Принцип работы ветряной турбины

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.

Конструктивные особенности

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.

‘; blockSettingArray[0][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[0][«elementPlace»] = 2; blockSettingArray[1] = []; blockSettingArray[1][«minSymbols»] = 0; blockSettingArray[1][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[1][«text»] = ‘

‘; blockSettingArray[1][«setting_type»] = 6; blockSettingArray[1][«elementPlace»] = 0; blockSettingArray[3] = []; blockSettingArray[3][«minSymbols»] = 1000; blockSettingArray[3][«minHeaders»] = 0; blockSettingArray[3][«text»] = ‘

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

Новая вертикально-осевая ветряная турбина (VAWT)

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

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

Актуальность разработки ветряной турбины

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

Влияние АЭС на окружающую среду

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.

Энергосберегающие технологии на промышленных предприятиях России

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

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

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

Преимущества вертикально-осевой ветряной турбины VAWT

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

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

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

Перспективность развития и применения альтернативных источников энергии

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

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

Автор статьи: Сергей Владимирович Геллер

Контакты: [email protected], +7(908)5006520

Ветряные турбины или ветрогенератор третьего поколения

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

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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 лопастной ветрогенератор 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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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.

к содержанию ↑

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.

Турбина для ветрогенератора

Для привода ветрового генератора изготовлена турбина роторного типа с вертикальной осью вращения. Этот тип ротора очень прочен и долговечен, имеет относительно небольшую скорость вращения и легко может быть изготовлен в домашних условиях, без канители с аэродинамическим профилем крыла и другими проблемами, связанными с изготовлением рабочего винта для ветрогенератора с горизонтальной осью вращения. Более того, такая турбина работает практически бесшумно и вне зависимости от того, куда дует ветер. Работа практически не зависит от турбулентности и частой смены силы и направления ветра. Для турбины характерны высокие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях. Эффективность этой турбины небольшая, но для питания устройств небольшой мощности этого достаточно, все окупается простотой и надежностью конструкции.

Электрогенератор

В качестве генератора используется доработанный компактный автомобильный стартер на постоянных магнитах. Выходные данные генератора: переменный ток мощностью 1,0…6,5 вт (в зависимости от скорости ветра).
Вариант переделки стартера в генератор описан в статье: Генератор из стартера

Изготовление турбины ветрогенератора

Эта ветровая турбина практически ничего не стоит и проста в изготовлении.
Конструкция турбины состоит из двух или более полуцилиндров установленных на вертикальном валу. Ротор вращается за счет различного сопротивления ветру каждой из лопастей, повернутых к ветру с различной кривизной. Эффективность ротора несколько повышается за счет центрального зазора между лопастями, так как некоторое количество воздуха дополнительно воздействует на вторую лопасть при выходе из первой.

Генератор закрепляется на стойке за выходной вал, через который выходит провод с полученным током. Такая конструкция позволяет исключить скользящий контакт для съема тока. Ротор турбины устанавливается на корпус генератора и фиксируется на свободные концы монтажных шпилек.

Из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм вырезается диск диаметром 280…330 мм или квадратная пластина, вписанная в этот диаметр.

Относительно центра диска размечаются и сверлятся пять отверстий (одно в центре и 4 по углам пластины) для установки лопастей и два отверстия (симметричные центральному) для закрепления турбины на генератор.

В отверстия, расположенные по углам пластины, устанавливаются небольшие уголки из алюминия, толщиной 1,0…1,5 мм, для закрепления лопастей.

Лопасти турбины изготовим из консервной банки диаметром 160 мм и высотой 160 мм. Банка разрезается вдоль оси пополам, в результате чего получаются две одинаковые лопасти. Края банки после разреза, на ширине 3…5 мм, загнуты на 180 градусов и обжаты для усиления края и исключения острых режущих кромок.


Обе лопасти турбины, со стороны открытой части банки, соединены между собой П-образной перемычкой с отверстием посередине. Перемычка образует зазор шириной 32 мм, между центральной частью лопастей, для повышения эффективности работы ротора.

С противоположной стороны банки (у дна), лопасти соединены между собой перемычкой минимальной длины. При этом зазор шириной 32 мм сохраняется на всей длине лопасти.

Собранный блок лопастей устанавливается и крепится на диск в трех точках — за центральное отверстие перемычки и установленные ранее алюминиевые уголки. Лопасти турбины закрепляются на пластине строго одна против другой.

Для соединения всех деталей можно использовать заклепки, саморезы, винтовое соединение М3 или М4, уголки или применить другие способы.

В отверстия, с другой стороны диска, устанавливается генератор и фиксируется гайками на свободные концы монтажных шпилек.

Для надежного самозапуска ветрогенератора необходимо добавить в турбину второй аналогичный ярус лопастей. При этом лопасти второго яруса смещаются по оси относительно лопастей первого яруса на угол 90 градусов. В итоге получится четырехлопастной ротор. Это гарантирует, что всегда есть, по крайней мере, одна лопасть, которая в состоянии поймать ветер и дать турбине толчок для вращения.

Для уменьшения размеров ветрогенератора, второй ярус лопастей турбины можно изготовить и закрепить вокруг генератора. Изготовим две лопасти шириной 100 мм (высота генератора), длиной 240 мм (аналогично длине лопасти первого яруса) из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм. Лопасти изогнем по радиусу 80 мм, аналогично лопастей первого яруса.

Каждая лопасть второго (нижнего) яруса закрепляется с помощью двух уголков.
Один установлен в свободное отверстие на периферии диска, аналогично креплению лопастей верхнего яруса, но со сдвигом на угол 90 градусов. Второй уголок закрепляется на шпильку устанавливаемого генератора. На фото, для наглядности крепления лопастей нижнего яруса, генератор снят.

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

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

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

Видео работы ветрогенератора

Доставка новых самоделок на почту

Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

особенности работы ветрогенераторов турбинного типа третьего поколения

В настоящее время обходиться без электроэнергии становится невозможно. Все устройства, техника, инструменты, способные обеспечить человеку хотя бы минимальный комфорт и возможность продуктивной работы, требуют наличия электропитания. При этом, возможность подключения к сети имеется далеко не всегда, поэтому возникает потребность в устройствах, способных генерировать электроэнергию, базируясь на имеющихся источниках. Одним из перспективных и доступных вариантов является ветроэнергетика.

Ветрогенератор турбинного типа — что это?

Турбинный тип конструкции ветрогенератора на сегодняшний день является одним из наиболее эффективных. Причина этого в том, что в устройствах подобного типа достигнуто оптимальное сочетание площади лопастей и их конфигурации. Снижение размеров компенсируется увеличением числа, а параллельно с этим происходит резкое уменьшение отрицательного уравновешивающего воздействия на обратные стороны лопастей, которое создает усилие, противодействующее вращению.

Кроме более высокого КПД турбинные конструкции отличаются низким уровнем шума, что также вызвано малой площадью лопастей и относительно небольшими габаритами самого устройства, не создающего сильного сопротивления потоку ветра. Также значительно снижена опасность разрушения или вывода из строя при сильных порывах ветра, так как парусность лопаток намного меньше, чем у более традиционных устройств.

Ветряки третьего поколения

Принцип турбины в конструкции ветряков считается наиболее эффективным. Такие устройства демонстрируют относительно высокий КПД, способны начинать вращение при малых скоростях ветра. Это направление считается ветроэнергетикой наивысшей перспективности, а ветрогенераторы, созданные по такому принципу относят к образцам нового, третьего поколения.

При этом, промышленных разработок пока очень мало. В основном, они представлены зарубежными моделями с низкой производительностью и высокими ценами, что ставит серьезный барьер между ними и потребителями. В то же время, такая ситуация стимулирует рост самостоятельных разработок, многие из которых способны в корне изменить ситуацию вокруг ветроэнергетики в целом.

Мало того, если на первых порах изготовлением таких устройств занимались случайные люди, то в настоящее время среди самодеятельных конструкторов наблюдается большой процент профессионалов, имеющих специальную подготовку и способных к точному расчету своих проектов. Поэтому качество подобных самоделок часто превышает промышленные образцы.

Сегодняшняя ситуация такова, что разработки промышленных масштабов, проводимые зарубежными компаниями, ориентированы в большей степени на высокую производительность, тогда как изобретения отечественных мастеров служат для создания возможности обеспечить электроэнергией небольшой участок — частный дом, усадьбу, экспедицию и т.п., что означает другие цены и условия использования.

Виды и типы ветрогенераторов

Классификация ветряков производится по разным признакам. В первую очередь они делятся на:

• Горизонтальные. Ось вращения ротора расположена горизонтально, устройства имеют более высокую эффективность работы, но нуждаются в точном ориентировании по направлению ветра.
• Вертикальные. Эти образцы вращаются вокруг вертикальной оси, поэтому направление воздушного потока для них непринципиально.

По типу конструкции:

• Лопастные.
• Турбинные.

Кроме того, существует деление по строению лопастей:

• Жестколопастные.
• Парусные (изготовленные из мягких материалов или ткани, натянутой на каркас).

По назначению:

• Бытовые
• Промышленные
• Коммерческие.

Необходимо учитывать, что классификация ветрогенераторов весьма условна, постоянно возникают новые варианты и типы конструкции, не укладывающиеся в рамки приведенных групп. Процесс развития и продвижения этого направления находится в стадии возрастания, поэтому говорить об окончательной и подробной классификации официального значения пока рано.

Общие показатели турбин

Основным параметром, интересующим потребителя в первую очередь, является мощность устройства. Это показатель эффективности ветряка, позволяющий оценить стоимость полученной энергии и решить, насколько такое устройство решает имеющуюся проблему.

Вторым, не менее важным и существенным показателем является цена ветрогенератора. Слишком дорогие образцы недоступны для рядовых пользователей, поэтому их производство нерационально с экономической точки зрения.

Кроме того, учитывается ремонтопригодность, особенности эксплуатации и обслуживания устройства. Эти вопросы в какой-то степени даже важнее, нежели цена, поскольку покупка совершается один раз, а обслуживание и ремонты могут производиться довольно часто, требуя постоянных расходов.

Необходимо учитывать, что ветрогенератор представляет собой комплекс, насчитывающий достаточно большое количество компонентов. Показатели всей системы зависят от индивидуальных параметров элементов, единственный слабый узел может снизить производительность всего комплекса, поэтому среди важных параметров следует назвать полное соответствие и сочетаемость всех узлов и элементов друг с другом.

Новые вертикальные ветрогенераторы

Большой интерес к ветроэнергетике, ее возможности и перспективы создали мощное движение по самостоятельной разработке и проектированию различных устройств. Создано немало новых, необычных конструкций ветрогенераторов, некоторые из которых имеют высокую эффективность, вследствие чего способны стать прототипами энергетических устройств будущего. Рассмотрим некоторые из них:

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Конструкция, основная идея которой заключена в максимальном увеличении коэффициента полезного действия за счет снижения противодействия давления ветра на обратные стороны лопастей. Представляет собой вертикальный ротор со стержневыми лопастями, расположенными по окружности вращения, создающими очертания в виде гиперболоида. Полезная площадь воздействия потока существенно возрастает. Эффективность такого устройства намного выше, чем у обычных конструкций, запуск ротора возможен при ветре всего 1,4 м/с.

Ветрогенератор Третьякова

Конструкция Третьякова представляет собой довольно сложное, но весьма эффективное устройство. Принцип действия ротора Третьякова основан на улавливании потока воздуха и организации его направления таким образом, что противодействия не создается.

Рабочее колесо с лопастями находится внутри воздухоприемной конструкции, получающей поток встречного ветра и распределяющей его так, что он воздействует на лопасти по направлению снизу-вверх. Этот момент довольно важен — вектор прилагаемого усилия снижает коэффициент трения, облегчая запуск вращения и позволяя эффективно работать при малых скоростях ветра. При этом, несмотря на вертикальный тип конструкции, устройство требовательно к направлению ветра и нуждается в ориентировании по направлению потока. Это происходит автоматически, форма корпуса способствует развороту по ветру.

Возможность работы со слабыми потоками важна для большинства регионов нашей страны, а компактность и надежность конструкции гарантирует долговременное использование.

Ветровая роторная турбина Болотова

Ветрогенератор на основе разработок семьи Болотовых предназначен в первую очередь для решения вопросов энергоснабжения частных домов, передвижных пунктов или иных точечных участков как стационарного, так и мобильного типа. Конструкция представляет собой вертикальный ротор, оснащенный модульными лопастями, установленными посекционно одна над другой.

Снаружи установлен неподвижный спрямляющий аппарат, улавливающий ветровые потоки, направляющий их под нужным углом, исключая уравновешивающее воздействие на обратные стороны лопастей. Спрямляющий аппарат параллельно выполняет функцию статора, что увеличивает мощность, эффективность ветрогенератора.

Основная особенность устройства состоит в том, что он не нуждается в мачте для подъема над уровнем грунта. Кроме того, сила ветра, необходимая для запуска вращения, относительно мала, что позволяет использовать конструкцию в любом регионе.

Дизайнерский ветрогенератор revolution air

Это устройство — детище французского дизайнера Филиппа Старка. Конструкция представляет собой разновидность геликоидного ротора. Планируется выпускать два типоразмера мощностью 1 кВт и 400 Вт. Соответственно размер ветряка будет составлять 140 и 90 см.

Параметры конструкции откровенно слабы — скорость ветра, необходимая для запуска, составляет 14 м/с, а стоимость моделей соответственно 3500 и 2500 евро. Такие качества не позволяют всерьез рассматривать конструкцию как вариант решения проблемы с энергоснабжением, превращая устройство лишь в дорогостоящую статусную игрушку.

Решение вопросов электроснабжения в отдаленных регионах зачастую ложится на плечи самих жителей, вынуждая их прибегать к альтернативным источникам. Промышленные модели, чаще всего, недоступны из-за высокой цены, поэтому приходится использовать самодельные установки. Обилие разработок, имеющих высокий КПД и эффективность по сравнению с заводскими образцами, способствует распространению, продвижению ветрогенераторов альтернативных конструкций.

Рекомендуемые товары

В шесть раз больше энергии, чем традиционные турбины.

Утверждается, что ветряная турбина «Sheerwind» от компании INVELOX обещает вырабатывать в шесть раз больше энергии, чем традиционные турбины. Данная технология не является новым словом в сфере динамики жидкостей, однако это новый способ генерации энергии —  и если он окажется удачным, то даст мощный импульс развитию всей ветряной электроэнергетики.

Давайте посмотрим подробнее на принцип ее работы …

Энергетическая компания SheerWind из Миннесоты, США, объявила о результатах испытания ветрогенератора нового поколения Invelox. Компания утверждает, что во время испытаний турбина смогла произвести в шесть раз больше энергии, чем за то же самое время способны генерировать обычные ветровые турбины-мельницы на башнях.  Кроме того, затраты на производство энергии ветра с Invelox ниже, поэтому на равных могут конкурировать с природным газом и гидроэнергетикой.

 

 

Invelox проявляет новый подход к ветровой энергетике, поскольку она не полагается на высокую скорость ветра. Турбина Invelox способна захватить ветер любой скорости, даже легкий бриз над землей. Захваченный ветер идет через воздуховод, по пути набирая скорость. Полученная кинетическая энергия приводит в действие генератор на земле. Объединив поток воздуха с вершины башни, можно генерировать больше энергии с меньшими турбинными лопатками и даже при самом легком ветре, говорит SheerWind.

 

 

Эта забавная башня действует подобно дымоходу, направляя поток ветра с любого направления вниз к наземному турбинному генератору. Пропуская ветер по узкому каналу, она фактически создаёт реактивный эффект, который увеличивает скорость потока — одновременно понижая его давление. У этого процесса есть название – эффект Вентури, и он позволяет ускорить вращение турбины, расположенной в самой узкой части прохода.

Благодаря этому, башня может вырабатывать электричество даже при крайне малой скорости ветра, что крайне выгодно отличает её от текущих технологий получения ветряной энергии. Эта идея настолько проста, элегантна, и многообещающа, что она может стать ответом на многие проблемы в этой перспективной области альтернативной энергетики. Помимо меньших начальных вложений и повышенной мощности и эффективности, она также решает проблему птиц и летучих мышей, которые часто погибают в ветряных турбинах (а это является действительно серьёзной проблемой этих устройств).

 

 

Что касается заявлений о шестикратной мощности, как и со многими новыми технологиями, обещающими исполнительный прорыв, это  должно рассматриваться с осторожностью. Заявление SheerWind основывается на ее собственных сравнительных испытаниях, точная методология которых не совсем ясна.

«Мы использовали тот же самый турбинный генератор Invelox и установили его на башне, как и в случае традиционных ветряных мельниц,» сказал представитель SheerWind. «Мы измерили скорость ветра и выходную мощность. Тогда мы поместили ту же самую систему турбинного генератора опять же,  измерили скорость свободного потока ветра, скорость ветра внутри INVELOX, и мощность. Тогда мы измерили скоростно-силовые качества в течение от 5 до 15 дней (в зависимости от теста)  и вычислили энергию в кВт/ч. Энергии на шестьсот процентов больше было однажды. В среднем результаты колебались от 81 до 660 процентов, со средним числом приблизительно на 314 процентов больше энергии.»

 

 

Invelox может работать при скорости ветра 1,5 км. Цена ветровой турбины Invelox стоит всего $750 долларов за установку мощностью в 1 киловатт. Производитель также утверждает, что эксплуатационные расходы значительно меньше по сравнению с турбинами обычной технологии. Благодаря своим небольшим размерам, система, предположительно, безопаснее для птиц и другой живности дикой природы, как и безопасная турбина Ewicon. Система также имеет возможность подключения нескольких турбин к одному генератору, то есть, получить энергию от того же самого генератора.

Масштабное производство и продажи жителям и коммунальным предприятиям намечено на 2014.

 

 

 

 

[источники]

источники

http://themindunleashed.org/2014/04/funny-looking-tower-generates-600-electrical-energy-traditional-wind-turbines.html

http://zelenovosti.ru/%D0%B2%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F-%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B0-invelox-%D0%BE%D1%82-sheerwind-%D1%81%D0%BF%D0%BE%D1%81%D0%BE%D0%B1%D0%BD%D0%B0-%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%B5/

 

И еще я вам напомню про  Крупнейшую ветряную электростанцию в мире или например вообще про Энергия ветра . А вот посомтрите Вот так разрушаются ветряки и что это за чудо Корабль под турбопарусами ! Оригинал статьи находится на сайте ИнфоГлаз.рф Ссылка на статью, с которой сделана эта копия — http://infoglaz.ru/?p=48945

Эффективность ветряных турбин • Айк Акопян • Научно-популярные задачи на «Элементах» • Физика

Сначала запишем уравнение сохранения потока вещества: сколько воздуха в такую абстрактную трубку втекает с одного конца, столько и должно вытекать из другого. Если взять малый участок цилиндра площадью \(A\) и длиной \(\Delta l\), то масса вещества в таком объеме составит \(\Delta m=\rho A \Delta l\). Допустим, вещество движется со скоростью \(v\), тогда расстояние \(\Delta l\) такой отрезок воздуха проходит за время \(\Delta t = \Delta l / v\), и \(\Delta m = \rho A v \Delta t\) (рис. 3). За единицу времени через такую плоскость протекает \(Q = \Delta m / \Delta t = \rho v A\) вещества, и эта величина должна быть постоянна, вне зависимости от того, какое сечение вдоль цилиндра мы выберем. Постоянство величины \(Q\) также называется уравнением непрерывности.

Таким образом можно для трех разных областей, показанных на рис. 2, написать уравнение непрерывности (плотность считается постоянной):

\[\rho A_1 v_1 = \rho A_0 v_0 = \rho A_2 v_2.\]

Отсюда уже можно видеть, что если скорость ветра после прохождения сквозь лопасти ветряной турбины падает, то есть \(v_2 < v_1\), то неизбежно площадь потока должна пропорционально вырасти: \(A_2 > A_1\).

Запишем далее уравнение Бернулли, которое, по сути, является законом сохранения энергии для жидкости или газа. Эти уравнения следует писать для всех областей попарно (слева и справа от лопастей, где энергии сохраняются отдельно, так как часть энергии в процессе передается самим лопастям):

\[P + \dfrac{1}{2}\rho v_1^2 = P_0^- + \dfrac{1}{2}\rho v_0^2\]

и

\[P_0^+ + \dfrac{1}{2}\rho v_0^2 = P + \dfrac{1}{2}\rho v_2^2.\]

Вычтя одно уравнение из другого, найдем, что разность давлений у лопастей турбины равна:

\[P_0^- — P_0^+ = \Delta P_0 = \dfrac{1}{2}\rho\left(v_1^2- v_2^2 \right).\]

Помножив эту разность на площадь \(A_0\), получим силу, с которой ветер действует на лопасти. Сила — это, по определению, изменение импульса \(\rho A \Delta l v\), за единицу времени \(\Delta t\), поэтому:

\[\Delta P_0 A_0 = \rho A_0 \dfrac{\Delta l}{\Delta t} (v_1- v_2) = \rho A_0 v_0 (v_1- v_2).\]

Откуда легко найдем, что \(v_0 = (v_1+v_2)/2\).

Сила, помноженная на скорость ветра \(v_0\) даст мощность (количество энергии передаваемое турбине за единицу времени):

\[W = \dfrac{1}{2}\rho \left(v_1^2- v_2^2\right) A_0 v_0.\]

Тот же результат можно получить и по-другому. Количество энергии, которое протекает сквозь площадь поперечного разреза, по аналогии с количеством вещества можно записать так:
\[\Phi = \dfrac{1}{2}\rho v^2 \dfrac{A \Delta l}{\Delta t} = \dfrac{1}{2} \rho A v^3.\] Эта формула нам понадобится в послесловии. Отняв потоки энергии до и после турбины, \(\Phi_1- \Phi_2\), получим ту же самую мощность, \(W\), найденную выше:
\[W = \dfrac{1}{2}\rho \left(A_1 v_1^3- A_2 v_2^3\right).\] Чтобы прийти к окончательному виду для мощности, нужно просто вспомнить, что \(A_1 v_1 = A_2 v_2 = A_0 v_0\) из уравнения непрерывности.

Подставив значение для \(v_0\), запишем мощность в таком виде:

\[W = \dfrac{1}{4}\rho A_0 (v_1- v_2)(v_1 + v_2)^2.\]

Записав без потери общности изменение скорости в виде \(v_0 = (v_1 + v_2)/2 = v_1 (1- x)\) (это делается для удобства), получим, наконец, такое выражение:

\[W = 2\rho A_0 v_1^3 x (1- x)^2.\]

Для нахождения КПД нужно эту эффективную мощность, которая передается турбине, разделить на начальную мощность ветра, приходящуюся на площадь ветряка:

\[\eta = \dfrac{W}{\frac{1}{2}\rho v_1^3 A_0} = 4 x (1- x)^2.\]

Осталось найти максимум этого выражения. Это легко сделать, взяв производную. Или же можно посмотреть в третью подсказку и проверить, что максимальное значение достигается при \(x=1/3\), то есть когда скорость после турбины падает втрое: \(v_2 = (1- 2x) v_1 = v_1/3\). Максимально возможное значение КПД, таким образом, равно

\[\eta_{\mathrm max} = \dfrac{16}{27}\approx 59\%.\]