Ветрогенератор вертикального турбинные. Вертикальные ветровые турбины. Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения

Для привода ветрового генератора изготовлена турбина роторного типа с вертикальной осью вращения. Этот тип ротора очень прочен и долговечен, имеет относительно небольшую скорость вращения и легко может быть изготовлен в домашних условиях, без канители с аэродинамическим профилем крыла и другими проблемами, связанными с изготовлением рабочего винта для ветрогенератора с горизонтальной осью вращения. Более того, такая турбина работает практически бесшумно и вне зависимости от того, куда дует ветер. Работа практически не зависит от турбулентности и частой смены силы и направления ветра. Для турбины характерны высокие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях. Эффективность этой турбины небольшая, но для питания устройств небольшой мощности этого достаточно, все окупается простотой и надежностью конструкции.

Электрогенератор

В качестве генератора используется доработанный компактный автомобильный стартер на постоянных магнитах. Выходные данные генератора: переменный ток мощностью 1,0…6,5 вт (в зависимости от скорости ветра).
Вариант переделки стартера в генератор описан в статье:

Изготовление турбины ветрогенератора

Эта ветровая турбина практически ничего не стоит и проста в изготовлении.
Конструкция турбины состоит из двух или более полуцилиндров установленных на вертикальном валу. Ротор вращается за счет различного сопротивления ветру каждой из лопастей, повернутых к ветру с различной кривизной. Эффективность ротора несколько повышается за счет центрального зазора между лопастями, так как некоторое количество воздуха дополнительно воздействует на вторую лопасть при выходе из первой.

Генератор закрепляется на стойке за выходной вал, через который выходит провод с полученным током. Такая конструкция позволяет исключить скользящий контакт для съема тока. Ротор турбины устанавливается на корпус генератора и фиксируется на свободные концы монтажных шпилек.

Из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм вырезается диск диаметром 280…330 мм или квадратная пластина, вписанная в этот диаметр.

Относительно центра диска размечаются и сверлятся пять отверстий (одно в центре и 4 по углам пластины) для установки лопастей и два отверстия (симметричные центральному) для закрепления турбины на генератор.

В отверстия, расположенные по углам пластины, устанавливаются небольшие уголки из алюминия, толщиной 1,0…1,5 мм, для закрепления лопастей.

Лопасти турбины изготовим из консервной банки диаметром 160 мм и высотой 160 мм. Банка разрезается вдоль оси пополам, в результате чего получаются две одинаковые лопасти. Края банки после разреза, на ширине 3…5 мм, загнуты на 180 градусов и обжаты для усиления края и исключения острых режущих кромок.

Обе лопасти турбины, со стороны открытой части банки, соединены между собой П-образной перемычкой с отверстием посередине. Перемычка образует зазор шириной 32 мм, между центральной частью лопастей, для повышения эффективности работы ротора.

С противоположной стороны банки (у дна), лопасти соединены между собой перемычкой минимальной длины. При этом зазор шириной 32 мм сохраняется на всей длине лопасти.

Собранный блок лопастей устанавливается и крепится на диск в трех точках - за центральное отверстие перемычки и установленные ранее алюминиевые уголки. Лопасти турбины закрепляются на пластине строго одна против другой.

Для соединения всех деталей можно использовать заклепки, саморезы, винтовое соединение М3 или М4, уголки или применить другие способы.

В отверстия, с другой стороны диска, устанавливается генератор и фиксируется гайками на свободные концы монтажных шпилек.

Для надежного самозапуска ветрогенератора необходимо добавить в турбину второй аналогичный ярус лопастей. При этом лопасти второго яруса смещаются по оси относительно лопастей первого яруса на угол 90 градусов. В итоге получится четырехлопастной ротор. Это гарантирует, что всегда есть, по крайней мере, одна лопасть, которая в состоянии поймать ветер и дать турбине толчок для вращения.

Для уменьшения размеров ветрогенератора, второй ярус лопастей турбины можно изготовить и закрепить вокруг генератора. Изготовим две лопасти шириной 100 мм (высота генератора), длиной 240 мм (аналогично длине лопасти первого яруса) из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм. Лопасти изогнем по радиусу 80 мм, аналогично лопастей первого яруса.

Каждая лопасть второго (нижнего) яруса закрепляется с помощью двух уголков.
Один установлен в свободное отверстие на периферии диска, аналогично креплению лопастей верхнего яруса, но со сдвигом на угол 90 градусов. Второй уголок закрепляется на шпильку устанавливаемого генератора. На фото, для наглядности крепления лопастей нижнего яруса, генератор снят.

Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра.

Энергия ветра применялась людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.

Принцип действия ветрогенератора:

• Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
• Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
• Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.

Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

• Оси вращения.
• Количеству лопастей.
• Материалу, из которого выполнены лопасти.
• Шагу винта.

Классификация по оси вращения:

• Горизонтальные.
• Вертикальные.

Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.

Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.

Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.

Классификация по количеству лопастей:

• Двухлопастные.
• Трехлопастные.
• Многолопастные (50 и более лопастей).

По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Классификация по материалам лопастей:

• Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
• Парусные ветрогенераторы.

Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратны, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.

Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.

Классификация по шагу винта:

• Фиксированный шаг винта.
• Изменяемый шаг винта.

Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.

Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.

Развитые страны давно сделали ставку на возобновляемые источники энергии, в том числе на ветроэнергетику. В результате суммарная мощность всех работающих в мире атомных электростанций составляет немногим более 400 тыс. МВт, а суммарная мощность ветряных станций превысил 500 тыс. МВт! Впрочем, в странах, где уделяется внимание ветроэнергетике нет ни Газпрома, ни РАО ЕЭС. Как и подсаживания на нефтяную иглу… Но не будем о наболевшем.

Итак, в свободных от всевластия монополий и клановой системы странах преобладают ветрогенераторы пропеллерного типа, с горизонтальной осью вращения. Такие генераторы требуют мощных опорных башен с дорогостоящими фундаментами, что увеличивает сроки окупаемости. К тому же, такие агрегаты являются мощными низкочастотными источниками шума. Вращается пропеллерный «ветряк» со скоростью всего 15-30 оборотов в минуту, а после редуктора обороты увеличивается до 1500, в результате с такой же скоростью вращается и вал генератора, который вырабатывает электроэнергию. Эта классическая схема имеет существенные недостатки: редуктор – сложный и дорогой механизм (до 20% от стоимости всего ветрогенератора), требует сезонной замены и очень быстро изнашивается (см. ).

Актуальность разработки ветряной турбины

Эти обстоятельства ограничивают круг покупателей и заставляет искать альтернативу традиционным ветряным электрогенераторам. Вертикально–осевые ветряные турбины стали современным трендом. Они бесшумны и не требуют больших капитальных затрат, проще и дешевле в обслуживании, нежели горизонтально - осевые турбины. Ветряные генераторы с горизонтальной осью переводятся в защитный режим (авторотации) при предельной скорости ветра, превышение которой чревато разрушением конструкции. В таком режиме пропеллер отсоединён от мультипликатора и генератора, электроэнергия не вырабатывается. А роторы с вертикальной осью испытывают значительно меньшие механические напряжения при равной скорости ветра, нежели роторы с горизонтальной осью. К тому же последние требуют дорогостоящих систем ориентации по направлению ветра.

До самого последнего времени считалось, что для VAWT невозможно получить коэффициент быстроходности (отношение максимальной линейной скорости лопастей к скорости ветра) больше единицы. Эта чрезмерно широко трактуемая предпосылка, верная только для роторов отдельных типов, привела к ложным выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-х–70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых (пропеллерного типа). Немаловажную роль играет и то обстоятельство, что объем теоретических исследований аэродинамики вертикально–осевых роторов и опыт разработки и эксплуатации ветрогенераторов на их основе гораздо меньше, чем для горизонтально-осевых роторов.

Создана отличная от остальных ветряная турбина вертикально–осевого типа (международное обозначение VAWT), коэффициент использования энергии ветра которой не уступает лучшим мировым ветрогенераторам с горизонтальной осью вращения. Инновационный многоплановый подход к конструкции вертикальных ветрогенераторов основан среди прочего и на использовании низко расположенного прочного ротора, на периферии которого закреплено множество парусов–крыльев.

Ротор снабжён опорными стойками колёсных шасси, что позволяет ему вращаться вокруг неподвижной оси с устойчивой порой на фундамент за счёт колёс шасси. Множество парусов–крыльев создают за счёт аэродинамических сил большой вращательный момент. Что делает данную конструкцию рекордной по удельной мощности. Диаметр ротора может составлять 10 метров. При этом на таком роторе возможна установка крыльев площадью более 200 квадратных метров, что позволит генерировать до ста киловатт электроэнергии.

Размеры и вес агрегатов

При этом вес таких агрегатов настолько мал, что его возможно устанавливать на крышах зданий и обеспечивать их за счёт этого автономным электроснабжением. Или же возможно обеспечить электроэнергией объект в горах, куда не проложена линия электропередачи. Увеличение мощности до сколь угодно большой величины достижимо тиражированием таких агрегатов. То есть, ставя много однотипных установок, достигаем нужной мощности.

Техническая эффективность

Что касается технической эффективности. Наш прототип при высоте лопастей 800мм и поперечном габарите 800 мм при скорости ветра 11 м/с развил механическую мощность 225 Вт (при 75 оборотах в минуту). При этом он отстоял от поверхности земли на высоте менее метра. По данным ресурса http://www.rktp-trade.ru сопоставимую мощность (300 Вт) развивает пятилопастной вертикальный ветряк, установленный на шестиметровой мачте, причём он имеет пять 1200 мм лопастей, установленных на габаритном диаметре 2 000 мм. То есть, если принять ометаемые ветром площади сравниваемых ветряков равными, то получится, что прототип энергоэффективнее известного ветряка в 2,5…3 раза, с учётом того, что у земли ветер слабее из-за близости к граничной поверхности и имеет выраженный турбулентный характер.

Исходя из этого, зная, что описанный аналог имеет коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) равный 0,2, можно оценить КИЭВ прототипа как 0,48, что намного выше, чем у VAWT типа «Савониус» и «Дарье» и соответствует лучшим мировым образцам горизонтально–осевых ветрогенераторов. При этом материалоёмкость и себестоимость у прототипа намного ниже, чем у пропеллерных мачтовых ветряков, имеющих механизмы ориентации на ветер и высоко расположенную гондолу с дорогим повышающим редуктором планетарного типа.

Сравнительная оценка эффективности роторов ветровых турбин различных типов — Таблица 1.

Тип ротора	Расположение оси вращения	Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ)	Источник	Примеч ания
Ротор Савониуса	Вертикальное	0,17		Разработан около восьмидесяти лет назад, схема — рис. 7 (д) на стр.17 упомянутого источника
Ротор Н-Дарье с широко разнесёнными лопастями	Вертикальное	0,38	ТР.А. Янсон. Ветроустановки. Под редакцией М.Ж. Осипова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007г., стр.23, рис.13	Разработан около века назад, схема — рис. 7 (а) на стр.17 упомянутого источника
Многолопастные сопротивления	Вертикальное	0,2	Там же, а также конкретный коммерческий продукт на сайте http://www.rktp-trade.ru	К этому типу относится и ротор Болотова
Двухлопостные пропеллерные	Горизонтальное	0,42	Р.А. Янсон. Ветроустановки. Под редакцией М.Ж. Осипова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007г., стр.23, рис.13	Самый распространённый в мире тип ветродвигателей на сегодня
Ротор нашей турбины (формально Н-Дарье, но с плотно сомкнутыми лопастями, на которых установлены наклонные антикрылья и горизонтальная крыльчатка)	Вертикальное	0,48…0,5	Натурные замеры скорости ветра анемометром, крутящего момента ротора динамометром, оборотов ротора тахометром

Преимущества вертикально-осевой ветряной турбины VAWT

• Аппарат вращается в одну и ту же сторону при любом направлении ветра. В то время как гондолы горизонтальных ветрогенераторов требуется ориентировать по ветру, что удорожает конструкцию и снижает ресурс подвижных частей механизма поворота.
• Генерация электроэнергии в VAWT начинается при скорости ветра от 5 м/с.
• Турбина имеет высокое аэродинамическое качество лопастей и инновационную архитектуру, позволяющую достичь коэффициента использования энергии ветра не менее 47%.
• Турбина не нуждается в обслуживании генератора (кольцевой плоский линейный без щеток и подшипников).
• Наращивание мощности достигается путем установки дополнительных модулей.
• VAWT не имеет ограничений при установке вблизи жилья, не создаёт недопустимого электромагнитного и акустического излучения. Это позволяет устанавливать турбины в пределах населённых пунктов, в том числе на крышах многоэтажных зданий без ущерба ландшафтным видам.
• VAWT абсолютно безвредна, может устанавливаться на пути миграции перелетных птиц.
• Турбина устойчива к сильному ветру, способна выдержать даже ураганный ветер. Это достигается механизмом автоматического изменения углов атаки вертикальных лопастей турбины (рисунки приведены выше).
• VAWT имеет легкие и простые составные части, удобные при транспортировке и монтаже.
• Турбина защищена от воздействия молний.

На сегодня выполнена полноразмерная 3-d модель механической части турбины (с высотой вертикальных лопастей 8м), а также выполнены рабочие чертежи деталей и узлов ротора и узла его вращения. Чертежи на электрогенератор и лопасти прорабатываются с учётом максимального соответствия критерию «цена – качество».

Проект предусматривает конструирование, изготовление и испытание полноразмерного образца VAWT (высота вертикальных лопастей 8м). После чего планируется организовать промышленное производство таких установок после отладки пилотного образца, с оснащением такими установками не электрифицированных районов в сельской местности и зданий в городах.

Области применения инновационного ветрогенератора, в принципе, то же, что и у аналогов. То есть это выработка электроэнергии в местах отсутствия стационарных ее источников, а также там, где использование других способов получения электроэнергии экономически нерентабельно. В частности, это объекты спецназначения, требующие автономного энергообеспечения, например, маяки и радиомаяки, пограничные заставы и пограничные посты, автоматизированные метеорологические и аэронавигационные посты.

Ветроэнергетика активно развивается по всему миру, и ни для кого давно не секрет, что это одно из перспективнейших направлений альтернативной энергетики на данный момент. К середине 2014 года общая мощность всех установленных в мире ветрогенераторов составляла 336 гигаватт, а самый большой и мощный вертикальный трехлопастной ветрогенератор Vestas-164 был установлен и запущен в начале 2014 года в Дании. Его мощность достигает 8 мегаватт, а размах лопастей составляет 164 метра.

Несмотря на давно обкатанную технологию изготовления лопастных турбин и ветряков в целом, многие энтузиасты стремятся улучшить технологию, повысить ее эффективность и уменьшить негативные факторы.

Как известно, коэффициент использования энергии ветрового потока у в лучшем случае достигает 30%, они довольно шумны и нарушают естественный тепловой баланс близлежащих территорий, повышая температуру приземного слоя воздуха по ночам. Также они весьма опасны для птиц и занимают значительные площади.

Какие же альтернативы существуют? На самом деле, творчество современных изобретателей не знает границ, и различных альтернативных вариантов придумано множество.

Давайте рассмотрим 5 наиболее необычных из примечательных для отрасли альтернативных конструкций ветрогенераторов.

Начиная с 2010 года, американская компания Altaeros Energies, основанная в Массачусетском исследовательском институте, ведет разработку ветрогенераторов нового поколения. Новый тип ветрогенераторов предназначен для работы на высотах до 600 метров, докуда обычные ветрогенераторы просто не могут достать. Именно на таких больших высотах постоянно дуют самые сильные ветра, которые в 5-8 раз сильнее ветров вблизи поверхности земли.

Генератор представляет собой надувную конструкцию, похожую на накачанный гелием дирижабль, в который установлена трехлопастная турбина на горизонтальной оси. Такой ветряной генератор был запущен в 2014 году на Аляске на высоту около 300 метров для испытаний в течение 18 месяцев.

Разработчики уверяют, что данная технология позволит получать электроэнергию стоимостью 18 центов за киловатт-час, что в два раза дешевле обычной стоимости ветряной электроэнергии на Аляске. В будущем такие генераторы вполне смогут заменить дизельные электростанции, а также найти применение на проблемных территориях.

В перспективе это устройство будет не просто генератором электроэнергии, но и частью погодной станции и удобным средством обеспечения Интернета на далеких от соответствующей инфраструктуры территориях.

После установки такая система не требует присутствия персонала, не занимает большой площади, и почти бесшумна. Она может контролироваться дистанционно, и требует технического обслуживания только один раз в 1-1,5 года.

Еще одно интересное решение по созданию необычной конструкции ветряной электростанции реализуется в Объединенных Арабских Эмиратах. Недалеко от Абу-Даби строится город Мадсар, в котором планируют возвести довольно необычную ветряную электростанцию, названную разработчиками «Windstalk».

Основатель нью-йоркской дизайнерской компании Atelier DNA, разрабатывающей дизайн данного проекта, сказал, что главной идеей было найти в природе кинетическую модель, которая могла бы служить для генерации электроэнергии, и такая модель была найдена. 1203 стебля из углеродистого волокна, каждый около 55 метров высотой, с бетонными основаниями шириной по 20 метров, будут установлены на расстоянии 10 метров между собой.

Стебли будут армированы резиной, и иметь ширину около 30 см у основания, а кверху сужаются до 5 сантиметров. Каждый такой стебель будет содержать чередующиеся слои электродов и керамических дисков, изготовленных из пьезоэлектрического материала, который генерирует электрический ток, когда подвергается давлению.

Когда стебли будут качаться на ветру, диски будут сжиматься, генерируя электрический ток. Никакого шума лопастей ветряных турбин, никаких жертв среди птиц, ничего кроме ветра.

Идея возникла благодаря наблюдению за качающимися на болоте камышами.

Проект Windstalk компании Atelier DNA занял второе место в конкурсе Land Art Generator, спонсируемом Мадсаром для выбора лучшего, из числа международных заявок, произведения искусства, которое сможет генерировать энергию благодаря возобновляемым источникам.

Площадь, занимаемая этой необычной ветряной станцией, охватит 2,6 гектара, а по мощности будет соответствовать обычному ветрогенератору, занимающему аналогичную площадь. Система эффективна из-за отсутствия потерь на трение, свойственных традиционным механическим системам.

В основании каждого стебля будет установлен генератор, преобразующий крутящий момент от стебля с помощью системы амортизаторов и цилиндров, аналогично системе Levant Power, разработанной в Кембридже, штат Массачусетс.

Поскольку ветер не постоянен, будет применена система аккумулирования энергии, чтобы накопленная энергия могла расходоваться и тогда, когда нет ветра, поясняют сотрудники, работающие над проектом.

На вершине каждого стебля будет установлено по светодиодному фонарю, яркость свечения которого будет напрямую зависеть от силы ветра и количества генерируемой в данный момент электроэнергии.

Windstalk будет работать на хаотичном покачивании, что позволяет расположить элементы горазда ближе друг к другу, чем это возможно с обычными лопастными ветрогенераторами.

Аналогичный проект Wavestalk прорабатывается для преобразования энергии океанских течений и волн, где похожая система будет находиться в перевернутом виде под водой.

Проект, разработанный фирмой Saphon Energy из Туниса, также как и Windstalk, представляет собой безлопастной ветряной генератор, но на этот раз устройство имеет конструкцию парусного типа.

Этот бесшумный генератор, по форме напоминающий спутниковую тарелку, получил название Saphonian. Он не имеет вращающихся частей и совершенно безопасен для птиц. Экран генератора совершает под действием ветра движения вперед-назад, создавая колебания в гидравлической системе.

Цель проекта - улучшить характеристики ветряных генераторов, относительно использования ветрового потока. Ветер буквально запрягается в парус, который совершает под его действием движения вперед-назад, при этом нет ни лопастей, ни ротора, ни передач. Такое взаимодействие позволяет преобразовать больше кинетической энергии в механическую с помощью поршней.

Энергию можно накапливать в гидравлических аккумуляторах, либо преобразовывать в электрическую посредствам генератора, или же приводить с ее помощью во вращение какой-нибудь механизм. Если обычные ветрогенераторы обладают КПД 30%, то данный генератор парусного типа дает все 80%. Его эффективность превосходит ветряки лопастного типа в 2,3 раза.

В силу отсутствия дорогостоящих компонентов, как это имеет место в ветряной турбине (лопасти, ступицы, коробки передач), в случае с Saphonian, расходы на оборудование снижаются до 45%.

Аэродинамическая форма Saphonian имеет то преимущество, что турбулентные ветряные потоки незначительно влияют на тело паруса, и аэродинамическая сила лишь увеличивается. Именно из-за турбулентности ветряные турбины и не используются в городских районах, а Saphonian можно и там использовать. Кроме того, вредные акустические и вибрационные факторы сведены к минимуму. Компания Saphon Energy получила премию от KPMG за усилия в развитии инноваций.

Еще один весьма революционный подход к использованию ветряной энергии был реализован еще в 2008 году изобретателем - энтузиастом из Калифорнии. Крупные ветряные генераторы для малых городов имеют размеры с 30 этажный дом, а их лопасти достигают размеров крыльев Боинга 747.

Эти гигантские генераторы, безусловно, производят много энергии, однако производство, транспортировка и установка таких систем сложны и дороги. Несмотря на это промышленность растет более чем на 40 процентов каждый год. Именно так размышлял Даг Селсам из Калифорнии, прежде чем задаться своей амбициозной целью. Он решил, что вполне реально получить больше энергии, используя для этого меньшее количество материалов.

Установив десяток или несколько десятков маленьких роторов на одном валу, связанном с одним генератором, Даг, в конце концов, добился поставленной цели. Один конец длинного вала он соединил с генератором, а второй конец запустил в высь на воздушных шарах с гелием. Система заработала, как и предполагалось.

В учебниках Даг читал, что одновинтовой турбины вполне достаточно для получения максимума, однако у Дага возникли сомнения. Он считал иначе: чем больше роторов, тем больше энергии ветра доступно для использования.

Если каждый ротор будет расположен под нужным углом, то каждый ротор получит свой собственный ветер, и это повысит эффективность генерации.

Конечно, это усложняет физику, ведь теперь нужно было убедиться, что каждый ротор ловит свой собственный поток, а не только поток от расположенного рядом ротора. Требовалось выяснить оптимальный угол для вала по отношению к ветру и идеальное расстояние между роторами. И, в конце концов, выигрыш был получен с применением меньшего количества материала.

В 2003 году изобретатель получил грант в размере 75 000 долларов от Калифорнийской энергетической комиссии на разработку 3000-ваттный турбины на семь роторов. Задача была успешно решена, и Даг Селсам уже продал более 20 своих 2000-ваттных турбин с двойным ротором нескольким домовладельцам. Он построил эти устройства в своем загородном гараже.

Идея Дага явилась одной из немногих идей, которые на самом деле имеют все шансы на то, чтобы добиться больших успехов в коммерческом мире. Селсам говорит, что два ротора - это только начало. Вероятно, когда-нибудь он увидит свои мультироторные турбины протяженностью в милю по небу.

Компания Archimedes, офис которой расположен в Роттердаме, Нидерланды, придумала свою концепцию необычных ветряных турбин, которые можно устанавливать прямо на крышах жилых домов.

По замыслу авторов проекта, эффективная малошумная конструкция может вполне обеспечить небольшой дом электроэнергией, а комплекс таких генераторов, работающий в совокупности со , способен и вовсе свести к нулю зависимость большого здания от внешних источников электроэнергии. Новые ветровые турбины получили название Liam F1.

Небольшая турбина, диаметром 1,5 метра, и весом около 100 килограмм, может быть установлена на любой стене или крыше жилого дома. Обычно, высота террасных крыш - 10 метров, а ветер в стране почти всегда Юго-Западный. Этих условий достаточно, чтобы правильно разместить турбину на крыше, и эффективно использовать энергию ветра.

Две проблемы обычных ветрогенераторов решены здесь: шум обычных лопастных турбин и дороговизна установки громоздкого оборудования. В обычных ветряных генераторах затраты на установку часто не окупаются. Уровень шума турбины Liam около 45дБ, а это даже тише шума дождя (шум дождя в лесу - 50дБ).

По форме напоминающая панцирь улитки, турбина подобно флюгеру разворачивается по ветру, захватывая воздушный поток, снижая его скорость, и меняя направление. Директор компании Маринус Миремета утверждает, что эффективность новаторской турбины достигает 80% от максимально доступной теоретически в ветровой энергетике эффективности. И этого уже вполне достаточно.

В Нидерландах средняя семья потребляет 3300 кВт-часов электрической энергии за год. По данным разработчиков, половину этой энергии может обеспечить одна турбина Liam F1 при скорости ветра не менее 4,5 м/с.

Можно разместить три такие турбины в вершинах треугольника на крыше дома, тогда каждая из турбин будет обеспечена ветром и они не будут друг другу мешать, а напротив станут помогать друг другу.

Если речь идет об установке в городе, где имеют место турбулентные потоки, то производитель предлагает немного приподнимать ветрогенераторы, устанавливаемые на городских крышах, крепя их на шесты, чтобы стены соседних домов не мешали ветряным потокам.

Предполагаемая стоимость новой турбины вместе с установкой составляет 3999 евро. Поскольку устройство имеет размер больше одного метра, то может потребоваться особая лицензия на его использование, поэтому, на самый крайний случай, фирмой производятся и турбины mini-Liam, диаметр которых 0,75 метра.

Производители планируют применять свои турбины не только для электроснабжения жилых и промышленных зданий, но и для электроснабжения морских судов.

Как видим, интересных альтернатив у производителей ветрогенераторов предостаточно.

Невероятно! Но скоро это произойдет. Альтернативные источники энергии третьего поколения перевернут мир в целом. Начало уже заложено. Ветряные турбины - вот электроэнергетическое будущее человечества.

Введение

Несмотря на то что альтернативным видам энергетики, таким как ветряные турбины, например, все еще незаслуженно мало уделяется внимания, они продолжают усиленно развиваться. Возможно, в скором времени сильные мира сего поймут, что невменяемая добыча полезных ископаемых больше приносит вреда, чем пользы, и природные виды энергетики прочно войдут в нашу повседневную жизнь. Такая надежда тесно связана с тем, что некоторое время назад было объявлено о появлении ветрогенератора третьего поколения.

Что такое ветряной генератор третьего поколения

Традиционно принято считать, что устройствами первого поколения, которые преобразовывали энергию ветра, были обычные корабельные паруса и мельничные крылья. Чуть более века назад, с развитием авиации, появился ветрогенератор второго поколения - механизм, в основе работы которого лежали принципы аэродинамики крыла.

Это был прорыв того времени! Хотя, если взять в целом, то ветряки второго поколения маломощны, так как из-за конструктивных особенностей не могут работать при сильных ветрах. Поэтому для того чтобы получать больше электроэнергии приходилось увеличивать в размерах, что тянуло за собой дополнительные финансовые расходы на разработку, производство, установку и его эксплуатацию. Естественно, что долго так оставаться не могло.

В начале 2000-х готов специалисты-разработчики объявили о появлении ветрогенератора третьего поколения - ветротурбины. Конструкция, принцип работы, установка, а самое главное мощность нового устройства коренным образом отличается от его предшественников.

Устройство

Простота. Это именно то слово, которым можно охарактеризовать конструкцию ветротурбинного генератора. По сравнению с лопастными ветрогенераторами, ветряная турбина имеет гораздо меньшее количество рабочих узлов и гораздо больше неподвижных элементов, благодаря чему более стойко переносит различные статические и динамические нагрузки.

Устройство ветротурбины:

• обтекатель, бывает внутренний и наружный;
• обтекатель узла турбогенератора;
• гондола;
• турбина;
• генератор;
• динамичный крепежный узел.

Из дополнительных систем ветрогенератор оснащен блоками инвертирования, аккумуляции и управления. Отсутствуют традиционные для лопастного ветрогенератора системы регулировки лопастей и ориентации на ветер. Последнюю заменяет обтекатель, который также выступает в роли сопла, улавливает ветер и увеличивает его мощность. Если учитывать, что энергия ветряного потока равняется его скорости в кубе V3, то благодаря наличию сопла эта формула выглядит следующим образом: V3х4 = Eх64. При этом благодаря своей цилиндрической конструкции обтекатель имеет свойство самонастраиваться на направление ветра.

Преимущества

Любой новый продукт или изобретение всегда должны существенным образом выделяться на фоне своих предшественников, и обязательно в лучшую сторону. Все это можно сказать и про новый ветрогенератор с турбоконструкцией. Одно из главных преимуществ ветротурбины - это ее устойчивость к сильным ветрам. Ее конструкция устроена таким образом, что она будет эффективно и безопасно работать за пределами, которые для обычных лопастных ветряков, являются критическими: от 25 м/сек до 60 м/сек. Но это не единственное преимущество, которыми обладает ветряная турбина, их несколько:

1. Отсутствие инфразвуковых волн. Наконец-то ученым удалось решить одну из важных проблем, которыми обладают ветрогенераторные установки. Именно из-за существования такого побочного эффекта ВСУ (ветросиловая установка) подвергалось критике со стороны противников альтернативной энергетики, инфразвук отрицательно сказывается на окружающей живой среде. Но теперь ветрогенератор турбинного типа благодаря отсутствию инфразвуковых волн, могут устанавливать даже в городской черте.



2. Отсутствие лопастей снимает сразу несколько задач, которые стояли перед конструкторами и изготовителями ветрогенератора. Первое, снимаются значительные затраты сил и средств на эксплуатационный контроль лопастных ветряков. Второе, лопасть ветряного колеса - это самый сложный элемент ветрогенератора в изготовлении. Львиную долю стоимости обычной ВЭУ составляют затраты именно на изготовление лопастей. К тому же известны случаи, когда при сильных порывах ветра, лопасть ломалась, разбрасывая осколки на сотни метров.
3. Простота сборки и установки. Все сложные конструкции или узлы изготавливает и собирает завод-производитель, на месте происходит лишь последний этап сборки и установка на мачту. Плюс легкость конструкционных элементов, позволяет использовать при монтаже ветрогенераторасамую обычную грузоподъемную технику.
4. Схема подключения. В отличие от лопастной ВСУ турбина подключается по стандартной схеме. На этот факт никак не влияют те технические условия, который выдвигает будущий владелец ВЭУ.
5. Большой срок эксплуатации обусловлен материалами, из которых изготавливается ветрогенератор и его отдельные части. Учитывая профилактические работы, которые обязательны при эксплуатации ветротурбины, срок службы устройства может составлять до 50 лет.



География эксплуатации турбинной ВСУ

Самым реальным и оптимальным местом установки турбинного ветрогенератора будет берег озера или моря. Рядом с водоемами такой ветрогенератор будет работать практически круглый год, потому что благодаря своему сопельному устройству, он является очень чувствительным к легким бризам и другим малейшим проявлениям ветра скоростью от 2 м/сек.

С таким же успехом ВСТ будут работать и в черте города, там, где обычный ветрогенератор работать, неспособен по ряду известных причин:

1. Небезопасность лопастных ВЭУ.
2. Инфразвук, который они издают.
3. Минимальная скорость ветра для работы лопастного ветрогенератора 4 м/сек.

Интересный факт, который доказывает преимущество ВТУ

Одним из краеугольных камней, на которых базируется позиция противников альтернативной энергетики, заключается в том, что ветряные электростанции препятствуют работе локационного оборудования. Во время работы ветрогенератор создает помехи, для прохождения радиоволн. Учитывая размеры отдельных ветроэлектростанций, а они могут составлять от нескольких десятков до сотен квадратных километров, понятно, почему правительства многих стран начали блокировать проекты альтернативной энергетики на государственном уровне - это прямая угроза национальной безопасности.


По этой причине французская компания, производящая комплектующие на ветрогенератор, взялась за непростую задачу с точки зрения исполнения - сделать невидимыми для радаров непосредственно ветросиловые установки, а не пространство вокруг ветрогенератора. Для этого будет использоваться опыт, полученный при изготовлении самолетов Стелс. Новые комплектующие планируют выпустить на рынок уже в 2015 году.

Но где, же факт, который доказывает преимущество ВСТ перед лопастной ВЭУ? А факт заключается в том, что ветротурбины не создают помех, для работы локационного оборудования и без дорогостоящей технологии Стелс.

Перспективы развития альтернативной ветроэнергетики

Первые попытки начать использовать ветрогенератор в промышленных масштабах предпринимались еще в середине прошлого века, но оказались неудачными. Это было обусловлено тем, что нефтяные ресурсы были сравнительно дешевыми, а строительство ветроэнергетических станций было нерентабельно затратным. Но буквально через 25 лет ситуация в корне изменилась.

Альтернативные источники энергии усилено начали развиваться в 70-х годах прошлого века, после того, как в мире резко выросли темпы машиностроения и страны столкнулись с дефицитом нефти, что привело к нефтяному кризису 1973 года. Тогда впервые сектор нетрадиционной энергетики в некоторых странах получил государственную поддержку и ветрогенератор стал использоваться в промышленных масштабах. В 80-х годах мировая ветроэнергетика начала выходить на самоокупаемость, и сегодня такие страны, как Дания, Германия и Австралия почти на 30% обеспечивают себя за счет альтернативных источников энергии, в числе которых и ветроэлектростанции.


К сожалению, а возможно, и к счастью, прошлогодняя тенденция нефтяного рынка с нестабильной ценой на нефть, заставляют всерьез задуматься о том, что времена, когда дешевая нефть - это было хорошо остались в прошлом. Сегодня для многих стран, чем дешевле нефть, тем выгоднее развивать нетрадиционную энергетику в первую очередь это касается стран СНГ. Поэтому предпосылки для того, что ветроэнергетика будет развиваться - есть. Как это будет - посмотрим.