Турбина для вертикального генератора

Ветер обладает колоссальный энергией, однако он как дикий необъезженный мустанг абсолютно неуправляем.Дикого жеребца можно обуздать, а вертикальный ветрогенератор своеобразный аналог такой упряжи

Турбина для вертикального генератора

Вертикальный ветрогенератор

Пост опубликован: 11 апреля, 2020

Колоссальная энергия ветра, как и дикий необъезженный мустанг неуправляемы

Ветер и дикий мустанг при колоссальной энергии абсолютно непредсказуемы. Дикого жеребца можно обуздать, а вертикальный ветрогенератор своеобразный аналог такой упряжи –он будет вырабатывать энергию вне зависимости от направления воздушного потока. А КПД вертикальных ветряков на 40% выше, чем у горизонтальных ветрогенераторов

Вертикальный ветрогенератор

Среди всех альтернативных источников энергии есть один особый, который присутствует везде и всегда. Он и в пустыне и в море, он и днём и ночью – это ветер. Казалось бы ветрогенератор идеальное устройство чтобы обеспечить свой дом бесплатным электричеством, но именно для ветра характерна онтологическая дихотомия – он одновременно и постоянен, и непредсказуем.

Зол — повелитель ветров у греков

Двуликая энергия ветра

На Земле нет такого места, где никогда не дуют ветра. Они могут быть слабые, а в какие-то периоды может быть полный штиль, но это издержки атмосферных явлений. В глобальном представлении ветер есть всегда. Однако его направление абсолютно непредсказуемо!

Обычные горизонтальные ветрогенераторы нуждаются в сложной системе ориентации «по ветру». Они или поворачиваются целиком, или же у них лопасти меняют угол наклона. Но это усложнение конструкции прямо сказывается на стоимости и надёжности.

Однако есть вертикальные ветрогенераторы, для которых этой проблемы не существует в принципе! Им абсолютно без разницы направление ветра, главное чтобы он был. И что особенно привлекательно – работать вертикальный ветрогенератор начинает при меньшей скорости воздушного потока.

Преимущества и недостатки вертикальных ветрогенераторов

Придумать и нарисовать схему на бумаге, это совсем не то же самое, что воплотить её в реальность. На практике вылезают некоторые изъяны, которые приходится как-то нивелировать. Например, поток воздуха оказывает отрицательное давление на лопатки турбины. С одной стороны ветер их закручивает, а когда они возвращаются в исходное положение, то этот поток оказывает сопротивление.

Если горизонтальный ветрогенератор можно заглушить при штормовом ветре простым поворотом лопастей, то в вертикальной конструкцией этого проделать невозможно.

Именно эти недостатки на начальном этапе развития альтернативной энергетики, сделали вертикальные ветрогенераторы аутсайдерами в своём сегменте.

Сейчас положение кардинально изменилось! В 2008 году, исследователи из Калифорнийского технического университета доказали, что при скрупулёзном проектировании и использовании современных композитных материалов, имея одинаковые размеры, вертикальный ветрогенератор даёт в 10 раз больше энергии, чем его горизонтальный конкурент.

Основные преимущества вертикальных ветряков следующие:

  • Не требуется ориентация по направлению ветра;
  • Выдерживает вдвое большую скорость воздушного потока;
  • Начинают работать при меньших скоростях ветра;
  • Оснащаются более простым и надёжным редуктором;
  • Не нуждаются в высоких мачтах;
  • Центровка конструкции надёжная, так как вся система находится на одной центральной оси, а центр тяжести смещён вниз. Поэтому возведение вертикального ветрогенератора обходится дешевле;
  • Блок управления находится внизу, поэтому обслуживание и ремонт выполнить гораздо проще;
  • Требуют площадку меньших размеров;

Принимая в расчёт, что изготовление вертикальных ветрогенераторов обходится дешевле, многие энтузиасты альтернативной энергетики сходятся во мнении, что есть явные признаки картельного сговора. Поэтому на рынке уже 15 лет выпускаются мини- и микромодели таких генераторов, ориентированные на частный сектор.

Спиральный ротор Дарье

Эволюция вертикальных ветрогенераторов

Первые вертикальные мельницы появились в Китае, почти 2000 лет назад. Через тысячу лет их заново изобрели в Персии. Но приспосабливать такие конструкции для выработки электроэнергии начали в самом конце 19-го века.

Чертежи из австрийского патента Савониуса 1925

Попытки устранить базовые изъяны были направлены на конструкцию и форму лопастей. За 130 лет появилось несколько модификаций, которые не поддаются безальтернативной систематизации. Поэтому начать их описание надо с наиболее лёгких в изготовлении, пусть даже они не такие эффективные как современные разработки.

Модель Савониуса

Изобрёл лопасти такого типа финский инженере сто лет назад.

В изготовлении она чрезвычайно проста и в эксплуатации надёжна. Но так как лопасти работают только за счёт разности давления, то эффективность оставляет желать лучшего.

В частном секторе, именно ветрогенераторы Савониуса чаще используются как стартовая модель. Важно только не упустить особенность расположения лопастей относительно друг друга, и оставить небольшой просвет между ними.

Базовый изъян ветрогенератора Савониуса кроется в переменных нагрузках на лопасти, которые вызваны эффектом Магнуса. Поэтому в Голландии модернизировали конструкцию, путём закручивания лопастей в спирали.

Называется такой вертикальный ветрогенератор Windwokkel (Обтекатель Ветра) .

Модель Дарье

В конце 20-х годов прошлого века, французский лётчик Дарье додумался использовать подъёмную силу крыла, для увеличения эффективность вертикального ветрогенератора. Симбиоз чрезвычайно эффективен, и даже сейчас ещё не существует реальных математических моделей, описывающих физические процессы в таком ветрогенераторе! Достаточно сказать, что в 2010 году, в Новосибирском отделении РАН было проведено полномасштабное исследование ветрогенератора Дарье, и ученые чётко обосновали следующий факт: коэффициент энергопреобразования в идеально спроектированной конструкции вертикального ветрогенератора Дарье – 0,72.

Чтобы понять глубину этого факта, надо вспомнить, что теоретически доказанный предел эффективности для любых типов горизонтальных ветрогенераторов, не может превышать 0,593. А на практике, он даже не достигает 0,45.

Причина такого качественного скачка в том, что кроме разницы давлений ветра на лопасти, в конструкции Дарье задействован эффект аэродинамической подъёмной силы крыла. Поэтому скорость вращения вертикальной турбины Дарье может превышать скорость набегающего воздушного потока в 3-4 раза!

Существует несколько разновидностей ветротурбины Дарье:

  • Спиральная турбина Горлова.

Идеальный проект предполагает три лопасти. Так как при двух лопастях затруднён автозапуск, а четыре и более лопасти снижают производительность.В некоторых конструкциях, для автозапуска используют гибридную систему, для этого ветрогенератор Савониуса интегрируют внутрь конструкции Дарье .

Экзотические системы вертикальных ветрогенераторов

Около 12 лет назад, французский изобретатель Дьедонне , придумал ни на что не похожий вертикальный ветрогенератор и назвал его Panemon.

Система очень оригинальная, и кустари одиночки воспроизводили её в своих частных домах.

В Хорватии установили более серьёзный прототип.

В Голландии придумали и запустили в мелкосерийное производство «Энергетический шар».

Это чудовищная химера вертикального и горизонтального ветрогенератора, вырабатывает около 700 вт уже при 1,5 м/с. Кроме обычных динамических сил описанных выше, в данной конструкции был учтён эффект Вентури. Это частное ответвление от эффекта Бернулли, которое проявляется в падении давления при протекании воздуха через узкое пространство.

Сенсация альтернативной энергетики

Одним из самых слабых мест у вертикальных ветрогенераторов является опорный подшипник. Масса всей конструкции давит на опору вызывая её усталостную деструкцию, а механическое трения снижает производительность. Чтобы обойти этот изъян, один китайско-немецкий консорциум предложил использовать магнитные подшипники с эффектом левитации.

Формы лопаток турбины могут быть различные, но центральный вал в этих моделях держится на магнитном подшипнике – левитирует. Проверка работоспособности конструкции вертикального ветрогенератора на магнитом подшипнике, продемонстрировала высокую эффективность в изменяющихся ветровых условиях по сравнению с аналогичной системой без такой опоры

Феномен маглева (магнитной левитации) основан на отталкивании одноименных полюсов постоянных магнитов. Использование пары постоянных неодимовых магнитов, с реальной поддержкой магнитной левитации, достаточно легко испытывается на практике. Два кольцевых магнита обращённых друг к другу одинаковыми полюсами демонстрирую достаточно сильное отталкивание, чтобы держать обе поверхности на расстоянии друг от друга. Сила, создаваемая в результате этого отталкивания, используется для подвески и является достаточно мощной, чтобы уравновесить вес объекта в зависимости от мощности магнитного поля.

В этом проекте удалось реализовать технологию достижения вертикальной ориентации с помощью роторов, а также генератора осевого потока. Однако есть нюансы, которые действительно отличают систему, работающую на постоянных магнитах, от электромагнитов.

В конструкции ветряка с осевым потоком, работоспособность основана на генераторах с постоянными магнитами. В них концепция магнитов и магнитных полей является доминирующим фактором в этой форме работы. Эти генераторы имеют воздушный зазор, перпендикулярный оси вращения. Одновременно, воздушный зазор создает магнитные потоки, параллельные оси.

Технология maglev, служит эффективной заменой шарикоподшипников, используемых в типовой ветротурбине, и обычно реализуется с постоянными магнитами.

Левитация используется между вращающимся валом турбины и основанием всей системы ветряка. При наличии соответствующих механизмов удаётся использовать очень слабые ветра для выработки электроэнергии. Правильно размещённые магниты формирует магнитное поле, а медные катушки будут способствовать захвату напряжения из-за изменения этого магнитного поля.

Такая система может работать при скорости ветра от 1 м/с, и поддерживает генерацию до шквальных порывов в 55 м/с. Согласно исследованию, генерирующая мощность ветровой турбины Маглева выше на 20% по сравнению с обычными ветряными турбинами, а эксплуатационные расходы на 50% ниже.

Ветрогенераторы МагЛев производятся и продаются в США с 2014 года.

В комментариях прикрикриплен Прайс лист чисто для ознакомления с разновидность турбин Маглева,и дополнительную полезную информацию:

Характеристики ротора Дарье

Разработка ветрогенератора с вертикальной осью

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Спасибо, что дочитали до конца!

Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Следите за нами в твиттере: https://twitter.com/Alter2201

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

Турбина для ветрогенератора

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.

Читайте также  Тяговый генератор тепловоза м62

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: Генератор из стартера

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.

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.

Для прочности конструкции, после общей сборки, обе лопасти нижнего яруса, через отверстия в нижней части лопастей, дополнительно притягиваются к генератору проволочным хомутом.

После сборки турбины и установки ее на генератор получилась такая конструкция:

Проведенные на природе испытания показали, что конструкция ветрогенератора работоспособна, но плохо запускается при малой скорости ветра. Поэтому, на верхний ярус лопастей турбины, дополнительно к двум имеющимся, добавлены еще две лопасти (аналогичные имеющимся) или из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм, сходные по конструкции и размерам. Лопасти нижнего яруса несколько удлинены для повышения пускового момента.

Видео работы ветрогенератора

Ветрогенераторы вертикальные в Москве

Документы и сертификаты

Ветрогенераторные установки (ВЭУ) используют для преобразования энергии ветра в электрическую энергию через механическое вращение ротора.

Характеризует ветровую энергетику, как и солнечную, полное отсутствие сырья и отходов, что крайне привлекательно при текущем росте населения планеты.

Конечно стоимость энергии, вырабатываемой индивидуальной электростанцией, не сравнима со стоимостью сетевого электричества. Но в сравнении с топливным генератором существенно выгодно.

  • Ветрогенераторы для частного дома
  • Ветрогенераторы горизонтальные
  • Ветрогенераторы вертикальные
  • Ветрогенераторы бытовые
  • Ветрогенераторы для дачи
  • Ветрогенераторы 1 кВт
  • Ветрогенераторы 2 кВт
  • Ветрогенераторы 3 кВт
  • Ветрогенераторы 5 кВт
  • Ветрогенераторы 10 кВт
  • Ветрогенераторы 15 кВт
  • Ветрогенераторы 20 кВт
  • Ветрогенераторы 30 кВт
  • Ветрогенераторы на 220 Вольт
  • О нас
  • Доставка и оплата
  • Производство
  • Монтаж
  • Обслуживание
  • Наши работы
  • Интересное
  • Контакты
  • Политика конфиденциальности
  • Карта сайта

Оплата

Предлагаем различные варианты оплаты:

  • Наличные,
  • Безналичный расчет для юридических лиц,
  • Банковская карта (VISA/MasterCard),
  • Сбербанк Онлайн,
  • Тиньков Онлайн,
  • Банковская карта (VISA/MasterCard).

Доставка

Для Москвы и МО

1. Доставка курьером до 100 кг. — 9 90 руб. в пределах МКАД. За МКАД + 30 руб / км.

2. Самовывоз со склада — Бесплатно . Адрес: м. Угрешская, ул. Угрешская, 31 к.1 (1 этаж, 1-МИГ)

За 1 час сообщить о приезде для заказа пропуска.

Доставка более 100 кг. и негабаритных размеров рассчитывается дополнительно.

По России и СНГ

1. Отделение Почты России.

Стоимость и сроки доставки согласно тарифам ПОЧТЫ РОССИИ.

2. Служба доставки СДЭК.

Стоимость и сроки доставки согласно тарифам СДЭК.

3. Транспортная компания ПЭК.

Стоимость и сроки доставки согласно тарифам ПЭК.

4. Транспортная компания Деловые Линии.

Стоимость и сроки доставки согласно тарифам Деловые Линии.

Гарантия и возврат

Если товар надлежащего качества Вам, но Вам не подошел, мы готовы принять его на возврат в течении 14 календарных дней со дня покупки. При условии сохранения внешнего вида, оригинальной упаковки и отсутствия следов эксплуатации.

Для оформления возврата отправьте письмо по адресу: [email protected] . В письме нужно указать следующую информацию:

  • причину возврата;
  • артикул товара;
  • название товара;
  • фото, видео или другое обоснование причины возврата.

Возвращаемый товар должен иметь полный комплект поставки и документы (инструкция, чек, гарантийный талон).

После подтверждения менеджером, товар не обходимо сдать по адресу: г. Москва, ул. Угрешская, 31 к.1 (1 этаж, 1-МИГ).

Сервисное обслуживание по гарантии

Гарантию на товары, представленные на нашем сайте, предоставляет производитель. Как правило, гарантийный срок составляет от 1 года до 3 лет в зависимости от категории.

Чтобы отремонтировать товар по гарантии:

  • отправьте заявку через форму обратной связи на нашем сайте;
  • в заявке укажите причину (фото, видео обоснование);
  • дождитесь ответа менеджера;
  • сдайте товар на гарантийное обслуживание по адресу: г. Москва, ул. Угрешская, 31 к.1 (1 этаж, 1-МИГ)

Срок технического осмотра и ремонта товара может составить до 50 календарных дней.

Мегаконструкции. Самые большие ветрогенераторы


Siemens SWT-7.0-154

Кто говорил, что ветряки не способны конкурировать по мощности с атомными электростанциями? Посмотрите на самую большую в мире ветроэлектрическую установку Siemens SWT-7.0-154. С площадью ометания 18 600 м² этот гигант в одиночку генерирует максимальную мощность 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. Несколько сотен таких ветряков — и вот вам атомная электростанция.

SWT-7.0-154 — это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Она пришла на смену предыдущему флагману SWT-6.0-154, от которого практически не отличается по техническим спецификациям, но оснащён более мощными магнитами. Более сильное магнитное поле позволяет генерировать больше электроэнергии при том же диаметре. Другими словами, в этой ВЭН параметр снимаемой мощности с квадратного метра площади ометания выше примерно на 16,7%.

Ветрогенератор включается в работу на минимальной скорости ветра 3-5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растёт до максимальной 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. При достижении скорости ветра 25 м/с генерация прекращается.

Казалось бы, на таких скоростях ветра лопасти ВЭУ должны вращаться быстро, но это совершенно не так. На самом деле они вращаются неторопливо и степенно, делая всего 5-11 оборотов в минуту. То есть полный оборот три лопасти совершают примерно за 5-12 секунд, в зависимости от скорости ветра.

Более сильное магнитное поле в новой модели означает также и то, что эту турбину труднее раскрутить. Для достижения той же скорости вращения 5-11 оборотов в минуту и максимальной генерируемой мощности (7 МВт вместо 6 МВт) этой турбине требуется повышенная скорость ветра: 13-15 м/с вместо 12-14 м/с. Соответственно, и начальная скорость ветрогенерации у неё выше. Вот почему данная модель-гигант наиболее оптимально подходит для размещения на территориях с относительно сильными ветрами, лучше всего в море.

Внутри турбины нет редуктора (коробки передач) — здесь работает система прямого привода, подключенная к синхронному генератору переменного тока с постоянными магнитами. Поскольку скорость генератора определяет напряжение и частоту тока, то «грязный переменный ток» преобразуется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в переменный ток перед подачей в сеть.

В последние годы в области ветряной энергетики происходит очень быстрый научно-технический прогресс. Буквально каждый год появляются новые модели ВЭУ большей мощности и эффективности. Большие и маленькие, рассчитанные на целые посёлки или отдельные дома, на большую скорость ветра в море или на среднюю скорость ветра над крышей частного дома.

Читайте также  Шелест со стороны генератора

Например, мировой рекорд по максимальной генерируемой мощности принадлежит вовсе не Siemens, а другой турбине ещё одного немецкого производителя Enercon E126, которая выдаёт до 7,58 МВт. На видео показан процесс установки такой турбины.

Высота стойки Enercon E126 — 135 м, диаметр ротора — 126 м, общая высота вместе с лопастями — 198 м. Общий вес фундамента турбины — 2500 тонн, а самого ветрогенератора — 2800 тонн. Только электрогенератор весит 220 тонн, а ротор вместе с лопастями — 364 тонны. Общий вес всей конструкции со всеми деталями — 6000 тонн. Первая установка подобного типа была установлена около немецкого Эмдена в 2007 году, хотя в той модификации максимальная мощность была меньше.

Впрочем, ветрогенераторы-гиганты — довольно дорогое удовольствие. Один такой ветряк на 7 МВт обойдётся в $14 млн вместе с установкой, если заказывать все работы у сертифицированных немецких специалистов. Конечно, если освоить производство в своей стране, благо металла хватает, то стоимость вполне можно снизить в несколько раз. Кто знает, может такой гигантский проект национальной стройки занял бы население страны и помог выбраться из экономического кризиса.

Почему ветряки не заменят АЭС

Одна из самых последних строящихся в Восточной Европе атомных станций — Белорусская АЭС — получит два энергоблока с реакторами ВВЭР-1200 мощностью по 1200 МВт. Казалось бы, несколько сотен ветряков Siemens сравнятся с атомной электростанцией. Стоимость строительства примерно одинаковая, зато «топливо» бесплатное. Что интересно, Белорусскую АЭС как раз строят в районе, где по климатическим данным за 1962-2000 годы почти самая высокая среднегодовая скорость ветра в Беларуси. Но в реальности эта «самая большая» среднегодовая скорость ветра — всего лишь около 4 м/c (на высоте 10 м), чего едва хватит для запуска ВЭУ на минимальной мощности.

Перед установкой следует сверяться с годовой картой ветров в районе дислокации с данными средней удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м и выше. Хорошо бы составить такие карты для всей территории страны, чтобы найти места наиболее оптимального строительства ВЭУ. Нужно иметь в виду, что скорость ветра сильно зависит от высоты, что хорошо известно жителям высотных домов. В обычных прогнозах погоды по ТВ сообщают скорость ветра на высоте 10 м над землёй, а для ветровой турбины следует измерять скорость на высоте 100-150 м, где ветры гораздо сильнее.

Так что наиболее оптимально такие гиганты подходят для установки в море, в нескольких километрах от побережья, на большой высоте. Например, если установить такие установки вдоль северного побережья России с шагом 200 метров, то максимальная мощность массива составит 690,3 ГВт (побережье Северного Ледовитого океана составляет 19724,1 км). Скорость ветра там должна быть приемлемая, только при заливке фундаментов придётся иметь дело с вечной мерзлотой.

Правда, по стабильности работы ВЭУ никогда не сравнятся с АЭС или ГЭС. Здесь энергетикам приходится постоянно следить за прогнозом погоды, потому что генерируемая мощность напрямую зависит от скорости ветра. Ветер должен быть не слишком сильным и не слишком слабым. Хорошо, если в среднем ВЭУ будут выдавать хотя бы треть от максимальной мощности.

Обзор вертикальных ветрогенераторов

Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые.

Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.

Ретроспектива вертикальных ВЭУ

Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

Вертикальные ветряки использовались и в Китае. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датированы 1219 годом нашей эры. Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями. При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с. Ветряной двигатель персидских мельниц представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт.

Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором

Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра. 50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня. Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений.


Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором

В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века

а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.
д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

Принцип работы

В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.
2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами. Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха. Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра. Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.
Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1. Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор). Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U

Инновационная вертикально-осевая ветряная турбина (VAWT) для выработки электроэнергии

Новая вертикально-осевая ветряная турбина (VAWT).

  • Актуальность разработки ветряной турбины
    • Размеры и вес агрегатов
    • Техническая эффективность
  • Преимущества вертикально-осевой ветряной турбины VAWT

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.

Читайте также  Что такое автономный режим работы генератора

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. Виды и применение редукторов).

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 Примечания
Ротор Савониуса Вертикальное 0,17 Р.А. Янсон. Ветроустановки. Под редакцией М.Ж. Осипова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007г., стр.23, рис.13 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.

Кроме того, это энергообеспечение, в том числе и отопление объектов жилищно-коммунального хозяйства, уличное освещения, энергообеспечение сельскохозяйственных объектов, например, животноводческих ферм (см. Программа государственной поддержки «Начинающий фермер») и перерабатывающих производств. Плюс к тому, вертикально-осевые ветрогенераторы могут быть установлены там, где нельзя установить традиционные пропеллерные установки – на крышах зданий, транспортных средствах и на палубах нефтяных платформ. Так что дело только за инвесторами. Автор статьи готов воплотить описанную инновацию в рыночные продукты, имея для этого необходимые компетенции.

Автор статьи: Сергей Владимирович Геллер

Яков Кузнецов/ автор статьи

Приветствую! Я являюсь руководителем данного проекта и занимаюсь его наполнением. Здесь я стараюсь собирать и публиковать максимально полный и интересный контент на темы связанные ремонтом автомобилей и подбором для них запасных частей. Уверен вы найдете для себя немало полезной информации. С уважением, Яков Кузнецов.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
NEVINKA-INFO.RU
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: