Питерские ученые изобрели безопасный ветрогенератор в форме турбины самолета. Как работает ветряная турбина? Ветрогенераторы с вертикальной осью

Энергия ветра – бесплатная, возобновляемая, безопасная энергия. Установкой, преобразующей энергию воздушных потоков в электрическую

или тепловую называют ветрогенератор. Большинство современных ветряных установок имеют сравнительно низкий КПД (до 30%) и высокую стоимость производства.

Проект турбинны ветрогенератора

Главными задачами всех ученых, занимающихся проблемами ветроэнергетики, являются снижение стоимости производства ветряков, повышение их КПД и мощности.

Классификация

Ветрогенераторы подразделяются по расположению оси вращения на конструкции с:

• вертикальной осью (перпендикулярной земле);
• горизонтальной осью (параллельной земле).

По материалам, из которых производят лопасти, ветряки классифицируются на:

• жестколопастные;
• парусные.

По числу лопастей подразделяется на:

• генераторы с 2-мя лопастями;
• генераторы с 3-мя лопастями;
• многолопастные генераторы, с числом лопастей от 50-ти.

Ветрогенераторы турбинного типа относятся к категории нового поколения, их устанавливаю на крыше в виде вентиляторов и они не беспокоят соседей шумом

По типу винтового шага различают генераторы с:

• постоянным шагом;
• переменным шагом.

По типу конструкции:

• лопастные;
• турбинные.

По назначению:

• бытовые;
• коммерческие;
• промышленные.

Промышленные ветряки строят, преимущественно, с горизонтальной осью вращения и жесткими лопастями.

Ветровая турбина Liam F1 Urban вырабатывает КПД 80%

Парусные ветряки и генераторы с вертикальными осями вращения часто устанавливают для снабжения энергией частных домов и малых строений.

Ветротурбинная установка – ветрогенератор, турбина которого, имеет цилиндрическую форму с установленными внутри нее лопастями. По сути, это ветряк с горизонтальной осью вращения, края лопастей которого защищены цилиндром. Отличается простой, надежной конструкцией, большим, по сравнению с лопастными ветряками, КПД.

Принципиальное отличие

Ветровая турбина представляет собой цилиндрический контур. Внутри контура располагаются вращающие лопасти. Состоит конструкция из:

• турбины;
• внешнего или внутреннего обтекателя;
• обтекателя узла генератора турбины;
• гондолы;
• генератора;
• инвертора;
• аккумулирующего модуля;
• блока управления;
• динамического узла крепления.

Ветряки данного типа характеризуются отсутствием незащищенных лопастей вращения, а также системы, предназначенной для их регулирования и ориентирования на направление ветра. Это повышает надежность, безопасность конструкции. Цилиндрическая форма обтекателя самостоятельно разворачивается, улавливая ветер, а обтекатель, работающий как сопло, повышает мощность установки.

В зависимости от требуемой мощности и назначения, конструкция может иметь множество модификаций. Например, при изготовлении турбины могут использоваться различные материалы. Варьироваться могут геометрические размеры, способ размещения (на опору, ферму и пр.). Возможно дополнительное оснащение модулями солнечных батарей.

Прототип ветрогенератора турбинного типа для бизнеса

Ветротурбинные агрегаты выпускают бытового и промышленного назначения.

Принцип работы установки

Для нормальной работы ветровой установки турбинного типа необходим ветер, дующий со скоростью от 2 м/с до 60 м/с. Принцип работы установки такой. Агрегат самостоятельно улавливает направление ветра, поворачивается в нужную сторону. Поток воздуха попадает на лопасти, вращает их. Воздушные массы сообщают кинетическую энергию движения лопастям, где она преобразуется в энергию механическую, вращающую ротор.

Турбина ветрогенератора Российской разработки проходит испытания

Вращение ротора продуцирует трехфазный ток, поступающий на генератор. Оттуда ток идет в контроллер, где происходит его выпрямление, далее он протекает через аккумуляторы, заряжает их, затем поступает на инвертор. Инвертор выпускает однофазный переменный ток, частота его колебаний 50 Герц для сетей напряжением 220 В, либо трехфазный ток напряжением 380 В, необходимый промышленным предприятиям, а также для питания нагрузки.

Достоинства турбинной ветроустановки

Ветрогенератор турбинной конструкции имеет существенные преимущества над ветряками иных конструкций.

1. Высокая чувствительность к ветру. Минимальная скорость ветра для приведения лопастей в движение от 2 м/с; ветрякам иного типа нужна скорость ветра от 4 м/с.
2. Генератор способен работать при ураганных скоростях ветра (до 60 м/с). Большинство других ветряков работает до 25-30 м/с.
3. Коэффициент полезного действия ветряного турбогенератора почти вдвое превышает КПД ветряка, имеющего незащищенные лопасти. За счет сопельной конструкции обтекателя, турбинный ветряк значительно мощнее агрегатов иных конструкций.
4. Турбоустановка безопасна для птиц и летучих мышей. Ветряки с открытыми лопастями часто становятся причиной гибели летающих животных, которые не способны определить границы опасной зоны. Ветроустановку турбинной конструкции летучие мыши и птицы идентифицируют как единое препятствие и успешно ее огибают.
5. Ветряки большинства конструкций производят много шума, при определенных скоростях ветра генерируют инфразвук, поэтому их нельзя ставить вблизи жилых домов, ферм, лесных хозяйств. Турбинные установки не продуцируют инфразвук, губительный для людей и животных. Их можно устанавливать рядом с жилым домом. Турбинные ветряки не провоцируют искусственную миграцию животных.
6. Меньшая, по сравнению с лопастными, стоимость производства. Изготовление свободных лопастей – сложный, дорогостоящий процесс. Их отсутствие заметно удешевляет и упрощает производство установки.
7. Легкость и быстрота монтажа. Комплектующие турбогенератора производят на заводе; там же осуществляется сборка основных блоков. Установка включает лишь компоновку, соединение блоков, крепление ее к опоре. Монтаж происходит при помощи стандартных подъемников.
8. Легкость обслуживания. Сервисное обслуживание турбинных ветряков значительно проще и дешевле, чем лопастных. При правильной эксплуатации установки, периодическом грамотном сервисном обслуживании, срок эксплуатации достигает 50 лет.
9. Ветросиловая установка турбинного типа, в отличие от классических ветряков, не мешает летчикам и диспетчерам летных служб, не обнаруживается радарами ПВО, не создает угрозы национальной безопасности.

Область применения

Максимального КПД ветротурбинный генератор достигает вблизи природных водоемов из-за почти круглогодичного движения воздуха и высокой чувствительности к ветру. И также его устанавливают в городах, поселках. Конструкция установки позволяет пользоваться генератором для автономного или комбинированного освещения частных домов и дач.

Полезен ветрогенератор в населенных пунктах, расположенных вдали от городов, райцентров, где часто случаются перебои с электричеством. Ветротурбинную установку можно использовать вблизи аэродромов, военных полигонов. Оставаясь невидимой для радаров, она не несет опасности для пилотов и систем национальной безопасности.

Ветряные турбины в качестве источника электроэнергии используются уже не одно десятилетие. Впервые подобные конструкции человек начал эксплуатировать, когда обуздал силу природы и стал возводить мельницы. Сегодня для производства электроэнергии используются ветрогенераторы турбинного типа уже третьего поколения. Причем сами конструкции приобретают в последнее время все более необычные формы.

Современная ветряная турбина состоит из следующих элементов:

1. Анемометр. Он отвечает за измерение скорости ветра и передает соответствующую информацию контроллеру турбинного ветрогенератора.
2. Лопасти. Ветер, попадая на эти элементы, заставляет их вращаться. В результате в действие приводится турбина, которая вырабатывает электроэнергию.
3. Тормоз. Он дополняется механическим, гидравлическим и иными приводами. Тормозная система в ветровой турбине необходима для остановки ротора при возникновении критических ситуаций.
4. Контроллер. Отвечает за управление всей установки. Он в автоматическом режиме запускает ветряные турбины и останавливает их ход.
5. Индукционный генератор. Устройство генерирует электроэнергию. Оно дополняется высокоскоростным валом.
6. Гондола. Она располагается в верхней части ветряной турбины. В корпусе гондолы скрывается большинство элементов конструкции установки, включая тормоз и контроллер.

В зависимости от типа конструкции ветряная турбина может дополняться другими элементами. В частности, современные установки оснащаются обтекателем, который улавливает ветер и усиливает мощность последнего.

Достоинства турбин

Ветряная турбина современного типа обладает следующими преимуществами в сравнении со своими предшественниками:

1. Способна работать при высокой скорости ветра. Турбины современного типа функционируют, когда ветровые потоки движутся с превышением критических показателей (25–60 м/сек).
2. Не создает инфразвуковых волн. Этим недостатком обладали ветротурбины предыдущих поколений.
3. Простой монтаж. Основу конструкции создают еще на производстве. На месте устанавливаются отдельные элементы и монтируется гондола на мачту.
4. Применение инновационных материалов. Они не только увеличивают срок эксплуатации установки, но и обеспечивают легкость монтажа.

Ветровые установки в основном монтируются вдоль морского и океанского побережья либо непосредственно на воде. Такой подход позволяет добиться практически круглогодичной работы турбины.

Современные разработки

К числу недостатков, которыми обладают лопастные установки, относят следующее:

• они нарушают естественный тепловой баланс;
• относительно низкий КПД, не превышающий 30%;
• занимают большую площадь;
• представляют опасность для птиц.

Указанные недостатки заставляют разработчиков по всему миру искать новые технологические решения, позволяющие получать ветровую энергию. Среди последних достижений можно выделить:

1. Парящую турбину.

Конструктивно она напоминает воздушный шар, наполненный гелием. Внутри на горизонтальной оси установлена турбина с тремя лопастями. Такая система сегодня эксплуатируется на Аляске. Парящая турбина располагается на высоте, недоступной для современных ветровых установок. Такая система способна функционировать практически в автономном режиме (участие персонала сведено к минимуму).

2. Вертикальные турбины.

Их лопасти повторяют расположение плавников у рыб. За счет такой конструкции турбины способны вырабатывать достаточное количество электроэнергии, находясь при этом на близком расстоянии друг от друга. Длина вертикальных установок составляет 9 м. Для эффективной работы системы необходим монтаж как минимум двух близкорасположенных турбин. Согласно предварительным исследованиям, новый тип установок в сравнении с лопастными аналогами вырабатывает в 10 раз больше электроэнергии, занимая равную площадь.

3. Углеродистые «стебли».

В ОАЭ реализуется новый проект по генерации чистой электроэнергии. Он предусматривает монтаж 1203 углеродистых «стеблей» на 20-метровом основании. Высота данной конструкции составляет 55 м. Каждый отдельный элемент системы находится на расстоянии 10 м друг от друга.

Толщина отдельного стебля в основании равна 30 м. Внутри их располагаются слои, состоящие из чередующихся между собой электродов и пьезоэлектрического материала. Под давлением последний генерирует электричество. Энергия возникает в момент, когда стебли качаются на ветру. Данная система обеспечивает выработку того же количества электроэнергии, что и другие ветряные установки, занимающие равную площадь.

Нечто похожее создали тунисские ученые. Их система отличается от углеродистых «стеблей», используемых в ОАЭ, тем, что в ее верхней части располагается бесшумный генератор, напоминающий спутниковую тарелку.

В Голландии предложили устанавливать на каждый дом небольшую конструкцию, способную под действием силы ветра генерировать электричество. Этот ветрогенератор имеет турбину, повторяющую форму панциря улитки. Она, захватывая поток ветра, разворачивается и меняет направление его движения. Производительность такого ветрогенератора достигает 80% от теоретических показателей, которые потенциально могут демонстрировать подобные установки.

В последние годы появились разработки, предназначенные для монтажа на плавательных судах. В целом, количество систем, способных заменить собой лопастные ветрогенераторы, постоянно увеличивается. Возможно, в будущем они смогут решить все задачи, стоящие перед ветряной энергетикой.

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.

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

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.