Вертикальная ветровая турбина. Ветряная турбина

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.

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.

Вновь созданная ветровая турбина относится к возобновляемым источникам энергии в виде вертикально – осевых ветровых турбин (международная аббревиатура VAWT) карусельного типа

В современном мире сделали ставку на возобновляемые источники энергии, в том числе на ветроэнергетику. Преобладают ветрогенераторы пропеллерного типа, с горизонтальной осью вращения. Такие генераторы требуют мощных опорных башен и повышающих редукторов, что увеличивает сроки окупаемости. К тому же, такие агрегаты являются мощными низкочастотными источниками шума. Эти обстоятельства ограничивают круг покупателей и заставляет искать альтернативу традиционным ветряным электрогенераторам.

Вновь созданная ветровая турбина относится к возобновляемым источникам энергии в виде вертикально – осевых ветровых турбин (международная аббревиатура VAWT) карусельного типа.

Преимуществом роторов вертикального типа является, прежде всего, более низкий срок окупаемости, а также то, что они допускают работу в широком диапазоне скоростей ветра. В то время как роторы с горизонтальной осью переводятся в защитный режим авторотации при некоей 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.

В то время как роторы с вертикальной осью могут работать при любом направлении ветра. Также преимуществом вертикальных роторов является их малошумность и возможность установки в городских застройках, в том числе и на крышах зданий.

В рамках данного проекта предложен принципиально новый подход к конструкции вертикальных ветрогенераторов электроэнергии. Он основан на использовании низко расположенного прочного ротора, на периферии которого закреплено множество парусов – крыльев.

Ротор снабжён опорными стойками колёсных шасси, что позволяет ему вращяться 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 200квадратных метров, что позволит генерировать до ста киловатт электроэнергии. 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 большую ферму в степи, куда не проложена линия электропередачи. Увеличение мощности до сколь угодно большой величины достижимо тиражированием таких агрегатов. То есть, ставя много однотипных ветроустановок, достигаем нужной мощности.

В ходе Интернет - мониторинга выявлена американская компания, производящая VAWT для резиденций, заправочных станций электромобилей, а также для Министерства обороны США (электронный ресурс http://www.vortexis.com/vortexis-engineering.html)

При отдалённом внешнем сходстве американской VAWT с нашей турбиной, имеются следующие принципиальные отличия:

1. У аналога вращается внутренняя часть VAWT. А внешняя часть - это статор (неподвижный направляющий аппарат). У заявляемого объекта вся система - единый ротор. Хотя возможно дополнительно комплектовать нашу турбину статорными плоскостями – ветроконцентраторами.

2. Поскольку мощность зависит от крутящего момента, который прямо пропорционален радиусу ротора, при прочих равных условиях у нашей турбины радиус больше (при одних и тех же габаритах).

3. Наша турбина содержит горизонтальную крыльчатку, в отличие от аналога, которая снимает мощность с восходящего вихря внутри ротора.

4. У аналога нет наклонных антикрыльев. В нашей системе они есть, в количестве от 9до 18. Эти антикрылья, как показало сравнение старой модели с девятью антикрыльями и новой с вдвое большим количеством антикрыльев, увеличили мощность на 10 %.

5. Указанная компания не может делать большие VAWT. Заявитель проектирует турбину мощностью до 50...80 кВт, что на полтора порядка превосходит показатели описанного аналога.

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. 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 несопоставимо ниже, чем у пропеллерных мачтовых ветряков, имеющих механизмы ориентации на ветер и высоко расположенный энергомодуль с дорогим повышающим редуктором планетарного типа.

Сравнительная оценка эффективности роторов ветровых турбин различных типов приведена ниже в таблице 1.

Таблица1

Т.о, заявляемый объект не только нов и неочевиден, но и соответствует лучшим мировым стандартам по КИЭВ, превосходя мировые стандарты по сопутствующим затратам и сроку окупаемости.

В дальнейшем планируется сконструировать, изготовить и испытать полноразмерный пилотный образец. Планируется наладить массовый выпуск таких установок после отладки пилотного образца, с оснащением такими установками не элекрифицированных районов в сельской местности и новых зданий в городах. опубликовано

После восемнадцати месяцев подготовки, проект стоимостью в 1,3 млн долларов США носящий название «Парящая ветряная турбина Altaeros» (Altaeros Buoyant Airborne Turbine (BAT)) будет работать на высоте 1000 футов (304,8 м) над землей.

Проект, частично финансируемый за счет фонда Аляски Energy Authority"s Emerging Energy Technology Fund, станет первой долгосрочной демонстрацией воздушной турбины такого типа. В настоящее время он размещается на юге города Фэрбенкс в центральной части Аляски.

Находящийся на высоте 1000 футов, пилотный проект промышленных масштабов будет располагаться на более чем 275 футов выше, чем нынешний рекордсмен самого высокого размещения ветряной турбины - Vestas V164-8.0-MW. Vestas недавно установил свой первый прототип в Датском национальном центре тестирования больших турбин (Danish National Test Center for Large Wind Turbines) в Остерильде (Østerild), у которого высота расположения оси ветряной турбины равна 460 футов (140 метров), а лопасти простираются в высоту более 720 футов (220 метров).

Мощность турбины Altaeros составляет 30 кВт, она создает достаточно для обеспечения 12 домов. Но, по словам компании, это только начало. Она также может поднять на себе коммуникационное оборудование, такое как сотовые радиопередатчики, метеорологические приборы или другую чувствительную аппаратуру. Компания уверяет, что дополнительное оборудование не влияет на производительность турбины.

Altaeros разработала свою турбину для обеспечения постоянной дешевой энергией рынка в 17 миллиардов долларов США, являющего собой отдаленные локации и локальные микросети, не входящие в основную электрическую сеть, которые в настоящее время полностью зависят от дорогостоящих дизельных генераторов. Целевыми клиентами также являются находящиеся на острове и удаленные общины, фирмы по добыче нефти и газа, полезных ископаемых и , телекоммуникационные фирмы, спасательные организации, и военные базы.

Чтобы подняться на большую высоту к сильным и устойчивым ветрам, недостижимым для турбин наземной и морской установки, ВАТ использует наполненную гелием невоспламеняемую надувную оболочку. Высокопрочные канаты обеспечивают турбине устойчивость и являются проводниками для выработанной энергии. Подъемная технология адаптирована для конкретного применения и аналогична применяемой в аэростатах, промышленных родственниках дирижаблей, несущих тяжелое коммуникационное оборудование в течение десятилетий. Они способны противостоять ураганным и оснащены технологиями, обеспечивающими плавную посадку в большинстве непредвиденных и аварийных ситуаций.

В 2013 году Altaeros успешно протестировала прототип ВАТ при скорости ветра 72 км/ч на высоте 150 метров на своем испытательном полигоне в штате Мэн. Но поскольку технология аналогична аэростатам, турбина может противостоять более сильному ветру. Технологически, парящая турбина может быть запущена в эксплуатацию в течении 24 часов, поскольку не требует кранов и заливки фундамента. Наземная силовая станция контролирует лебедки, удерживающие турбину, а так же преобразует электричество перед отправкой в локальную сеть.

Похоже, что новый виток развития ветровой энергетики уже совсем близко и скоро мы сможем наблюдать «стаи» парящих гигантов, обеспечивающих нам домашний уют, связь, производство и все то, что невозможно без электричества.

сайт по материалам altaerosenergies.com

Изобрели городской ветрогенератор закрытого типа, который будет безопасен, как для людей так и для животных.

Как известно, современные «пропеллерные» ветряки небезопасны, как для людей, так и для птиц и летучих мышей, кроме того такие . Чтобы не повторять ошибки мировых производителей, российские ученые разработали ветряк закрытого типа, который напоминает форму турбины самолета.


Конструкция состоит из 32 лопаток вместо 2-х или 3-х лопастей, что существенно повышает КПД ветряка и понижает его стоимость. Кроме того кожух, в который заключены лопасти, в случае разрушения лопасти обеспечивает безопасность для окружающих. А высокая скорость вращения, позволяет избежать вредных для здоровья инфразвуковых колебаний.


Такой ветрогенератор имеет рекордно низкую стоимость генерирования электроэнергии. Его можно устанавливать в жилой зоне, в т.ч. на крышах городских зданий. Он выполняет практически все необходимые требования: удобство, дешевая стоимость монтажа и низкое электроэнергии.

Как уверяют разработчики, их ветрогенератор подходит для любых климатических условий и начинает работать при порывах ветра от 1,8 м/с и бесперебойно функционирует до 25 м/с.

«Это единственная модель генератора, которая может быть установлена там, где живет или работает человек. Он уникален по своим характеристикам безопасности и одновременно с этим еще и производителен», - говорит один из разработчиков ветрогенератора нового типа Владимир Канин.

Уникальной конструкцией питерцев заинтересовались установщики сотового оборудования, комплектов для мобильных буровых установок и геологический партий, а также администрации северных энергодеффицитных регионов России.

Аналогичные проекты существуют в США, Японии, Китае и Германии. Но как уверяют в компании Optiflame Solutions, судя по всему, они единственные, кто целенаправленно строит именно «городские», безопасные для жилой среды ветряки. В декабре 2010 года они стали одними из первых участников инновационного центра «Сколково». В этом году команда Optiflame Solutions вошла в десятку финалистов крупнейшего в стране конкурса стартапов GenerationS по треку CleanTech (чистые технологии).

Как утверждает Канин, сейчас в мире существует около 300 разных проектов ветрогенераторов, в реальности же насчитывается не больше 10 прототипов, которые можно пощупать. Все остальное только на эскизах.

На этом фоне, их закрытый ветрогенератор выглядит очень многообещающе. И нам остается только пожелать удачи российским разработчикам.

Современный кинетический ветрогенератор позволяет воспользоваться силой воздушных потоков, преобразовав ее в электричество. Для этой цели существуют заводские и самодельные модели устройств, которые применяют как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

Мы расскажем о том, как устроены ветряки этого типа, познакомим с особенностями устройства и конструктивными вариантами. В предложенной нами статье приведены слабые и сильные стороны ветряной энергетической установки. Самостоятельные мастера у нас найдут полезные схемы и рекомендации по сборке.

В основу функционирования ветрогенератора положена трансформация кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электроэнергию.

Принцип работы достаточно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, приводит к круговым движениям роторгенератора, благодаря чему вырабатывается электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно применять силу воздушных потоков, используя ее для выработки электричества

Получаемый нестабильный переменный ток «стекает» в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, способное зарядить батареи. Оттуда питание поступает на инвертор, где оно трансформируется в переменное напряжение с показателем 220/380 В, которое и подается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), рассчитывается согласно формуле N=pSV 3 /2, где V – скорость ветра, S – рабочая площадь, p – плотность воздуха.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.