с вертикальнойосью вращения для ветроустановок малой мощности.Проводились экспериментальные исследования роторовСавониуса с лопастями различной формы на аэродинамическойтрубе и аналитические исследования двухлопастного ортогональноговетроколеса. Установлена закономерность изменения вращательногомомента ветроколес.Ветроколеса с вертикальной осью вращения отличаются простотойконструкции, однако большая удельная масса на единицумощности (роторов Савониуса) и неравномерность вращательногомомента (двухлопастного ортогонального ветроколеса) ограничиваютих применение.Ротора Савониуса целесообразно использовать только намаломощных ветроустановках. Также установлено, что креплениепод определённым углом к набегающему воздушному потоку дополнительногоротора Савониуса с прямыми лопастями уменьшаетнеравномерность вращательного момента двухлопастногоортогонального ветроколеса и повышает эффективность его действия.Предложена схема ветроустановки малой мощности с ортогональнымветроколесом и дополнительным ротором Савониуса.Ключевые слова: ветроколесо с вертикальной осью вращения,ротор Савониуса