У вертикально-осевых ветроустановок есть много принципиальных преимуществ и недостатков по сравнению с более распространенными горизонтально-осевыми ветроустановками. Самые известные типы вертикально-осевых ветроустановок – роторы Савониуса и роторы Дарье с криволинейными и прямыми лопастями. В данном материале рассматривается такое понятие как самозапуск роторов Дарье. Несмотря на то, что вертикально-осевые ветроустановки по некоторым параметрам превосходят уже ставшие привычными горизонтально-осевые ветроустановки, широкое их внедрение все еще не происходит. В основном это связано с несовершенством аэродинамических характеристик, в то время как ветроустановки пропеллерного типа разрабатываются довольно давно, и научно-техническая база по ним намного больше.
Одной из проблем, связанная с вертикально-осевыми ветроустановками, которая требует решения, это вопрос самозапуска (self-starting).
Роторы Дарье принципиально намного эффективнее роторов Савониуса, но при этом имеют один серьезный недостаток – это низкие рабочие характеристики при небольших значениях быстроходности из-за циклического изменения угла атаки лопастей, который имеет такую большую амплитуду при небольших величинах быстроходности, что лопасти останавливаются и производят маленький или отрицательный (т.е. обратный) вращающий момент.
Другими словами, у большинства роторов Дарье с фиксированным шагом лопастей отсутствует надежный самозапуск и только при высоких значениях быстроходности, приблизительно больше 3-х, лопасти не останавливаются и ротор может достигнуть высокой эффективности.
При неподвижном состоянии ротора Дарье, у него возникает маленький вращающий момент, и при медленном вращении без нагрузки чистая энергия за оборот обычно понижается до нуля в диапазоне быстроходности от 0,5 до 2. Это область отрицательных (или обратных) вращающих моментов называется еще «мертвой зоной» и показана на приведенном рисунке 1.
Рисунок 1 – Зависимость коэффициента вращающего момента от быстроходности, на котором показана «мертвая зона» с отрицательным вращающим моментов при значении быстроходности от 0,7 до 2,7 [1].
Ротор с такой зависимостью может запуститься, но из-за «мертвой зоны» не будет ускоряться до своей оптимальной рабочей скорости.
Преодолеть «мертвую зону» роторы Дарье самостоятельно при определенных условиях все же могут, если скорость ветра случайно снизится таким образом, что быстроходность медленно вращающейся ветроустановки подскочит от низкого значения, присущего «мертвой зоне», до большей величины, а потом ветер будет постепенно увеличиваться и ротор при этом сможет ускориться до рабочих скоростей вращения.
Даже, если бы при низкой скорости повысить эффективность ветроустановки таким образом, чтобы энергия, выработанная за один поворот была положительной, при движении через «мертвую зону» трансмиссии ветроустановок обладают некоторым трением, которого может быть достаточно для предотвращения самозапуска, если на роторе не возникает значительный вращающий момент за время разгона от нулевой скорости до рабочего диапазона вращения.
В то же время у ротора Савониуса, как сказано выше, отсутствует такой недостаток. Поэтому иногда его устанавливают на башне вертикально-осевой ветроустановки, и именно он обеспечивает самозапуск вертикально-осевой ветроустановки. Но при таком решении есть недостаток – это влияние Савониуса на аэродинамическую эффективность вертикально-осевой ветроустановки в целом, когда последняя вышла на необходимый режим работы, т.е. достигла определенной быстроходности.
Вообще, понятию самозапуска уделяют большое количество внимание, о чем свидетельствует большое количество зарубежных публикаций. Предлагается и несимметричный профиль лопастей, и эластичные лопасти или паруса, и автоматическое изменение шага лопасти, и т.д.
Также проблема самозапуска может быть решена электрическим путем, если применить генератор в роли двигателя для разгона ветроустановки. Несмотря на это, такой вариант больше походит для ветроустановок, связанных с электрической сетью, в то же время в автономных ветроустановках такой поход не является эффективным. Следует отметить что в ветроустановках данного типа применяются неподвижные опоры для трубопроводов, что позволяет компенсировать и погасить колебания.
Поэтому если вопрос самозапуска был бы решен без значительного увеличения стоимости конструкции, ветроустановки с ротором Дарье могли бы внести значительных вклад в области автономного электроснабжения.
