Vēja turbīna vertikāla turbīna. Vertikālās vēja turbīnas. Vēja turbīnu veidi. Jauni dizaini un tehniskie risinājumi

Vēja ģeneratora darbināšanai tika izgatavota rotācijas tipa turbīna ar vertikālu rotācijas asi. Šāda veida rotors ir ļoti izturīgs un izturīgs, ar salīdzinoši zemu rotācijas ātrumu un to var viegli izgatavot mājās, bez aerodinamiskā spārna profila un citām problēmām, kas saistītas ar dzenskrūves izgatavošanu vēja turbīnas horizontālajai rotācijas asij. Turklāt šāda turbīna darbojas gandrīz klusi un neatkarīgi no tā, kur pūš vējš. Darbs praktiski nav atkarīgs no turbulences un biežām vēja stipruma un virziena izmaiņām. Turbīnai raksturīgi lieli palaišanas griezes momenti, darbība ar salīdzinoši zemiem apgriezieniem. Šīs turbīnas efektivitāte ir maza, taču ar to pietiek, lai darbinātu mazjaudas ierīces, viss atmaksājas ar dizaina vienkāršību un uzticamību.

Elektriskais ģenerators

Modificēts kompaktās automašīnas starteris, kura pamatā ir pastāvīgie magnēti. Ģeneratora jauda: maiņstrāva ar jaudu 1,0 ... 6,5 W (atkarībā no vēja ātruma).
Iespēja pārveidot starteri par ģeneratoru ir aprakstīta rakstā:

Vēja turbīnu ražošana

Šī vēja turbīna nemaksā gandrīz neko, un to ir viegli izgatavot.
Turbīnas konstrukcija sastāv no diviem vai vairākiem puscilindriem, kas uzstādīti uz vertikālas vārpstas. Rotors griežas, jo katra lāpstiņa ir pagriezta pret vēju ar atšķirīgu izliekumu. Rotora efektivitāti nedaudz uzlabo centrālā sprauga starp lāpstiņām, jo ​​daļa gaisa papildus iedarbojas uz otro lāpstiņu, kad tas iziet no pirmā.

Ģenerators ir fiksēts uz statīva aiz izejas vārpstas, caur kuru iziet vads ar saņemto strāvu. Šis dizains novērš bīdāmo kontaktu strāvas uztveršanai. Turbīnas rotors ir uzstādīts uz ģeneratora korpusa un piestiprināts pie stiprinājuma tapu brīvajiem galiem.

No 1,5 mm biezas alumīnija loksnes tiek izgriezts disks ar diametru 280 ... 330 mm vai kvadrātveida plāksne, kas ierakstīta šajā diametrā.

Pieci caurumi ir atzīmēti un izurbti attiecībā pret diska centru (viens centrā un 4 plāksnes stūros) lāpstiņu uzstādīšanai un divi caurumi (simetriski centrālajam) turbīnas piestiprināšanai pie ģeneratora.

Caurumos, kas atrodas plāksnes stūros, asmeņu nostiprināšanai ir uzstādīti nelieli alumīnija stūri, kuru biezums ir 1,0 ... 1,5 mm.

Turbīnu lāpstiņas tiks izgatavotas no kannas ar diametru 160 mm un augstumu 160 mm. Kanna tiek pārgriezta uz pusēm pa asi, kā rezultātā tiek iegūti divi identiski asmeņi. Kannas malas pēc griezuma 3 ... 5 mm platumā ir saliektas par 180 grādiem un saspiestas, lai nostiprinātu malu un novērstu asas griešanas malas.

Abas turbīnas lāpstiņas no tvertnes atvērtās daļas sāniem ir savstarpēji savienotas ar U-veida džemperi ar caurumu vidū. Džemperis veido 32 mm platu spraugu starp lāpstiņu centrālo daļu, lai uzlabotu rotora efektivitāti.

Kannas pretējā pusē (netālu no apakšas) asmeņi ir savstarpēji savienoti ar minimālā garuma tiltu. Šajā gadījumā visā asmens garumā tiek saglabāta 32 mm plata atstarpe.

Samontētais asmeņu bloks ir uzstādīts un piestiprināts pie diska trīs punktos - aiz džempera centrālās atveres un iepriekš uzstādītajiem alumīnija stūriem. Turbīnas lāpstiņas ir piestiprinātas pie plāksnes stingri viens pret otru.

Lai savienotu visas detaļas, varat izmantot kniedes, pašvītņojošas skrūves, M3 vai M4 skrūvju savienojumu, stūrus vai izmantot citas metodes.

Atverēs diska otrā pusē ir uzstādīts ģenerators un nostiprināts ar uzgriežņiem montāžas tapu brīvajos galos.

Lai vēja ģenerators varētu droši iedarbināties, turbīnai ir jāpievieno otrs līdzīgs lāpstiņu līmenis. Šajā gadījumā otrā līmeņa asmeņi tiek pārvietoti pa asi attiecībā pret pirmā līmeņa asmeņiem 90 grādu leņķī. Rezultāts ir četru lāpstiņu rotors. Tas nodrošina, ka vienmēr ir vismaz viens lāpstiņš, kas spēj noķert vēju un dot turbīnai impulsu griezties.

Lai samazinātu vēja ģeneratora izmērus, ap ģeneratoru var izgatavot un nostiprināt otru turbīnas lāpstiņu slāni. No 1,0 mm biezas alumīnija loksnes izgatavosim divus 100 mm platus (ģeneratora augstums), 240 mm garus asmeņus (līdzīgi pirmās kārtas asmeņa garumam). Mēs noliecam asmeņus 80 mm rādiusā, līdzīgi kā pirmā līmeņa asmeņi.

Katrs otrā (apakšējā) līmeņa asmens ir fiksēts ar diviem stūriem.
Viens ir uzstādīts brīvā caurumā diska perifērijā, līdzīgi kā augšējā līmeņa asmeņu stiprinājums, bet ar nobīdi 90 grādu leņķī. Otrais stūris ir piestiprināts pie uzstādītā ģeneratora tapas. Fotoattēlā, lai būtu skaidrība par apakšējā līmeņa asmeņu stiprināšanu, ģenerators ir noņemts.

Vienmērīgs nodilums dabas resursi noved pie tā, ka pēdējie laiki cilvēce ir aizņemta, meklējot alternatīvus enerģijas avotus. Līdz šim ir zināms pietiekami daudz liels skaits alternatīvās enerģijas veidi, no kuriem viens ir vēja enerģijas izmantošana.

Vēja enerģiju cilvēki ir izmantojuši kopš seniem laikiem, piemēram, vējdzirnavu darbībā. Pats pirmais vēja ģenerators (vēja turbīna), kas kalpoja elektroenerģijas ražošanai, tika uzbūvēts Dānijā 1890. gadā. Šādas ierīces sāka izmantot gadījumos, kad bija nepieciešams nodrošināt elektrību jebkurā grūti sasniedzamā vietā.

Vēja ģeneratora darbības princips:

• Vējš griež riteni ar lāpstiņām, kas caur pārnesumkārbu nodod griezes momentu uz ģeneratora vārpstu.
• Invertors veic uzdevumu pārveidot saņemto tiešo elektrisko strāvu maiņstrāvā.
• Akumulators ir paredzēts tīkla sprieguma padevei vēja trūkuma gadījumā.

Vēja turbīnas jauda ir tieši atkarīga no vēja rata diametra, masta augstuma un vēja stipruma. Šobrīd tiek ražotas vēja turbīnas, kuru lāpstiņu diametrs ir no 0,75 līdz 60 m un vairāk. Mazākā no visām mūsdienu vēja turbīnām ir G-60. Rotora diametrs, kuram ir pieci lāpstiņas, ir tikai 0,75 m, pie vēja ātruma 3-10 m/s tas var radīt 60 W jaudu, un tā svars ir 9 kg. Šāda instalācija tiek veiksmīgi izmantota apgaismojumam, akumulatora uzlādei un sakariem.

Visus vēja ģeneratorus var klasificēt pēc vairākiem principiem:

• Rotācijas asis.
• Asmeņu skaits.
• Materiāls, no kura izgatavoti asmeņi.
• Skrūves solis.

Rotācijas asu klasifikācija:

• Horizontāli.
• Vertikāli.

Populārākās ir horizontālās vēja turbīnas, kuru rotācijas ass ir paralēla zemei. Šo veidu sauc par "vēja dzirnavām", kuru asmeņi griežas pret vēju. Horizontālo vēja ģeneratoru konstrukcija paredz automātisku galvas rotāciju (vēja meklējumos), kā arī lāpstiņu griešanos, lai izmantotu vāja stipruma vēju.

Vertikālās vēja turbīnas ir daudz mazāk efektīvas. Šādas turbīnas lāpstiņas griežas paralēli zemes virsmai jebkurā vēja virzienā un stiprumā. Tā kā jebkurā vēja virzienā puse no vējrata lāpstiņām vienmēr griežas pret to, vējdzirnavas zaudē pusi no jaudas, kas būtiski samazina iekārtas energoefektivitāti. Tomēr šāda veida vēja turbīnas ir vieglāk uzstādīt un uzturēt, jo tās pārnesumkārba un ģenerators ir novietoti uz zemes. Vertikālā ģeneratora trūkumi ir: dārga uzstādīšana, ievērojamas ekspluatācijas izmaksas, kā arī tas, ka šādas vēja turbīnas uzstādīšanai ir nepieciešams daudz vietas.

Horizontālā tipa vēja turbīnas ir vairāk piemērotas rūpnieciska mēroga elektroenerģijas ražošanai, tās izmanto vēja parku sistēmas izveides gadījumā. Vertikāli bieži izmanto mazo privāto mājsaimniecību vajadzībām.

Klasifikācija pēc asmeņu skaita:

• Divasmeņu.
• Trīs asmeņi.
• Vairākasmeņu (50 vai vairāk asmeņu).

Atbilstoši asmeņu skaitam visas instalācijas ir sadalītas divu un trīs asmeņu un vairāku asmeņu (50 vai vairāk asmeņu). Lai saražotu nepieciešamo elektroenerģijas daudzumu, ir nepieciešams nevis rotācijas fakts, bet gan izvade uz nepieciešamo summu revolūcijas.

Katrs lāpstiņš (pēc izvēles) palielina vēja riteņa kopējo pretestību, apgrūtinot ģeneratora darbības ātruma sasniegšanu. Tādējādi vairāku lāpstiņu instalācijas sāk griezties pie mazāka vēja ātruma, taču tās tiek izmantotas gadījumos, kad pašam rotācijas faktam ir nozīme, piemēram, sūknējot ūdeni. Vēja turbīnas ar lielu lāpstiņu skaitu praktiski netiek izmantotas elektroenerģijas ražošanai. Turklāt nav ieteicams tiem uzstādīt ātrumkārbu, jo tas sarežģī dizainu un arī padara to mazāk uzticamu.

Asmens materiāla klasifikācija:

• Vēja ģeneratori ar stingrām lāpstiņām.
• Buru vēja ģeneratori.

Jāņem vērā, ka buru asmeņi ir daudz vieglāk izgatavojami un līdz ar to lētāki nekā stingrās metāla vai stikla šķiedras. Tomēr šie ietaupījumi var radīt neparedzētas izmaksas. Ja vēja rata diametrs ir 3 m, tad pie ģeneratora ātruma 400-600 apgr./min lāpstiņas gals sasniedz ātrumu 500 km/h. Ņemot vērā faktu, ka gaiss satur smiltis un putekļus, šis fakts ir nopietns pārbaudījums pat stingrām asmeņiem, kuriem stabilas darbības apstākļos katru gadu jānomaina lāpstiņu galos uzklātā pretkorozijas plēve. Ja pretkorozijas plēve netiek atjaunināta, cietais asmens pakāpeniski sāks zaudēt savu veiktspēju.

Burāšanas tipa lāpstiņas ir jāmaina ne reizi gadā, bet uzreiz pēc pirmā nopietnā vēja. Tāpēc autonomajā barošanas blokā, kas prasa ievērojamu sistēmas komponentu uzticamību, netiek ņemta vērā buru tipa lāpstiņu izmantošana.

Augstuma klasifikācija:

• Fiksēts skrūvju solis.
• Maināms skrūvju solis.

Protams, dzenskrūves mainīgais solis palielina vēja ģeneratora efektīvo darbības ātrumu diapazonu. Tomēr šī mehānisma ieviešana izraisa lāpstiņu konstrukcijas sarežģījumus, vēja riteņa svara palielināšanos, kā arī samazina vēja turbīnas kopējo uzticamību. Tā sekas ir nepieciešamība nostiprināt struktūru, kas izraisa ievērojamu sistēmas izmaksu pieaugumu ne tikai iegādes, bet arī ekspluatācijas laikā.

Mūsdienu vēja turbīnas ir augsto tehnoloģiju produkti ar jaudu no 100 līdz 6 MW. Novatoriskas konstrukcijas vēja turbīnas ļauj rentabli izmantot vājākā vēja enerģiju - no 2 m/s. Ar vēja turbīnu palīdzību mūsdienās ir iespējams veiksmīgi atrisināt jebkuras jaudas salas vai vietējo objektu elektroapgādes problēmas.

Attīstītās valstis jau sen ir paļāvušās uz atjaunojamiem enerģijas avotiem, tostarp vēja enerģiju. Rezultātā visu pasaulē strādājošo atomelektrostaciju kopējā jauda ir nedaudz virs 400 tūkstošiem MW, bet vēja parku kopējā jauda pārsniegusi 500 tūkstošus MW! Taču valstīs, kur uzmanība tiek pievērsta vēja enerģijai, nav ne Gazprom, ne RAO UES. Kā arī stādīšana uz eļļas adatas... Bet par sāpīgām lietām nerunāsim.

Tātad valstīs, kas ir brīvas no monopolu visvarenības un klanu sistēmas, dominē dzenskrūves tipa vēja turbīnas ar horizontālu rotācijas asi. Šādiem ģeneratoriem ir nepieciešami jaudīgi atbalsta torņi ar dārgiem pamatiem, kas palielina atmaksāšanās laiku. Turklāt šādas vienības ir spēcīgi zemfrekvences trokšņa avoti. Propellera "vēja dzirnavas" griežas ar ātrumu tikai 15-30 apgriezieni minūtē, un pēc pārnesumkārbas apgriezieni palielinās līdz 1500, kā rezultātā ģeneratora vārpsta griežas ar tādu pašu ātrumu, kas rada elektrību. Šai klasiskajai shēmai ir būtiski trūkumi: pārnesumkārba ir sarežģīts un dārgs mehānisms (līdz 20% no visa vēja ģeneratora izmaksām), tai nepieciešama sezonāla nomaiņa un ļoti ātri nolietojas (sk.).

Vēja turbīnu attīstības atbilstība

Šie apstākļi ierobežo pircēju loku un liek meklēt alternatīvu tradicionālajiem vēja ģeneratoriem. Vertikālās ass vēja turbīnas ir kļuvušas par modernu tendenci. Tās ir klusas un neprasa lielus kapitālieguldījumus, ir vieglāk un lētāk kopjamas nekā horizontāli aksiālās turbīnas. Vēja ģeneratori ar horizontālo asi tiek pārslēgti uz aizsargrežīmu (autorotāciju) pie ierobežojošā vēja ātruma, kura pārsniegums ir pilns ar konstrukcijas iznīcināšanu. Šajā režīmā dzenskrūve tiek atvienota no reizinātāja un ģeneratora, elektrība netiek ģenerēta. Un rotori ar vertikālu asi pie vienāda vēja ātruma piedzīvo ievērojami mazāku mehānisko spriegumu nekā rotori ar horizontālo asi. Turklāt pēdējiem ir nepieciešamas dārgas vēja virziena sistēmas.

Vēl pavisam nesen tika uzskatīts, ka VAWT nav iespējams iegūt ātruma koeficientu (lāpstiņu maksimālā lineārā ātruma attiecību pret vēja ātrumu), kas lielāks par vienu. Šis pārāk plašais pieņēmums, kas attiecas tikai uz noteiktiem rotoru veidiem, lika izdarīt nepareizus secinājumus, ka vertikālās ass vēja turbīnu vēja enerģijas izmantošanas robežfaktors ir zemāks nekā horizontālās ass dzenskrūves turbīnām, tāpēc šāda veida vēja turbīnas ir gandrīz 40 gadus vecs.nav attīstīts vispār. Un tikai 60.-70. gados vispirms Kanādas, bet pēc tam amerikāņu un britu eksperti eksperimentāli pierādīja, ka šie secinājumi nav attiecināmi uz Darrieus rotoriem, izmantojot lāpstiņu pacelšanas spēku. Šiem rotoriem noteiktā maksimālā darba ķermeņu lineārā ātruma attiecība pret vēja ātrumu sasniedz 6:1 un vairāk, un vēja enerģijas izmantošanas koeficients nav zemāks par horizontāli-aksiālo (propellera tipa). Būtisku lomu spēlē arī tas, ka vertikāli-aksiālo rotoru aerodinamikas teorētisko pētījumu apjoms un pieredze uz tiem balstītu vēja turbīnu izstrādē un darbībā ir daudz mazāks nekā horizontāli-aksiālajiem rotoriem.

Ir izveidota no pārējām atšķirīga vertikālās ass vēja turbīna (starptautiskais apzīmējums VAWT), kuras vēja enerģijas izmantošanas koeficients nav zemāks par pasaulē labākajām vēja turbīnām ar horizontālu rotācijas asi. Novatoriskas daudzdimensiju pieejas vertikālo vēja turbīnu projektēšanā, cita starpā, ir balstīta uz zemu, izturīgu rotoru, kura perifērijā ir nostiprinātas vairākas spārnu buras.

Rotors ir aprīkots ar riteņu šasijas atbalsta kājām, kas ļauj tam griezties ap fiksētu asi ar stabilu poru uz pamatnes, pateicoties šasijas riteņiem. Daudzas buras-spārni rada lielu griezes momentu aerodinamisko spēku dēļ. Kas padara šo dizainu par rekordlielu jaudas blīvuma ziņā. Rotora diametrs var būt 10 metri. Tajā pašā laikā uz šāda rotora ir iespējams uzstādīt spārnus, kuru laukums ir lielāks par 200 kvadrātmetri, kas saražos līdz simts kilovatiem elektroenerģijas.

Vienību izmēri un svars

Tajā pašā laikā šādu agregātu svars ir tik mazs, ka tos ir iespējams uzstādīt uz ēku jumtiem un nodrošināt tos ar autonomu barošanu. Vai arī ir iespēja nodrošināt elektrību objektam kalnos, kur nav elektrolīnijas. Jaudas palielināšana līdz patvaļīgi lielai vērtībai ir panākama, atkārtojot šādas vienības. Tas ir, ievietojot daudz līdzīgu instalāciju, mēs sasniedzam vēlamo jaudu.

Tehniskā efektivitāte

Kas attiecas uz tehnisko efektivitāti. Mūsu prototips ar asmens augstumu 800 mm un šķērsenisko izmēru 800 mm pie vēja ātruma 11 m/s attīstīja mehānisko jaudu 225 W (pie 75 apgr./min.). Tajā pašā laikā viņš aizstāvējās no zemes virsmas mazāk nekā metra augstumā. Saskaņā ar resursu http://www.rktp-trade.ru, salīdzināmu jaudu (300 W) attīsta piecu asmeņu vertikālas vējdzirnavas, kas uzstādītas uz sešu metru masta, un tām ir pieci 1200 mm lāpstiņas, kas piestiprinātas kombinezonam. diametrs 2000 mm. Tas ir, ja salīdzināmo vējdzirnavu laukumus ņemam vienādi ar vēju, tad izrādās, ka prototips ir 2,5 ...

Pamatojoties uz to, zinot, ka aprakstītajam analogam vēja enerģijas izmantošanas koeficients (KIEV) ir vienāds ar 0,2, prototipa KIEV var novērtēt kā 0,48, kas ir daudz augstāks nekā Savonius un Daria VAWT un atbilst labākie pasaules horizontāli aksiālo vēja turbīnu paraugi. Tajā pašā laikā prototipa materiālu patēriņš un izmaksas ir daudz zemākas nekā dzenskrūves masta vējdzirnavām ar vēja orientācijas mehānismiem un augstu uzstādītu gondolu ar dārgu planetārā tipa pakāpju pārnesumkārbu.

Vēja turbīnu rotoru efektivitātes salīdzinošais novērtējums dažādi veidi - 1. tabula.

Rotora tips	Rotācijas ass atrašanās vieta	Vēja enerģijas izmantošanas koeficients (KIEV)	Avots	Piezīme ania
Savonius rotors	vertikāli	0,17		Izstrādāts apmēram pirms astoņdesmit gadiem, shēma - att. 7 (e) minētā avota 17. lappusē
Plaši izvietots N-Darié rotors	vertikāli	0,38	TR.A. Jansons. Vēja turbīnas. Rediģēja M.Zh. Osipovs. M.: Izdevniecība MSTU im. N.E. Bauman, 2007, 23. lpp., 13. att	Izstrādāts apmēram pirms gadsimta, shēma - att. 7 (a) atsauces avota 17. lappusē
Vairāku asmeņu pretestība	vertikāli	0,2	Tajā pašā vietā, kā arī konkrēts komerciāls produkts vietnē http://www.rktp-trade.ru	Šim tipam pieder arī Bolotova rotors.
Divu lāpstiņu dzenskrūve	Horizontāli	0,42	R.A. Jansons. Vēja turbīnas. Rediģēja M.Zh. Osipovs. M.: Izdevniecība MSTU im. N.E. Bauman, 2007, 23. lpp., 13. att	Mūsdienās visizplatītākais vēja turbīnu veids pasaulē
Mūsu turbīnas rotors (formāli N-Darrie, bet ar cieši noslēgtām lāpstiņām, uz kurām ir uzstādīti slīpi pretspārni un horizontāls lāpstiņritenis)	vertikāli	0,48…0,5	Vēja ātruma lauka mērījumi ar anemometru, rotora griezes momenta ar dinamometru, rotora ātruma mērījumi ar tahometru

VAWT vertikālās ass vēja turbīnas priekšrocības

• Ierīce griežas vienā virzienā jebkurā vēja virzienā. Savukārt horizontālo vēja turbīnu nacelām jābūt orientētām vējā, kas palielina konstrukcijas izmaksas un samazina pagrieziena mehānisma kustīgo daļu kalpošanas laiku.
• Elektroenerģijas ražošana VAWT sākas ar vēja ātrumu 5 m/s.
• Turbīnai ir augsta lāpstiņu aerodinamiskā kvalitāte un inovatīva arhitektūra, kas ļauj sasniegt vēja enerģijas izmantošanas koeficientu vismaz 47%.
• Turbīnai nav nepieciešama ģeneratora apkope (gredzenveida plakana lineāra bez sukām un gultņiem).
• Jaudas palielināšana tiek panākta, uzstādot papildu moduļus.
• VAWT nav nekādu ierobežojumu, uzstādot pie korpusa, nerada nepieņemamu elektromagnētisko un akustisko starojumu. Tas ļauj uzstādīt turbīnas apdzīvotās vietās, tostarp uz daudzstāvu ēku jumtiem, neapdraudot ainavu.
• VAWT ir absolūti nekaitīgs, to var uzstādīt uz gājputnu migrācijas ceļiem.
• Turbīna ir izturīga pret spēcīgiem vējiem, spēj izturēt pat viesuļvētras vējus. Tas tiek panākts, izmantojot mehānismu, kas automātiski maina turbīnas vertikālo lāpstiņu trieciena leņķus (skaitļi ir norādīti iepriekš).
• VAWT ir vieglas un vienkāršas sastāvdaļas, kuras ir viegli transportēt un uzstādīt.
• Turbīna ir aizsargāta no zibens.

Līdz šim ir pabeigts turbīnas mehāniskās daļas pilna izmēra 3-d modelis (ar vertikālo lāpstiņu augstumu 8 m), kā arī rotora un tā rotācijas bloka detaļu un mezglu darba rasējumi. Elektroģeneratora un lāpstiņu rasējumi tiek izstrādāti, ņemot vērā maksimālu atbilstību "cenas - kvalitātes" kritērijam.

Projekts ietver pilna izmēra VAWT parauga (vertikālo asmeņu augstums 8m) projektēšanu, izgatavošanu un testēšanu. Pēc tam plānots organizēt rūpnieciskā ražošanašādas iekārtas pēc izmēģinājuma parauga atkļūdošanas, aprīkojot šādas iekārtas ar neelektrificētām teritorijām lauku apvidos un ēkām pilsētās.

Novatoriskā vēja ģeneratora pielietojuma jomas principā ir tādas pašas kā analogiem. Tas ir, tā ir elektroenerģijas ražošana vietās, kur nav stacionāru tās avotu, kā arī kur citu elektroenerģijas ražošanas metožu izmantošana ir ekonomiski neizdevīga. Konkrēti, tās ir speciālas iekārtas, kurām nepieciešama autonoma elektroenerģijas padeve, piemēram, bākas un radiobākas, robežas priekšposteņi un robežstabi, automatizēti meteoroloģiskie un aeronavigācijas posteņi.

Vēja enerģija aktīvi attīstās visā pasaulē, un jau sen nevienam nav bijis noslēpums, ka šī ir viena no perspektīvākajām alternatīvās enerģijas jomām pasaulē. Šis brīdis. Līdz 2014. gada vidum visu uzstādīto vēja turbīnu kopējā jauda pasaulē bija 336 gigavati, un lielākā un jaudīgākā vertikālā trīs lāpstiņu vēja turbīna Vestas-164 tika uzstādīta un palaists ekspluatācijā 2014. gada sākumā Dānijā. Tā jauda sasniedz 8 megavatus, un asmeņu laidums ir 164 metri.

Neraugoties uz ilgstošu lāpstiņu turbīnu un vējdzirnavu ražošanas tehnoloģiju, daudzi entuziasti cenšas uzlabot tehnoloģiju, palielināt tās efektivitāti un samazināt negatīvos faktorus.

Kā zināms, vēja plūsmas enerģijas izmantošanas koeficients y labākajā gadījumā sasniedz 30%, tie ir diezgan trokšņaini un izjauc tuvējo teritoriju dabisko siltuma bilanci, naktīs paaugstinot virszemes gaisa slāņa temperatūru. Tie ir arī ļoti bīstami putniem un aizņem lielas platības.

Kādas alternatīvas pastāv? Patiesībā mūsdienu izgudrotāju radošumam nav robežu, un ir izgudrotas daudzas dažādas alternatīvas.

Apskatīsim 5 nozares neparastākos vēja turbīnu alternatīvos dizainus.

Kopš 2010. gada ASV uzņēmums Altaeros Energies, kas atrodas Masačūsetsas pētniecības institūtā, izstrādā jaunas paaudzes vēja turbīnas. Jauna tipa vēja turbīnas ir paredzētas darbam augstumā līdz 600 metriem, kur parastās vēja turbīnas vienkārši nevar sasniegt. Tieši tik lielos augstumos pastāvīgi pūš stiprākie vēji, kas ir 5-8 reizes spēcīgāki par vējiem zemes virsmas tuvumā.

Ģenerators ir piepūšama konstrukcija, līdzīga ar hēliju pildītam dirižablim, kurā uz horizontālas ass ir uzstādīta trīs lāpstiņu turbīna. Šāds vēja ģenerators tika palaists 2014. gadā Aļaskā aptuveni 300 metru augstumā testēšanai 18 mēnešus.

To apgalvo izstrādātāji šī tehnoloģija nodrošinās elektroenerģiju par 18 centiem par kilovatstundu, kas ir puse no parastajām vēja enerģijas izmaksām Aļaskā. Nākotnē šādi ģeneratori var aizstāt dīzeļdegvielas spēkstacijas, kā arī atrast pielietojumu problēmzonās.

Nākotnē šī ierīce būs ne tikai elektroenerģijas ģenerators, bet arī daļa no meteoroloģiskās stacijas un ērts interneta nodrošināšanas līdzeklis vietās, kas atrodas tālu no atbilstošās infrastruktūras.

Pēc uzstādīšanas šādai sistēmai nav nepieciešama personāla klātbūtne, tā neaizņem lielu platību un ir gandrīz klusa. To var vadīt attālināti, un tas ir nepieciešams Apkope tikai reizi 1-1,5 gados.

Vēl vienu interesants risinājums izveidot neparastu vēja parka dizainu tiek īstenots Apvienotajos Arābu Emirātos. Netālu no Abū Dabī tiek celta Madsaras pilsēta, kurā plānots uzbūvēt visai neparastu vēja parku, ko dēvē par Windstalk izstrādātājiem.

Ņujorkas dizaina uzņēmuma Atelier DNA dibinātājs šis projekts, stāstīja, ka galvenā doma bija atrast dabā kinētisko modeli, kas varētu kalpot elektroenerģijas ražošanai, un šāds modelis tika atrasts. 1203 oglekļa šķiedras kāti, katrs aptuveni 55 metrus augsts, ar betona pamatnēm 20 metru platumā, tiks uzstādīti 10 metru attālumā viens no otra.

Kāti tiks pastiprināti ar gumiju, un to platums pie pamatnes ir aptuveni 30 cm, un tie sašaurinās līdz 5 centimetriem. Katrs šāds kāts saturēs mainīgus elektrodu slāņus un keramikas diskus, kas izgatavoti no pjezoelektriska materiāla, kas rada elektrība kad tiek pakļauts spiedienam.

Kātiem šūpojoties vējā, diski saspiedīsies, radot elektrisko strāvu. Nav vēja turbīnas trokšņa, nav putnu upuru, nekas cits kā vējš.

Ideja radās, vērojot purvā šūpojošās niedres.

Atelier DNA projekts Windstalk ieguva otro vietu Madsar sponsorētajā Land Art Generator konkursā, lai atlasītu labāko mākslas darbu no starptautiskajiem iesniegumiem, kas var ražot enerģiju no atjaunojamiem avotiem.

Šī neparastā vēja parka aizņemtā platība būs 2,6 hektāri, un jaudas ziņā tā atbildīs tradicionālajai vēja turbīnai, kas aizņem līdzīgu platību. Sistēma ir efektīva, jo tajā nav berzes zudumu, kas raksturīgi tradicionālajām mehāniskajām sistēmām.

Katra kāta pamatnē atradīsies ģenerators, kas pārveido griezes momentu no kāta, izmantojot amortizatoru un cilindru sistēmu, līdzīgi kā Levant Power sistēma, kas izstrādāta Kembridžā, Masačūsetsā.

Tā kā vējš nav nemainīgs, tiks piemērota enerģijas uzkrāšanas sistēma, lai uzkrāto enerģiju varētu izmantot arī tad, kad nav vēja, skaidro projektā strādājošie darbinieki.

Katra kāta augšdaļā tiks uzstādīta LED lampiņa, kuras spilgtums būs tieši atkarīgs no vēja stipruma un šobrīd saražotās elektroenerģijas daudzuma.

Windstalk darbosies haotiski, kas ļauj novietot elementus daudz tuvāk viens otram, nekā tas ir iespējams ar parastajām lāpstiņu vēja turbīnām.

Līdzīgs Wavestalk projekts tiek izstrādāts, lai pārvērstu okeāna straumju un viļņu enerģiju, kur līdzīga sistēma būtu apgriezta zem ūdens.

Tunisijas firmas Saphon Energy izstrādātais projekts ir kā Windstalk vēja turbīna bez lāpstiņām, taču šoreiz ierīcei ir buras tipa dizains.

Šis klusais ģenerators, kas veidots kā satelītantena, tika nosaukts par Saphonian. Tam nav rotējošu daļu un tas ir pilnīgi drošs putniem. Ģeneratora ekrāns vēja ietekmē veic kustības uz priekšu un atpakaļ, radot svārstības hidrauliskajā sistēmā.

Projekta mērķis ir uzlabot vēja ģeneratoru veiktspēju saistībā ar vēja plūsmas izmantošanu. Vējš burtiski tiek piesaistīts burai, kas savā darbībā veic kustības uz priekšu un atpakaļ, kamēr nav lāpstiņu, rotora, zobratu. Šī mijiedarbība ļauj pārvērst vairāk kinētiskās enerģijas mehāniskajā enerģijā, izmantojot virzuļus.

Enerģiju var uzglabāt hidrauliskajos akumulatoros vai pārveidot elektrībā ar ģeneratora palīdzību, vai arī to var izmantot, lai ieslēgtu kādu mehānismu rotācijai. Ja parastajām vēja turbīnām ir 30% efektivitāte, tad šis buru tipa ģenerators dod visus 80%. Tā efektivitāte 2,3 reizes pārsniedz lāpstiņu tipa vējdzirnavas.

Tā kā nav dārgu komponentu, kā tas ir vēja turbīnā (lāpstiņas, rumbas, pārnesumkārbas), Saphonian gadījumā aprīkojuma izmaksas tiek samazinātas līdz pat 45%.

Saphonian aerodinamiskajai formai ir tāda priekšrocība, ka turbulentās vēja straumes maz ietekmē buras korpusu, un aerodinamiskais spēks tiek tikai palielināts. Turbulences dēļ vēja turbīnas netiek izmantotas pilsētās, un Saphonian var izmantot arī tur. Turklāt tiek samazināti kaitīgie akustiskie un vibrācijas faktori. Saphon Energy saņēma KPMG balvu par centieniem inovāciju jomā.

Vēl vienu ļoti revolucionāru pieeju vēja enerģijas izmantošanā tālajā 2008. gadā īstenoja izgudrotājs – entuziasts no Kalifornijas. Lielās vēja turbīnas mazajām pilsētām ir 30 stāvu ēkas lielumā, un to lāpstiņas sasniedz Boeing 747 spārnu izmērus.

Šie milzu ģeneratori noteikti ražo daudz enerģijas, taču šādu sistēmu ražošana, transportēšana un uzstādīšana ir sarežģīta un dārga. Neskatoties uz to, nozare katru gadu pieaug par vairāk nekā 40 procentiem. Tā domāja Dags Selsums no Kalifornijas, pirms izvirzīja savu ambiciozo mērķi. Viņš nolēma, ka ir pilnīgi iespējams iegūt vairāk enerģijas, izmantojot mazāk materiālu.

Uzstādot duci vai vairākus desmitus mazu rotoru uz vienas vārpstas, kas savienota ar vienu ģeneratoru, Doug beidzot sasniedza savu mērķi. Viņš savienoja vienu garās vārpstas galu ar ģeneratoru, bet otru galu palaida gaisā. baloni ar hēliju. Sistēma darbojās kā paredzēts.

Dags bija lasījis mācību grāmatās, ka pietiek ar viena rotora turbīnu, lai iegūtu maksimumu, taču Dags šaubījās. Viņš domāja savādāk: jo vairāk rotoru, jo vairāk vēja enerģijas pieejams lietošanai.

Ja katrs rotors ir novietots pareizā leņķī, tad katrs rotors saņems savu vēju, un tas palielinās ražošanas efektivitāti.

Protams, tas sarežģī fiziku, jo tagad mums bija jāpārliecinās, ka katrs rotors uztver savu plūsmu, nevis tikai plūsmu no blakus esošā rotora. Bija nepieciešams noskaidrot optimālo leņķi vārpstai attiecībā pret vēju un ideālo attālumu starp rotoriem. Un galu galā ieguvums tika iegūts, izmantojot mazāk materiālu.

2003. gadā izgudrotājs no Kalifornijas Enerģētikas komisijas saņēma 75 000 ASV dolāru dotāciju, lai izstrādātu 3000 vatu septiņu rotoru turbīnu. Izaicinājums tika veiksmīgi izpildīts, un Dags Selsams jau ir pārdevis vairāk nekā 20 no savām 2000 vatu divu rotoru turbīnām vairākiem māju īpašniekiem. Viņš uzbūvēja šīs ierīces savā piepilsētas garāžā.

Daga ideja bija viena no retajām idejām, kurai faktiski ir visas iespējas gūt lielus panākumus komerciālajā pasaulē. Selsam saka, ka divi rotori ir tikai sākums. Viņš, iespējams, kādreiz redzēs savas vairāku rotoru turbīnas jūdzi pāri debesīm.

Arhimēds, kura galvenā mītne atrodas Roterdamā, Nīderlandē, ir nācis klajā ar savu konceptu par neparastām vēja turbīnām, kuras var uzstādīt tieši uz dzīvojamo ēku jumtiem.

Pēc projekta autoru domām, efektīva zema trokšņa līmeņa konstrukcija var pilnībā nodrošināt nelielu māju ar elektrību, un šādu ģeneratoru komplekss, kas darbojas kopā ar, spēj pilnībā samazināt lielas ēkas atkarību no ārējiem enerģijas avotiem. elektrība. Jaunajām vēja turbīnām dots nosaukums Liam F1.

Nelielu, 1,5 metru diametru un aptuveni 100 kilogramus smagu turbīnu var uzstādīt uz jebkuras dzīvojamās ēkas sienas vai jumta. Parasti rindu jumtu augstums ir 10 metri, un valstī gandrīz vienmēr pūš dienvidrietumu vējš. Šie apstākļi ir pietiekami, lai pareizi novietotu turbīnu uz jumta un efektīvi izmantotu vēja enerģiju.

Šeit tiek atrisinātas divas parasto vēja turbīnu problēmas: parasto lāpstiņu turbīnu radītais troksnis un lielgabarīta iekārtu uzstādīšanas augstās izmaksas. Parastajās vēja turbīnās uzstādīšanas izmaksas bieži vien neatmaksājas. Liam turbīnas trokšņu līmenis ir aptuveni 45dB, kas ir pat klusāks par lietus troksni (lietus troksnis mežā ir 50dB).

Turbīna, kas veidota kā gliemežvāka, vējā griežas kā vējrādītājs, uztverot gaisa plūsmu, samazinot tās ātrumu un mainot virzienu. Uzņēmuma direktors Marinuss Miremeta apgalvo, ka inovatīvās turbīnas efektivitāte sasniedz 80% no vēja enerģētikā teorētiski pieejamās maksimālās lietderības. Un ar to jau ir pilnīgi pietiekami.

Nīderlandē vidēji mājsaimniecība patērē 3300 kWh elektroenerģijas gadā. Pēc izstrādātāju domām, pusi no šīs enerģijas var nodrošināt viena Liam F1 turbīna ar vēja ātrumu vismaz 4,5 m/s.

Trīs šādas turbīnas var novietot trīsstūra virsotnēs uz mājas jumta, tad katra no turbīnām tiks nodrošināta ar vēju un tās viena otrai netraucēs, bet, gluži otrādi, palīdzēs viena otrai. .

Ja mēs runājam par uzstādīšanu pilsētā, kur notiek turbulentās plūsmas, ražotājs iesaka nedaudz pacelt uz pilsētu jumtiem uzstādītās vēja turbīnas, piestiprinot tās pie stabiem, lai kaimiņu māju sienas netraucētu vēja plūsmām.

Jaunās turbīnas paredzamās izmaksas kopā ar uzstādīšanu ir 3999 eiro. Tā kā iekārta ir lielāka par vienu metru, tās lietošanai var būt nepieciešama speciāla licence, tāpēc ekstrēmākajā gadījumā uzņēmumā tiek ražotas arī mini-Liam turbīnas, kuru diametrs ir 0,75 metri.

Ražotāji plāno savas turbīnas izmantot ne tikai dzīvojamo māju un rūpnieciskās ēkas, bet arī kuģu elektroapgādei.

Kā redzat, vēja turbīnu ražotājiem ir daudz interesantu alternatīvu.

Neticami! Bet drīz tas notiks. Trešās paaudzes alternatīvie enerģijas avoti apgriezīs visu pasauli kājām gaisā. Starts jau ir dots. Vēja turbīnas ir cilvēces elektroenerģijas nākotne.

Ievads

Neskatoties uz to, ka alternatīvajiem enerģijas veidiem, piemēram, vēja turbīnām, joprojām tiek pievērsta nepelnīti maz uzmanības, tās turpina intensīvi attīstīties. Iespējams, ka drīz lielvaras sapratīs, ka ārprātīgā kalnrūpniecība nodara vairāk ļauna nekā laba, un dabiskie enerģijas veidi stingri ienāks mūsu ikdiena. Šī cerība ir cieši saistīta ar faktu, ka pirms kāda laika tika paziņots par trešās paaudzes vēja turbīnu.

Kas ir trešās paaudzes vēja ģenerators

Tradicionāli tiek uzskatīts, ka pirmās paaudzes ierīces, kas pārveidoja vēja enerģiju, bija parastas kuģu buras un dzirnavu spārni. Pirms nedaudz vairāk kā gadsimta, attīstoties aviācijai, parādījās otrās paaudzes vēja ģenerators - mehānisms, kas balstīts uz spārnu aerodinamikas principiem.

Tas bija tā laika izrāviens! Lai gan, ja ņem kopumā, tad otrās paaudzes vējdzirnavas ir mazjaudas, jo sakarā ar dizaina iezīmes nevar strādāt stiprā vējā. Tāpēc, lai saņemtu vairāk elektroenerģijas, bija nepieciešams palielināt izmērus, kas radīja papildu finansiālās izmaksas izstrādei, ražošanai, uzstādīšanai un ekspluatācijai. Dabiski, ka ilgi tā tā palikt nevarēja.

2000. gadu sākumā gatavie izstrādātāji paziņoja par trešās paaudzes vēja ģeneratora - vēja turbīnas - parādīšanos. Jaunās ierīces dizains, darbības princips, uzstādīšana un, pats galvenais, jauda būtiski atšķiras no tās priekšgājējiem.

Ierīce

Vienkāršība. Tieši ar šo vārdu var raksturot vēja turbīnas ģeneratora konstrukciju. Salīdzinot ar lāpstiņu vēja turbīnām, vēja turbīnai ir daudz mazāks darba mezglu skaits un daudz vairāk fiksētu elementu, kas padara to izturīgāku pret dažādām statiskām un dinamiskām slodzēm.

Vēja turbīnas ierīce:

• apšuvums, tas var būt iekšējs un ārējs;
• turboģeneratora bloka apvalks;
• gondola;
• turbīna;
• ģenerators;
• dinamisks stiprinājums.

No papildu sistēmām vēja ģenerators ir aprīkots ar invertēšanas, akumulācijas un vadības blokiem. Nav lāpstiņu regulēšanas un orientēšanās pret vēju sistēmu, kas ir tradicionāla lāpstiņu vēja ģeneratoram. Pēdējais tiek aizstāts ar apšuvumu, kas darbojas arī kā sprausla, uztver vēju un palielina tā jaudu. Ja ņemam vērā, ka vēja plūsmas enerģija ir vienāda ar tās ātrumu V3, tad sprauslas klātbūtnes dēļ šī formula izskatās šādi: V3x4 = Ex64. Tajā pašā laikā, pateicoties tā cilindriskajai konstrukcijai, apvalkam ir iespēja pašam pielāgoties vēja virzienam.

Priekšrocības

Jebkurš Jauns produkts vai izgudrojumam vienmēr ir būtiski jāizceļas no saviem priekšgājējiem un noteikti uz labo pusi. To visu var teikt par jauno vēja ģeneratoru ar turbo dizainu. Viena no galvenajām vēja turbīnas priekšrocībām ir tās izturība pret spēcīgiem vējiem. Tā dizains ir izstrādāts tā, lai tas darbotos efektīvi un droši ārpus robežām, kas ir kritiskas tradicionālajām vējdzirnavām ar lāpstiņām: no 25 m/s līdz 60 m/s. Bet šī nav vienīgā vēja turbīnas priekšrocība, tās ir vairākas:

1. Infraskaņas viļņu trūkums. Visbeidzot, zinātniekiem ir izdevies atrisināt vienu no svarīgajām vēja turbīnu problēmām. Tas ir tieši tāpēc, ka tādi pastāv blakusefekts APU (vēja elektrostacija) kritizēja alternatīvās enerģijas pretinieki, infraskaņa nelabvēlīgi ietekmē dzīves vidi. Bet tagad, infraskaņas viļņu trūkuma dēļ, turbīnas tipa vēja ģeneratoru var uzstādīt pat pilsētu teritorijās.



2. Asmeņu neesamība vienlaikus novērš vairākus uzdevumus, ar kuriem saskārās vēja ģeneratora dizaineri un ražotāji. Pirmkārt, tiek likvidēti ievērojami spēku un līdzekļu izdevumi lāpstiņu vējdzirnavu darbības kontrolei. Otrkārt, vēja rata lāpstiņa ir visgrūtāk izgatavojamais vēja turbīnas elements. Lauvas tiesa no parastās vēja turbīnas izmaksām ir lāpstiņu ražošanas izmaksas. Turklāt ir gadījumi, kad ar spēcīgām vēja brāzmām plīsis asmens, izkaisot lauskas simtiem metru.
3. Viegla montāža un uzstādīšana. Visas sarežģītās konstrukcijas vai mezglus izgatavo un montē ražotne, uz vietas notiek tikai pēdējais montāžas un uzstādīšanas posms uz masta. Turklāt konstrukcijas elementu vieglums ļauj izmantot visizplatītāko celšanas aprīkojumu, uzstādot vēja ģeneratoru.
4. Savienojuma shēma. Atšķirībā no lāpstiņu APU, turbīna ir savienota caur standarta shēma. Šo faktu nekādi neietekmē nākotnes vēja ģeneratora īpašnieka izvirzītie tehniskie nosacījumi.
5. Ilgs kalpošanas laiks ir saistīts ar materiāliem, no kuriem izgatavots vēja ģenerators un tā atsevišķās daļas. Ņemot vērā profilaktiskos darbus, kas ir obligāti vēja ģeneratora darbības laikā, iekārtas kalpošanas laiks var būt līdz 50 gadiem.



Turbīnas APU darbības ģeogrāfija

Reālākā un optimālākā vieta turbīnas vēja ģeneratora uzstādīšanai būs ezera vai jūras krasts. Pie ūdenstilpnēm šāds vēja ģenerators darbosies praktiski visu gadu, jo pateicoties savai sprauslu ierīcei ir ļoti jūtīgs pret vieglām vēsmām un citām mazākajām vēja izpausmēm ar ātrumu 2m/s.

Ar tādiem pašiem panākumiem VST darbosies arī pilsētā, kur tradicionālais vēja ģenerators nevar darboties vairāku labi zināmu iemeslu dēļ:

1. Lāpstiņu vēja turbīnu nedrošība.
2. Infraskaņa, ko tie izstaro.
3. Minimālais vēja ātrums lāpstiņu vēja ģeneratora darbībai ir 4 m/s.

Interesants fakts, kas pierāda WTU priekšrocības

Viens no stūrakmeņiem, uz kura balstās alternatīvās enerģijas pretinieku nostāja, ir tas, ka vēja parki traucē lokācijas iekārtu darbību. Darbības laikā vēja ģenerators traucē radioviļņu pāreju. Ņemot vērā atsevišķu vēja parku izmērus, un tie var būt no vairākiem desmitiem līdz simtiem kvadrātkilometru, ir saprotams, kāpēc daudzu valstu valdības ir sākušas bloķēt alternatīvās enerģijas projektus valsts līmenī – tas ir tiešs drauds valsts drošībai. .


Šī iemesla dēļ kāds franču uzņēmums, kas ražo vēja turbīnu komponentus, ir uzņēmies izpildes ziņā sarežģīto uzdevumu - padarīt radariem neredzamas pašas vēja turbīnas, nevis telpu ap vēja turbīnu. Šim nolūkam tiks izmantota Stealth lidmašīnu ražošanā gūtā pieredze. Jaunus komponentus plānots laist tirgū 2015. gadā.

Bet kur ir fakts, kas pierāda VST priekšrocības pār lāpstiņu vēja turbīnu? Un fakts ir tāds, ka vēja turbīnas netraucē atrašanās vietas iekārtu darbību pat bez dārgas Stealth tehnoloģijas.

Alternatīvās vēja enerģijas attīstības perspektīvas

Pirmie mēģinājumi sākt izmantot vēja turbīnu rūpnieciskā mērogā tika veikti pagājušā gadsimta vidū, taču tie bija nesekmīgi. Tas bija saistīts ar faktu, ka naftas resursi bija salīdzinoši lēti, un vēja parku celtniecība bija nerentabla un dārga. Bet burtiski 25 gadus vēlāk situācija ir radikāli mainījusies.

Alternatīvie enerģijas avoti sāka pastiprināti attīstīties pagājušā gadsimta 70. gados pēc tam, kad pasaulē strauji pieauga mašīnbūves tempi un valstis saskārās ar naftas deficītu, kas noveda pie 1973. gada naftas krīzes. Tad pirmo reizi dažās valstīs netradicionālā enerģētika saņēma valsts atbalstu un vēja turbīnu sāka izmantot rūpnieciskā mērogā. 80. gados pasaules vēja enerģija sāka sasniegt pašpietiekamību, un mūsdienās tādas valstis kā Dānija, Vācija un Austrālija sevi nodrošina gandrīz par 30% no alternatīviem enerģijas avotiem, tostarp vēja parkiem.


Diemžēl un, iespējams, un par laimi, pagājušā gada tendence naftas tirgū ar nestabilu naftas cenu liek nopietni domāt, ka laiki, kad lēta nafta bija laba, ir pagātnē. Mūsdienās daudzām valstīm, jo ​​lētāka ir nafta, jo izdevīgāk ir attīstīt netradicionālo enerģiju, pirmkārt, tas attiecas uz NVS valstīm. Līdz ar to ir priekšnoteikumi vēja enerģijas attīstībai. Kā būs - redzēsim.