Новые типы ветряных закрытых турбин. Ветряные турбины — в шесть раз больше энергии

Чтобы пользоваться энергией ветра, потребуются такие детали :

• ветряные лопасти – захватывают поток ветра, передавая импульс ветрогенератору;
• ветрогенератор и контроллер – способствуют преобразованию импульса в постоянный ток;
• аккумулятор – накапливает энергию;
• инвертор – помогает преобразовывать постоянный ток в переменный.

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.

Бесконечная «эврика»

Помните греческого изобретателя и математика Архимеда, который воскликнул «эврика! (я нашёл!)» при открытии им основного закона гидростатики? С самых древних времён по настоящее время человечество пребывает в вечном поиске новых открытий. Не осталась в стороне и область покорения ветровой энергии. Ветрогенератор нового поколения не даёт покоя ни учёным, ни инженерам-практикам. Вечный поиск даёт свои благодатные результаты и время от времени в какой-нибудь точке земного шара тишину изобретения нарушает радостный возглас – «Эврика»!

На этот раз героем дня оказался старый американец 89 лет от роду, ветеран второй мировой Рэймонд Грин из Калифорнии, который много лет ломал голову над проблемой усовершенствования существующих видов ветроустановок. Наконец, ему удалось создать ветрогенератор, который почти бесшумен и безопасен для летающих друзей человека. Изобретённое им детище весом 20 кг одним махом решает сразу кучу проблем, которые стояли перед ветрогенератором старой модификации.

В чём принципиальные отличия изобретённой установки? Самое главное – она не имеет крутящихся лопастей с внешней стороны. В ней всё спрятано в кожух, что предохраняет птиц от гибели. Второй существенной разницей является то, что новая конструкция даёт возможность применять лопасти небольшого размаха, что способствует уменьшению шума.

К сожалению, на этом знакомство с новым агрегатом заканчивается. Мы не можем знать столько, сколько знает сам изобретатель о своём детище, пока изделие не внедрится в серийное производство. Автор проекта убеждён, что через два года это произойдёт и геологи в дальних исследовательских лагерях, врачи военных госпиталей стран третьего мира, пострадавшие люди из зон стихийного бедствия, жители отдалённых глухих деревень будут пользоваться электроэнергией его изобретения.

Возможные невозможности

Вы не задумывались над вопросом, почему ветровой энергетикой пользуются лишь смельчаки да рьяные умельцы? То есть, этим видом получения электричества рискуют заниматься далеко не все нуждающиеся. Да потому, что сама по себе ветроэнергетика в её прежних модификациях крупна по своим размерам, сложна при монтаже, не совсем удобна в эксплуатации (попробуй забраться на высоту мачты и отремонтировать генератор). Да и много шума издают крутящиеся лопасти и опасны для птиц. И, никуда от этого не денешься, высокая цена.

Названные проблемы остаются в историческом прошлом с появлением ветрогенератора нового поколения. Их несколько видов и об одном из них мы рассказали в первом разделе данной статьи. Вторым представителем из ряда новинок является безредукторный ветрогенератор, в котором энергия вырабатывается «кончиками» лопастей. Здесь отсутствует традиционный вал от пропеллера к генератору, а электричество снимается с обода пропеллера.

Его ротор в форме ферромагнитного обода закреплён на крыльях ветроколеса. По конструкции он простой, легко изготавливается и монтируется. Но размещение постоянных магнитов на концах крыльчатки намного утяжеляют её, что снижает общий КПД установки. Зато агрегат удобен в эксплуатации, потому что простая конструкция не требует излишнего внимания. Такие ветрогенераторы могут работать везде при любых климатических условиях.

То, что вчера казалось невозможным, сегодня становится обыденной реальностью.

Ветрогенератор покоряется интеллектуалам

С дальнего расстояния он совсем не похож на ветрогенератор, а скорее всего, на водонапорную башню не совсем обычной для такого сооружения формы. Если подъехать ближе, увидишь медленное вращение лопастей. Вертикальный вал вращается совершенно бесшумно.

Такую гигантскую турбину собирается серийно выпускать одна американская компания в Аризоне под руководством инженера Мазура. По его расчётам она одна должна поставлять столько электроэнергии, что её хватит для мегаполиса в 750 тысяч домов. В 2007 году инженер поставил себе цель – многократно увеличить КПД ветрогенератора на вертикальной оси и приближался к своей цели все эти годы.

Изобретатель работал в двух направлениях: первое – сделать как можно больший захват лопастями воздушного потока и второе – свести к нулю трение опоры ветролопастей. Огромных размеров вертикальный ротор должен выполнить первую задачу, а вращающаяся турбина на магнитной подушке – вторую.

О второй задаче надо сказать более подробно. Вращение без трения достигается за счёт магнитной левитации, о чём мы рассказывали в статье о принципах работы ветрогенераторов в разделе под заголовком «Творцы новых возможностей». Весь вертикальный роторный блок при вращении поднимается на своей оси и совершенно не касается нижнего опорного подшипника. Он установлен только для старта, для разгона турбины. Как только она набирает обороты, так становится, как бы, невесомой и отрывается от подшипника. В результате трение сводится к нулю, если не считать трения самой турбины о воздух. КПД сразу подскакивает вверх.

Гигантская турбина очень чувствительна и реагирует на малейшее дуновение ветерка. Такая способность подниматься во время вращения за счёт магнитной левитации давно занимала учёные и изобретательские умы планеты. Это такое явление, при котором любая вещь или предмет, имея вес, отрывается от поверхности и парит в пространстве без всякого применения отталкивающей силы. Полёт птиц – уже не левитация.

Вертикальные ветрогенераторы с левитирующей способностью ротора овладели сейчас мыслями инженеров-изобретателей. И вот первые результаты уже налицо. В проекте Мазура виден «плавающий» ротор на магнитной подушке, а вместо генератора установлен линейный синхронный двигатель. Ветрогенератор на магнитной подушке множеством лопастей максимально захватывают воздушный поток и по предположению учёных такая турбина будет вырабатывать электроэнергию по сказочно мизерной цене – меньше цента за киловатт-час.

Ротор Онипка — ветрогенератор для низких и средних скоростей ветра:

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

Введение

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

Что такое ветряной генератор третьего поколения

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

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

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

Устройство

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

Устройство ветротурбины:

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

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

Преимущества

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

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



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



География эксплуатации турбинной ВСУ

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

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

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

Интересный факт, который доказывает преимущество ВТУ

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


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

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

Перспективы развития альтернативной ветроэнергетики

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

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


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

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

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

Принцип действия ветрогенератора:

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

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

Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

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

Классификация по оси вращения:

• Горизонтальные.
• Вертикальные.

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

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

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

Классификация по количеству лопастей:

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

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

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

Классификация по материалам лопастей:

• Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
• Парусные ветрогенераторы.

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

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

Классификация по шагу винта:

• Фиксированный шаг винта.
• Изменяемый шаг винта.

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

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

Ветровые турбины

Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения . В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них – высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух – четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра – диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) – механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре – снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления – почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом – противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт – ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный – около 52 %. Мощность промышленного аппарата – 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора – от 30 до 50 Дб).

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость – 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость – 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея – сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект – ветрогенератор Mobile Wind Turbine – разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) . Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Типы ветродвигателей