Ветряная турбина. Инновационная вертикально-осевая турбина

Ветер - это форма солнечной энергии. Ветры вызваны неравномерным нагревом атмосферы солнцем, нерегулярной структурой поверхности земли и ее вращением. Траектории потока ветра измененяются ландшафтом земли, массами воды и растительностью. Люди используют ветер или энергию его движения во многих целях: для парусного спорта, запуска бумажного змея и даже для производства электроэнергии. Термины «энергия ветра» и «мощность ветра» описывают процесс использования ветра для генерации механической энергии или электричества. Ветряные турбины (ветрогенераторы) преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую, которая может быть использована для ряда специфических задач, таких, как размол зерна или перекачивание воды.

Так как же ветряные турбины производят электричество? Попросту говоря, ветряная турбина работает противоположно вентилятору. Вместо того, чтобы использовать электричество, чтобы создавать ветер, как вентилятор, ветрогенераторы используют ветер, чтобы производить электричество. Ветер поворачивает лопасти, которые вращают вал, соединенный с генератором, производящим электроэнергию.

Этот вид сверху на «завод энергии ветра» показывает, как группа ветрогенераторов может производить электроэнергию для потребительских сетей. Через линии передачи и распределения она поступает в дома, предприятия, школы и так далее.

Типы ветряных турбин

Современные турбины разбиваются на две основных группы: горизонтально-осевые и вертикально-осевые, похожие на «взбивалки» модели Darrieus, названной в честь ее французского изобретателя. Горизонтально-осевые турбины, в типичном случае, имеют две или три лопасти. Эти трехлопастные турбины работают «против ветра», с лопастями, смотрящими на ветер.

Турбина GE Wind Energy мощностью 3.6 мегаватта - одна из крупнейших среди когда-либо устанавливавшихся:

Турбины большего размера более эффективны. И в ценовом отношении тоже.

Размеры ветряных турбин

Диапазон размеров турбин «сервисного» масштаба простирается от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Большие турбины группируются вместе в «ветряные фермы», которые осуществляют оптовые поставки электроэнергии в электросети.

Небольшие одиночные турбины мощностью ниже 100 кВт используются для электроснабжения домов, телекоммуникационных антенн или питания водоперекачивающих насосов. Маленькие турбины иногда применяются в комплексе с дизельными генераторами, аккумуляторами и солнечными батареями. Эти системы называют «гибридными ветровыми системами» и находят применение в отдаленных местах, где подключение к электрической сети невозможно.

Внутри ветряной турбины

Anemometer	Анемометр	Измеряет скорость ветра и передает данные скорости контроллеру.
Blades	Лопасти	Большинство турбин имеет или две или три лопасти. Ветер, проходящий сквозь лопасти, заставляет их «взлетать» и вращаться.
Brake	Тормоз	Дисковый тормоз, с механическим, электрическим или гидравлическим приводом для остановки ротора в критических ситуациях.
Controller	Контроллер	Управляющий контроллер запускает машину на скоростях ветра приблизительно 8…16 миль в час и отключает машину приблизительно при 55 милях в час. Турбины не работают на скоростях ветра выше 55 миль в час, потому, что сильный ветер может их разрушить.
Gear box	Коробка передач	Механически соединяет низкоскоростной вал турбины с высокоскоростным, увеличивая скорость вращения с 30…60 оборотов в минуту, до 1000…1800 оборотов, то есть до скорости, требуемой большинству генераторов для выработки электроэнергии. Коробка передач - дорогостоящая (и тяжелая) часть ветровой турбины и инженеры исследует генераторы «прямого привода», которые работают на более низких вращательных скоростях и не нуждаются в коробках передач.
Generator	Генератор	Обычно стандартный индукционный генератор, который вырабатывает электроэнергию переменного тока частотой 60 Герц (для США).
High-speed shaft	Высокоскоростной вал	Приводит в действие генератор.
Low-speed shaft	Низкоскоростной вал	Ротор вращает этот вал со скоростью порядка 30…60 оборотов в минуту.
Nacelle	Гондола	Гондола находится наверху башни и содержит в себе коробку передач, низко- и высокоскоростной валы, генератор, управляющий контроллер и тормоз. Некоторые гондолы достаточно велики для того, чтобы на них мог сесть вертолет.
Pitch	Разворот лопастей	Лопасти Поворачивает к ветру или под углом к нему, чтобы управлять скоростью вращения ротора и препятствовать вращению при ветрах, которые слишком сильны или слишком слабы для выработки электроэнергии.
Rotor	Ротор	лопасти и ступица вместе называют ротором.
Tower	Башня	Башни сделаны из стальной трубы (показаны здесь), бетона или имеют ажурную конструкцию. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватить больше энергии ветра и произвести больше электроэнергии.
Wind direction	Направление ветра	Есть так называемые турбины «против ветра», потому, что при работе они повернуты «лицом» к ветру. Другие турбины разработаны, чтобы работать с «подветренной» стороны, отворачиваясь от ветра.
Wind Vane	Флюгер	Определяет направление ветра и передает данные в управляющий контроллер для ориентации турбины в соответствии с направлением ветра.
Yaw drive	Привод гондолы	Турбины типа «против ветра» должны быть направлены на ветер и привод гондолы используется для коррекции направления ротора при изменениях направления ветра. «Подветренные» турбины не требуют привода ротора, так как ветер дует им в «спину».

На счет лопастей (с горизонтальной осью), мне понравилась статья из журнала «Моделист-конструктор», 1993год, №8. http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/%27%27Modelist-konstruktor%27%27/%27%27MK%27%27,1993,N08.%5Bdjv-002%5D.zip Там доходчиво расписан и принцип действия и как его сделать.
Чем смотреть такую прессу, лучше прочитать (вдумчиво) книгу Фатеева "Ветродвигатели и ветроустановки"
Касаемо промышленных ветротурбин dzen +1 [B]Три лопасти как компромис между С одной стороны стремлением обеспечить конструктивную прочность лопастей и снизить динамические нагрузки, удешевить ВЭУ путём уменьшения количества лопастей, обеспечить допустимый уровень аэродинамических шумов и вибраций, усиливающихся с ростом скорости движения концов лопастей и с другой стороны стремлением к увеличению КПД ветротурбины, растущего с увеличением оборотов ветротурбины и числа лопастей. [I]Учебник «Ветродвигатели и ветроустановки» Фатеева Е.М.
3-лопастная турбина имеет постоянный момент инерции относительно оси ориентирования,независимый от положения лопастей, следовательно при ориентировании ветряка не возникает вибраций. 2-лопастная при ориентировании трясется.
RE: Почемы 3 лопасти / Виталий71 Нууу, впервих кпд как раз самои болшои у одлолопастника, но он динамически несбалансируемий. А у двухлопастника звук вопиюсчий, зато трехлопастник - ето последний с высоким коефициентом, так как увеличение лопастеи сверх 3...5 НЕ ИЗМЕНЯЕТ кпд, зато крепко снизает СКОРОСТЬ вращения, значит материалоэмкость
В зависимости от быстроходности ветряка, для максимума КИЭВ, есть оптимальный коэффициент заполнения ветротурбины и от количества лопастей мало зависит, идеальная турбина-бесконечное количество бесконечно-узких лопастей. Наиболее сбалансированны 3, 6, 12, 18, ... , 3 минимальное число.
А меня звук двухлопастника не напрягал, хоть я и не ту кромку заточил по невниманию.
это про гигаваттник??? Но обычный (непойманный) ветер тоже вызывает широкий спектр звуковых колебаний (ИНЧ в том числе), хаотически давя на листья, ветви деревьев, окна и стены зданий. И даже в чистом поле ветер человеку на уши давит. Гроза и землетрясения тоже генераторы инфразвука. Насекомые и некоторые растения (перекати-поле) могут быть унесёнными потоками воздуха. Запретить это всё срочно!!! :)))
Да бредни это, слухи,которые финансово поддерживались в 80 годы владельцами теплоэлектростанций. Прблема мегаваттных ветряков,то что птицы (особенно по холоду) облепляют и обгаживают их, при наличии дырок вовнутрь,патаются свить гнезда внутри. Гнезда в ветряках сам видел.
Господа добрый день. Интересные у вас беседы однако прошу прощения у меня вопрос, а кто нибудь собирал турбину Горлова (http://www.quietrevolution.com/) я сделал но она и при сильном ветре не крутит если кто знает в чем секрет (где то есть изюменка а где не знаю)
Похоже ещё один человек хочет наступить на грабли. Есть простая истина, подтверждена теоретически и практически, причём не раз - все вертикалки делаются для красоты, но не как не для работы.
Эта т.н. турбина горлова - обычный ротор Дарье, скрученный в спираль для снижения резких кратковременных нагрузок. Но кроме снижения нагрузок, сильно падает КИЭВ и поэтому, чтоб она закрутилась, надо делать очень качественные лопасти и иметь сильный ветер. Ну и использовать ее хорошо только для красоты или раскрутки каких нибудь инвесторов на деньги.
То есть никто не знает что надо чтоб она закрутилась?
Качественные лопасти и сильнейший ветер.
Профиль лопастей должен быть точный, плоские ленты не пойдут. Плюс хороший ветер и разгонять её надо до рабочей скорости, сама турбина не разгонится даже при хорошем ветре. Против ветряка с горизонтальной осью её КИВ почти в 3 раза меньше. Вот выглядит красиво, ничего не скажешь:)
аэродинамический профиль крыла? А для разгона можно использовать ротор Савониуса.
Доказано расчетами и практикой, что профиль лопасти (хорда), должна быть приближена к идеальной, передняя плоскость отражающая ветровой поток по углу атаки где создается избыточное давление может быть плоской, а вот тыловая плоскость лопасти, чтобы создать по больше разницу давлений воздуха за лопастью нежели перед ею, должна быть выпуклой не равномерно создавая разряженность воздушных масс Может что не так?
Да посмотрите любой атлас аэродинамических профилей и увидите какие они-эти профили.
Да, я в курсе о них.
В крупных турбинах (относительно) управление лопастями идет опосредовано, извне. По крайней мере в Крыму на ВЭС управление было с персоналки в зависимости от нагрузки, оборотов, etc.

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

Полезные ископаемые, добываемые из недр земли и используемые человечеством в качестве энергоресурсов, к сожалению, не безграничны. С каждым годом их стоимость увеличивается, что объясняется сокращением уровня добычи. Альтернативным и набирающим обороты вариантом энергоснабжения выступают ветряные электростанции для дома. Они позволяют преобразовывать энергию ветра в переменный ток , что дает возможность обеспечивать все потребности в электричестве любых бытовых приборов. Главное преимущество таких генераторов – это абсолютная экологичность, а также бесплатное пользование электричеством неограниченное количество лет. Какие еще преимущества имеет ветрогенератор для дома, а также особенности его эксплуатации, разберем далее.

Еще древние люди заметили, что ветер может стать отличным помощником в осуществлении множества работ. Ветряные мельницы, позволявшие превращать зерно в муку, не затрачивая собственных сил, стали родоначальниками первых ветрогенераторов.

Ветряные электростанции состоят из определенного количества генераторов, способных получать, преобразовывать и накапливать энергию ветра в переменный ток. Они вполне могут обеспечить целый дом электроэнергией, которая берется из ниоткуда.

Однако, нужно сказать, что затраты на оборудование и их обслуживание не всегда дешевле , нежели стоимость центральных электросетей.

Преимущества и недостатки

Итак, прежде чем присоединиться к сторонникам бесплатной энергии, нужно осознать, что ветряные электростанции имеют не только преимущества, но и определенные недостатки. Из положительных сторон использования энергии ветра в быту можно выделить следующие:

способ абсолютно экологически чистый и не вредит окружающей среды;
простота конструкции;
легкость эксплуатации;
независимость от электросетей.

Домашние мини-генераторы могут, как частично обеспечивать электричеством, так и стать полноценным его заменителем, преобразуясь в электростанции.

Однако не нужно забывать про недостатки , которыми являются:

высокая стоимость оборудования;
окупаемость наступает не ранее чем через 5-6 лет использования;
относительно небольшие коэффициенты полезного действия, отчего страдает мощность;
требует наличия дорогостоящего оборудования: аккумулятор и генератор, без которого невозможна работа станции в безветренные дни.

Чтобы не потратить уйму денег впустую, перед покупкой всего необходимого оборудования, следует оценить рентабельность электростанции. Для этого высчитывают среднюю мощность дома (сюда входят мощности всех используемых электроприборов), количество ветреных дней в году, а также оценивают местность, где будут располагаться ветряки.

Основные конструктивные элементы

Простота возведения электростанции объясняется примитивностью конструктивных элементов.

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.

Если в настоящее время существует множество более продвинутых способов получения энергии, то раньше практически всюду использовались ветровые турбины. Конечно, они используются и сейчас, но число значительно сократилось. Чтобы понять принцип их работы, важно знать, что ветер - это форма солнечной энергии.

Общее описание

Ветровые турбины работают, используя потоки ветра. Но почему именно ветер способен дать электроэнергию? Это явление возникает из-за того, что происходит неравномерный нагрев атмосферы земли, структура поверхности планеты нерегулярна, а также потому, что она вращается. Ветровые турбины, или ветрогенераторы, способны преобразовать кинетическую механическую, которую впоследствии можно использовать для некоторых других задач.

Как именно эти устройства производят электрическую энергию, используя обычный ветер? На самом деле все довольно просто. Принцип работы такой турбины прямо противоположен работе вентилятора. Под действием силы ветра, у ветровой турбины поворачиваются лопасти, которые, в свою очередь, заставляют вращаться вал, соединенный с генератором, производящим электрическую энергию.

Типы турбин

Существует несколько типов разнообразных турбин. Инженеры выделяют две основные категории, использующиеся в данное время. Первая категория - горизонтально-осевые, а вторая категория - вертикально-осевые. Первый вид ветровых турбин имеет самую обычную конструкцию, включающую в себя две или три лопасти. Агрегаты с тремя лопастями работают по принципу "против ветра". Сами же элементы установлены так, что смотрят на ветер.

Одна из наиболее крупных турбин во всем мире - это GE Wind Energy. Мощность этого устройства - 3,6 мегаватта. Тут стоит отметить, что чем больше турбина, тем она эффективнее. К тому же соотношение пользы и цены также улучшается с увеличением размера агрегата.

Общие показатели турбин

Первый показатель, по которому выбирается устройство, - это мощность. Если брать "сервисные" турбины, то их мощность может начинаться от 100 кВт и достигать нескольких мВт. Также важно отметить, что и вертикальные ветровые турбины, и горизонтальные могут быть собраны в группы. Такие группы чаще всего называют ветряными фермами. Предназначение таких участков - это оптовая поставка электроэнергии к нужному объекту.

Если говорить о небольших одиночных турбинах, мощность которых ниже чем 100 кВт, то используются они чаще всего для снабжения электричеством частных домов, телекоммуникационных антенн или же для подачи энергии на водоперекачивающие насосы. Стоит отметить, что небольшие по своим размерам турбины также могут использоваться в комплекте с аккумуляторами или солнечными батареями. Такая система получила название гибридной. Используются они в тех местах, где нет другой возможности для подключения к электрической сети.

Преимущества вертикальных турбин

В настоящее время намного чаще используется именно вертикальный тип устройств. Это обосновано тем, что вертикальный тип обладает рядом преимуществ перед горизонтальными.

На вышки вертикального типа нагрузка будет действовать более равномерно, что дает такую возможность, как более простое создание большей, по своим габаритам, конструкции. К тому же для установки ротора на такой тип турбины нет необходимости в дополнительном оборудовании. Важным преимуществом, повышающим эффективность работы, стало то, что лопасти вертикальных турбин можно сделать закрученными - в виде спирали. Это очень важно, так как в этом случае энергия ветра будет воздействовать на них и на входе, и на выходе, что, конечно же, увеличивает эффективность установки.

Одним из важнейших преимуществ вертикальных турбин стало то, что при их установке нет смысла в настройке оси на поток ветра. Такой тип устройств будет работать при потоке ветра, дующем с любой из сторон.

Ветровая роторная турбина Болотова

Данная установка выделяется на фоне остальных устройств. Для нормальной работы турбины нет нужды в приспособлении ее к разного рода погодным условиям. Ветросиловой элемент этой конструкции способен воспринимать ветер с любой из сторон, без проведения каких-либо настроечных операций. К тому же такой тип станции не требует поворота башни при изменении направления ветра. Еще одно преимущество вертикальных ветровых турбин (VAWT - ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора) в том, что они обладают специальной конструкцией, позволяющей работать с ветряными потоками любой мощности. Возможна работа даже при штормовых порывах. Есть возможность выбора количества установочных модулей. От их количества будет зависеть выходная мощность турбины. То есть, изменяя количество модулей, можно изменять мощность агрегата, что очень удобно. Еще одно из преимуществ заключается в том, что ветросиловой элемент конструкции собран таким образом, что позволяет проводить преобразование с высоким КПД кинетической энергии в механическую.

Размеры ветровой турбины Бирюкова и Блинова

Данное устройство обладает двухэтажным ротором с диаметром 0,75 м. Высота этого элемента - 2 м. При действии свежего ветра, такой ротор был способен полностью раскрутить ротор асинхронного вала с мощностью до 1,2 кВт. Турбина могла выдерживать силу ветра без поломок до 30 м/с.

Стоит рассказать о том, почему ветровая установка считается достижением двух ученых. Все дело в том, что в 60-х гг. в СССР ученый Бирюков запатентовал карусельный с КИЭВ 46%. Однако несколько позже инженер Блинов смог использовать ту же самую конструкцию, но уже с показателем 58% КИЭВ.

Турбины гиперболоидного вида

В основу ветровых турбин гиперболоидного типа легли идеи такого инженера, как Шухов Владимир Григорьевич.

К особенностям этого типа турбины можно отнести то, что она обладает большей рабочей зоной ветрового потока. Если сравнивать этот показатель с другими категориями устройств, то гиперболоидный тип показывает результаты на 7-8% лучше, если считать от ометаемой площади. Этот показатель справедлив для тех типов, у которых рабочая зона ветрового потока крыльчатая. Если сравнивать такой тип, к примеру, с турбинами Дарье и Савониуса, то разница будет в 40-45%.

К особым свойствам этой категории агрегатов также стоит отнести и то, что они способны работать и с восходящими потоками воздуха. Это очень продуктивно, если установить генератор возле озера, болота, на склоне холма и т. д.

К плюсам таких турбин относится и то, что линия контакта активного слоя воздуха, который омывает гиперболоид, будет длиннее в 1,6 раза, чем у аналогичного цилиндра, вращающегося как ветрогенератор роторного типа. Естественно, отсюда вывод, что коэффициент полезного действия будет больше во столько же раз.

Недостатки

Несмотря на множество плюсов и особенностей этих турбин, у них имеется и ряд некоторых недостатков.

К отрицательным факторам стоит отнести то, что при вращении лопастей генератора против ветряных потоков, этот тип генератора будет нести существенные потери, что, в свою очередь, приведет к снижению эффективности работы примерно в два раза. Снижение этого показателя очень заметно, если сравнивать вертикальные турбины с горизонтальными, которые таких потерь не имеют.

Еще одним недостатком станет и то, что вертикальный ветрогенератор должен быть очень длинным. Если расположить его близко к земле, где скорость ветра значительно ниже, чем на большой высоте, то могут быть проблемы с запуском ротора, которому нужен толчок для начала работы. Сам по себе он никак не запускается. Можно, конечно, устанавливать специальные башни, чтобы поднять лопасти выше, однако нижняя часть ротора все равно будет находиться слишком низко.

К другим недостаткам можно отнести то, что зимой на лопастях ветрогенераторов будут образовываться сосульки. Также стоит отметить большое количество шума, который издают турбины при работе. Некоторые из установок даже способны производить при своей работе вредный инфразвук. Он вызывает вибрацию, из-за чего могут дребезжать стекла, окна, посуда.

Интересный факт: ветровые турбины в RimWorld использовались как источник энергии.

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

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

Актуальность разработки ветряной турбины

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

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

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

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

Размеры и вес агрегатов

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

Техническая эффективность

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

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

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


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

Преимущества вертикально-осевой ветряной турбины VAWT

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

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

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

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