Почему лопасти ветрогенераторов так медленно вращаются

Может быть видели шутку: женщина едет на автомобиле по Ставрополью, видит ряд ветряков вдоль дороги, и возмущенно пишет: «Зачем поставили эти ветряки, они очень медленно крутятся, и вообще не обдувают от жары…» В каждой шутке есть… и занимательный вопрос. А действительно, почему лопасти ветрогенераторов вращаются очень медленно, ведь для асинхронного генератора внутри нужна большая частота вращения для получения электричества. Да еще и почти все ветряки имеют по три лопасти в конструкции винта. Хотя, чем больше лопастей, тем проще ему начать вращаться от ветра. — Давайте разбираться с этими вопросами.

Ветровые турбины — это инновационные устройства, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в электроэнергию. Большие коммерческие модели имеют мощность порядка 2000 кВт, частота вращения их лопастей около 20 оборотов в минуту. Длина лопастей по 40-50 м, масса до десятка тонн. За сутки один такой ветрогенератор вырабатывает столько же энергии, как при сжигании 10 тонн угля на ТЭЦ.

При всей своей экологичности этот способ получения электроэнергии имеет ряд серьезных недостатков (помимо поиска оптимального места для установки с постоянной розой ветров). Во-первых, ограничение КПД, по закону Беца — лопасти максимально могут использовать до 59,3% от энергии ветра. Во-вторых, проблемы с утилизацией отработавших свой срок генераторов. А именно — огромных лопастей из композитных материалов, которые в данный момент просто закапывают в пустынных полигонах.

Однако, многие люди задаются вопросом, почему лопасти ветряных турбин вращаются так медленно. Основная причина медленного вращения лопастей ветряных турбин заключается в том, что они спроектированы для максимальной эффективности преобразования энергии ветра. Для этого лопасти имеют определенную форму, длину и угол наклона (изменяемый), которые позволяют им захватывать максимальное количество воздуха и преобразовывать его кинетическую энергию во вращательное движение ротора. Кроме того, скорость вращения лопастей ветряной турбины зависит от скорости ветра. Чем сильнее ветер, тем быстрее будут вращаться лопасти. Однако слишком быстрое вращение также может привести к износу турбины и повреждению тяжелых лопастей, поэтому производители стремятся найти оптимальную скорость вращения и вводят специальные тормозные системы.

А нужную частоту вращения для электрогенератора дает повышающий механический редуктор в системе трансмиссии ветряка.

Осталось разобраться с количеством лопастей. Как и в любом сложном техническом устройстве — три лопасти у большого ветрогенератора это инженерный компромисс. Это обеспечивает оптимальное сочетание эффективности и стабильности вращения. Вмешивается еще и экономический фактор — изготовление и доставка габаритных лопастей дорогая процедура.

Чем больше лопастей, тем выше момент на валу, но понижается скорость. С меньшим количеством лопастей приходится увеличивать их длину, чтобы достичь необходимой мощности. Однако увеличение длины лопастей до бесконечности невозможно из-за возможности достижения концами высокой (опасной) скорости. У пропеллеров с ограниченным числом лопастей также возникают проблемы с балансировкой и подавлением резонанса. Три лопасти оказались золотой серединой по всем параметрам.

Таким образом, медленное вращение трех лопастей ветряных турбин обусловлено необходимостью обеспечить оптимальную эффективность работы устройства и защиту от износа. Современные технологии и инженерные решения позволяют максимально эффективно использовать энергию ветра для производства чистой электроэнергии.

Спасибо за внимание.