Вітрові турбіни. Вітрогенератори нового покоління. Незвичайні пристрої, вітроенегетика та її проекти

Неухильне виснаження природних ресурсів призводить до того, що останнім часом людство шукає альтернативні джерела енергії. На сьогоднішній день відомо досить багато видів альтернативної енергетики, одним з яких є використання сили вітру.

Енергія вітру застосовувалася людьми з давніх-давен, наприклад, у роботі вітряків. Перший вітрогенератор (вітряна турбіна), який служив для виробництва електрики, був побудований в Данії в 1890 р. Такі пристрої стали застосовуватися в тих випадках, коли потрібно було забезпечити електроенергією якийсь важкодоступний район.

Принцип дії вітрогенератора:

Вітер обертає колесо з лопатями, яке передає момент, що крутить, на вал генератора через редуктор.
Інвертор виконує завдання перетворення отриманого постійного електричного струму змінний.
Акумулятор призначений для подачі до мережі напруги за відсутності вітру.

Потужність ВЕУ знаходиться у прямій залежності від діаметра вітроколеса, висоти щогли та сили вітру. В даний час виробляються вітрогенератори, діаметр лопатей яких від 0,75 до 60 м і більше. Найменша із усіх сучасних ВЕУ – G-60. Діаметр ротора, що має п'ять лопатей, всього 0,75 м, при швидкості вітру 3-10 м/с вона може виробляти потужність 60 Вт, її вага становить 9 кг. Така установка успішно застосовується для освітлення, зарядки батарей і роботи засобів зв'язку.

Усі вітряні генератори можуть бути класифіковані за кількома принципами:

Осі обертання.
Кількості лопатей.
Матеріалу, з якого виконані лопаті.
Крок гвинта.

Класифікація по осі обертання:

Горизонтальні.
Вертикальні.

Найбільшу популярність набули горизонтальні вітрогенератори, вісь обертання турбіни яких розташована паралельно землі. Цей тип отримав назву «вітряка», лопаті якого обертаються проти вітру. Конструкція горизонтальних вітрогенераторів передбачає автоматичний поворот головної частини (у пошуках вітру), а також поворот лопатей для використання вітру невеликої сили.

Вертикальні вітрогенератори набагато менш ефективні. Лопаті такої турбіни обертаються паралельно поверхні землі при будь-якому напрямку та силі вітру. Так як при будь-якому напрямку вітру половина лопатей вітроколеса завжди обертається проти нього, вітряк втрачає половину своєї потужності, що значно знижує енергоефективність установки. Однак ВЕУ такого типу простіше в установці та обслуговуванні, оскільки її редуктор та генератор розміщуються на землі. Недоліками вертикального генератора є: дорогий монтаж, значні експлуатаційні витрати, а також те, що для встановлення такої ВЕУ потрібно багато місця.

Вітрогенератори горизонтального типу більше підходять для електроенергії в промислових масштабах, їх використовують у разі створення системи вітряних електростанцій. Вертикальні часто застосовують для потреб невеликих приватних господарств.

Класифікація за кількістю лопатей:

Дволопатеві.
Трилопатеві.
Багатолопатеві (50 і більше лопатей).

За кількістю лопатей всі установки діляться на дво- і три-і багатолопатеві (50 і більше лопатей). Для вироблення необхідної кількості електроенергії потрібен факт обертання, а вихід необхідну кількість оборотів.

Кожна лопата (додаткова) збільшує загальний опір вітрового колеса, що робить вихід робочі обороти генератора складнішим. Таким чином, багатолопатеві установки дійсно починають обертатися при менших швидкостях вітру, проте вони застосовуються в тому випадку, коли має значення сам факт обертання, як, наприклад, при перекачуванні води. Для вироблення електроенергії вітрогенератори з великою кількістю лопатей практично не використовуються. До того ж, на них не рекомендується встановлення редуктора, тому що це ускладнює конструкцію, а також робить її менш надійною.

Класифікація за матеріалами лопат:

Вітрогенератори з твердими лопатями.
Вітрильні вітрогенератори.

Слід зазначити, що вітрильні лопаті значно простіші у виготовленні, а тому менш затратні, ніж жорсткі металеві або склопластикові. Проте подібна економія може обернутися непередбаченими видатками. Якщо діаметр вітроколеса становить 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/хв кінчик лопаті досягає швидкості 500 км/год. З урахуванням тієї обставини, що у повітрі міститься пісок та пил, цей факт є серйозним випробуванням навіть для жорстких лопатей, які в умовах стабільної експлуатації потребують щорічної заміни антикорозійної плівки, нанесеної на кінці лопатей. Якщо не оновлювати антикорозійну плівку, то жорстка лопать поступово втрачатиме свої робочі характеристики.

Лопаті вітрильного типу вимагають заміни не раз на рік, а безпосередньо після першого серйозного вітру. Тому автономне електропостачання, що вимагає значної надійності компонентів системи, не розглядає застосування лопатей парусного типу.

Класифікація по кроку гвинта:

Фіксований крок гвинта.
Змінюваний крок гвинта.

Безумовно, крок гвинта, що змінюється, збільшує діапазон ефективних робочих швидкостей вітрогенератора. Однак впровадження даного механізму веде до ускладнення лопатевої конструкції, збільшення ваги вітрового колеса, а також знижує загальну надійність ВЕУ. Наслідком є необхідність посилення конструкції, що призводить до значного подорожчання системи не тільки при придбанні, але і при експлуатації.

Сучасні вітрогенератори є високотехнологічними виробами, потужність яких становить від 100 до 6 МВт. ВЕУ інноваційних конструкцій дозволяють економічно ефективно використовувати енергію найслабшого вітру – від 2 м/с. За допомогою вітрогенераторів сьогодні можна з успіхом вирішувати завдання електропостачання острівних або локальних об'єктів будь-якої потужності.

Неухильне виснаження природних ресурсів призводить до того, що останнім часом людство шукає альтернативні джерела енергії. На сьогоднішній день відомо досить багато видів альтернативної енергетики, одним з яких є використання сили вітру.

Принцип дії вітрогенератора:

Вітер обертає колесо з лопатями, яке передає момент, що крутить, на вал генератора через редуктор.
Інвертор виконує завдання перетворення отриманого постійного електричного струму змінний.
Акумулятор призначений для подачі до мережі напруги за відсутності вітру.

Усі вітряні генератори можуть бути класифіковані за кількома принципами:

Осі обертання.
Кількості лопатей.
Матеріалу, з якого виконані лопаті.
Крок гвинта.

Класифікація по осі обертання:

Горизонтальні.
Вертикальні.

Класифікація за кількістю лопатей:

Дволопатеві.
Трилопатеві.
Багатолопатеві (50 і більше лопатей).

Класифікація за матеріалами лопат:

Вітрогенератори з твердими лопатями.
Вітрильні вітрогенератори.

Класифікація по кроку гвинта:

Фіксований крок гвинта.
Змінюваний крок гвинта.

Вітрові турбіни

Типи вітродвигунів. Нові конструкції та технічні рішення

Вітроенергетика вражає різноманітністю та незвичайним дизайном конструкцій вітрогенераторів. Існуючі конструкції вітрогенераторів, а також пропоновані проекти ставлять вітроенергетику поза конкуренцією щодо оригінальності технічних рішень порівняно з рештою міні-енергокомплексів, що працюють з використанням ВДЕ.

В даний час існує безліч різних концептуальних конструкцій вітрогенераторів, які на кшталт вітроколес (роторів, турбін, гвинтів) можна розділити на два основні види. Це вітродвигуни з горизонтальною віссю обертання (крильчасті) та з вертикальною (карусельні, так звані Н-подібні турбіни).

Вітряні двигуни з горизонтальною віссю обертання

Вітряні двигуни з горизонтальною віссю обертання. У вітряках з горизонтальною віссю обертання роторний вал і генератор розташовуються нагорі, система повинна бути спрямована на вітер. Малі вітряки прямують за допомогою флюгерних систем, тоді як на великих (промислових) установках є датчики вітру та сервоприводи, які повертають вісь обертання на вітер. Більшість промислових вітрогенераторів оснащені коробками передач, які дозволяють системі підлаштовуватись під поточну швидкість вітру. Через те, що щогла створює турбулентні потоки після себе, ветроколесо зазвичай орієнтується у напрямку проти повітряного потоку. Лопаті вітроколеса роблять досить міцними, щоб запобігти їхньому дотику з щоглою від сильних поривів вітру. Для вітряків такого типу не потрібні установки додаткових механізмів орієнтації за вітром.

Вітроколесо з горизонтальною віссю

Вітроколесо може бути виконане з різною кількістю лопатей: від однолопатевих вітрогенераторів з контрвантажами до багатолопатевих (з числом лопатей до 50 і більше). Вітроколесу з горизонтальною віссюобертання виконують іноді фіксованими за напрямом, тобто. вони можуть обертатися щодо вертикальної осі, перпендикулярної напряму вітру. Такий тип вітрогенераторів використовується лише за наявності одного панівного напряму вітру. У більшості випадків система, на якій закріплено вітроколесо (так звана головка), виконується поворотною, що орієнтується у напрямку вітру. У малих вітрогенераторів цієї мети застосовуються хвостові оперення, а й у великих орієнтацією управляє електроніка.

Для обмеження частоти обертання вітроколеса при великій швидкості вітру застосовується ряд методів, у тому числі встановлення лопатей у флюгерне положення, використання клапанів, які стоять на лопатях або обертаються разом з ними, та ін. може передаватися від його обода через вторинний вал до генератора або іншої робочої машини.

В даний час висота щогли промислового вітрогенератора варіюється в діапазоні від 60 до 90 м. Вітроколесо здійснює 10-20 поворотів за хвилину. У деяких системах є коробка передач, що підключається, що дозволяє вітроколесу обертатися швидше або повільніше, в залежності від швидкості вітру, при збереженні режиму вироблення електроенергії. Всі сучасні вітрогенератори оснащені системою можливої автоматичної зупинки на випадок сильних вітрів.

Основні переваги горизонтальної осі такі: крок лопаток турбіни, що змінюється, що дозволяє по максимуму використовувати енергію вітру в залежності від атмосферних умов; висока щогла дозволяє «добиратися» до сильніших вітрів; висока ефективність завдяки напрямку вітроколеса перпендикулярно вітру.

У той же час горизонтальна вісь має низку недоліків. Серед них – високі щогли заввишки до 90 м та довгі лопаті, які важко транспортувати, масивність щогли, необхідність спрямування осі на вітер тощо.

Вітрові двигуни з вертикальною віссю обертання. Основною перевагою такої системи є відсутність необхідності спрямування осі на вітер, оскільки ВЕУ використовує вітер, що надходить з будь-якого напряму. Крім того, спрощується конструкція та зменшуються гіроскопічні навантаження, що викликають додаткову напругу в лопатях, системі передач та інших елементах установок з горизонтальною віссю обертання. Особливо ефективними є такі установки в областях зі змінним вітром. Вертикально-осьові турбіни працюють при низьких швидкостях вітру та будь-яких його напрямках без орієнтації на вітер, але мають малий ККД.

Автором ідеї створення турбіни з вертикальною віссю обертання (Н-подібної турбіни) є французький інженер Джордж Джин Марі Даріус (Жан Марі Дар'є). Цей тип вітрогенератора був запатентований в 1931 р. На відміну від турбін з горизонтальною віссю обертання Н-подібні турбіни захоплюють вітер при зміні його напрямку без зміни положення самого ротора. Тому вітрогенератори такого типу не мають «хвоста» та зовні нагадують бочку. Ротор має вертикальну вісь обертання і складається з двох - чотирьох вигнутих лопат.

Лопаті утворюють просторову конструкцію, що обертається під дією підйомних сил, що виникають на лопатях від вітрового потоку. У роторі Дар'ї коефіцієнт використання енергії вітру сягає значень 0,300,35. Останнім часом проводяться розробки роторного двигуна Дар'ї із прямими лопатями. Зараз вітрогенератор Дар'є може розглядатися як основний конкурент вітрогенераторів крильчастого типу.

Установка має досить високу ефективність, але при цьому утворюються серйозні навантаження на щоглу. Система також має великий стартовий момент, який важко може бути створений вітром. Найчастіше це виробляється зовнішнім впливом.

Іншим різновидом вітроколеса є ротор Савоніуса, створений фінським інженером Сігуртом Савоніусом в 1922 р. Обертовий момент виникає при обтіканні ротора потоком повітря за рахунок різного опору опуклої та увігнутої частин ротора. Колесо відрізняється простотою, але має дуже низький коефіцієнт використання енергії вітру - 0,1-0,15.

Головна перевага вертикальних вітрогенераторів у тому, що вони не потребують механізму орієнтації на вітер. У них генератор та інші механізми розміщуються на незначній висоті біля основи. Все це значно спрощує конструкцію. Робочі елементи розташовані близько до землі, що полегшує їхнє обслуговування. Невисока мінімальна робоча швидкість вітру (2-2,5 м/с) робить менше шуму.

Однак серйозним недоліком цих вітродвигунів є значна зміна умов обтікання крила потоком за один оборот ротора, що циклічно повторюється під час роботи. Через втрати на обертання проти потоку повітря більшість вітрогенераторів із вертикальною віссю обертання майже вдвічі менш ефективні, ніж із горизонтальною віссю.

Пошук нових рішень у вітроенергетиці продовжується, і вже є оригінальні винаходи, наприклад турбопарус. Вітрогенератор монтується у вигляді довгої вертикальної труби 100 м заввишки, в якій через температурний градієнт між кінцями труби виникає потужний повітряний потік. Сам електрогенератор разом із турбіною пропонується встановити у трубі, у результаті потік повітря забезпечить обертання турбіни. Як показує практика експлуатації таких вітрогенераторів, після розкручування турбіни та спеціального підігріву повітря біля нижнього краю труби навіть при тихому вітрі (і штилі) у трубі встановлюється сильний та стабільний потік повітря. Це робить такі вітроустановки перспективними, але тільки у безлюдних місцевостях (при роботі така установка засмоктує у трубу не лише дрібні предмети, а й великих тварин). Дані установки оточують спеціальною захисною сіткою, а систему управління мають у своєму розпорядженні на достатній відстані.

Турбопарус

Фахівці працюють над створенням спеціального устрою для ущільнення вітру – дифузора (ущільнювача енергії вітру). За рік вітродвигун цього типу встигає "зловити" у 4-5 разів більше енергії, ніж звичайний. Висока швидкість обертання вітроколеса досягається дифузором. У вузькій його частині повітряний потік особливо стрімкий, навіть за порівняно слабкого вітру.

Вітрогенератор з дифузором

Як відомо, швидкість вітру з висотою збільшується, що створює сприятливіші умови для використання вітрогенераторів. Повітряні змії були винайдені в Китаї приблизно 2300 років тому. Ідея використання змія для підйому вітрогенератора на висоту поступово знаходить реалізацію.

Швейцарські конструктори компанії Етра представили нову конструкцію надувних повітряних зміїв, які зможуть піднімати до 100 кг при масі самого крила 2,5 кг. Їх можна використовувати для встановлення на морських суднах та підйому на велику висоту (до 4 км) вітряних турбін. У 2008 р. подібна система пройшла випробування під час плавання контейнеровозу Beluga SkySails з Німеччини до Венесуели (економія палива склала понад 1 000 дол./добу).

Наприклад, у Гамбурзі компанією Beluga Shipping така система встановлена на дизельному суховантажі Beluga SkySails. Повітряний змій у вигляді параплана розміром 160 м2 піднімається у повітря на висоту до 300 м за рахунок підйомної сили вітру. Параплан поділено на відсіки, в які по команді комп'ютера по еластичних трубках подається стиснене повітря. Компанія Beluga SkySails до 2013 року збирається оснастити такою системою близько 400 вантажних суден.

Вітроголовки «Ветролів»

Цікаве рішення має конструкція вітроголовки «Ветролів». Корпус генератора, що обертається, виконаний досить довгим (близько 0,5 м), в середній частині (на проміжку від фланця генератора до лопатей) – механізм складання лопатей. За принципом дії він схожий на механізм розкриття автоматичної парасольки, а лопаті нагадують крило дельтаплана. Для того, щоб лопаті не упиралися один в одного під час складання, осі їх закріплення дещо зміщені. Чотири лопаті (через одну) йдуть усередину, а чотири – зовні. Після складання площа лобового опору вітряка зменшується майже вчетверо, а коефіцієнт аеродинамічного опору – майже вдвічі.

У верхній частині опори вітряка встановлюється коромисло з вертикальною віссю обертання. На одному його кінці розташований вітрогенератор, на іншому – противага. При слабкому вітрі вітрогенератор за допомогою противаги піднятий вище від верхньої позначки опори і вісь вітряка при цьому горизонтальна. При посиленні вітру тиск на ветроколесо зростає і починає опускатися, повертаючись навколо горизонтальної осі. Таким чином працює ще одна система «відходу» від сильного вітру. Конструкція дозволяє нарощувати коромисла так, що вітрогенератори встановлюються один за одним. Виходить своєрідна гірлянда з однакових модулів, які при слабкому вітрі стоять один вище за інший, а при сильному йдуть вниз, «ховаючись» у «вітрову тінь» вітроколеса. Тут також закладено здатність системи адаптуватися до зовнішнього навантаження.

Вітрогенератор Eolic

Конструктори Маркос Мадіа, Серджіо Оаші та Хуан Мануель Пантано розробили портативний вітрогенератор Eolic. Для виготовлення пристрою використовувалися лише алюміній та волокно з вуглецевих матеріалів. У зібраному вигляді турбіна Eolic має довжину близько 170 см. Для приведення Eolic зі складеного в робочий стан потрібно 2-3 особи і займе цей процес 15-20 хв. Цей вітрогенератор може складатися для перенесення.

Дизайнерський вітрогенератор Revolution Air

Сьогодні є багато дизайнерських проектів та розробок. Так, французький дизайнер Філіп Старк створив вітрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерського вітряка називається «Демократична екологія».

Вітрогенератор Energy Ball

Міжнародна група дизайнерів та інженерів Home-energy представила свій продукт – вітрогенератор Energy Ball. Головною особливістю новинки є компонування на ньому лопатей на кшталт сфери. Усі вони з'єднані з ротором обома кінцями. Коли вітер проходить крізь них, він дме паралельно ротору, що збільшує ККД генератора. Energy Ball може працювати навіть при дуже низькій швидкості вітру і робить набагато менше шуму, ніж звичайні вітряки.

Вітрогенератор Третьякова

Унікальну вітроустановку створили конструктори із Самари. При використанні в міському середовищі вона дешевша, економічніша і потужніша за європейські аналоги. Вітрогенератор Третьякова є повітрозабірником, який уловлює навіть відносно слабкі повітряні потоки. Новинка починає виробляти корисну енергію вже за швидкості 1,4 м/с. Крім того, не потрібен дорогий монтаж: установку можна ставити на будівлю, щоглу, міст тощо. Вона має висоту 1 м і довжину 1,4 м. ККД постійний – близько 52 %. Потужність промислового апарату – 5 квт. На відстані 2 м шум від вітростанції не перевищує 20 Дб (для порівняння: шум вентилятора – від 30 до 50 Дб).

Американська компанія Wind Tronics із Мічигану розробила компактну вітрову установку для застосування у приватних домогосподарствах. Розробником технології є Wind Tronics, а виробничий гігант Honeywell налагодив виготовлення вітрових установок. Дизайн передбачає нульові збитки навколишньому середовищу.

У цій установці використовується турбінна безредукторна крильчатка Blade Tip Power System (BTPS), що дозволяє вітрогенератору працювати у значно ширшому діапазоні швидкостей вітру, а також знизити механічний опір та вагу турбіни. Wind Tronics починає обертатися за швидкості вітру всього 0,45 м/с і працездатна до швидкості 20,1 м/с! Розрахунки показують, що така турбіна генерує електроенергію в середньому на 50% частіше та довше, ніж традиційні вітрогенератори. До речі, автоматика з постійно підключеним до неї анемометром стежить за швидкістю та напрямом вітру. При досягненні максимальної робочої швидкості турбіна просто повертається до вітру обтічним боком. Автоматика системи негайно реагує на переохолоджений дощ, здатний викликати зледеніння. Технологія вже запатентована у понад 120 країнах.

Інтерес до малих вітрових турбін зростає у всьому світі. Багато компаній, які працюють над вирішенням цієї проблеми, цілком досягли успіху у створенні власних оригінальних рішень.

Компанія Optiwind випускає оригінальні вітрові установки Optiwind 300 (300 кВт, вартість – 75 тис. євро) та Optiwind 150 (150 кВт, вартість – 35 тис. євро). Вони призначені для колективної економії енергії у селищах та фермерських господарствах (рис. 12). Основна ідея – збирання енергії вітру набірними конструкціями з кількох турбін на пристойній висоті. Optiwind 300 комплектується 61-метровою вежею, платформа акселератора має 13 м у діаметрі, а діаметр кожної турбіни становить 6,5 м.

Незвичайний вигляд має конструкція турбіни GEDAYC (рис. 13). Мала вага дозволяє турбіні ефективно обертати електрогенератор при швидкості вітру 6 м/с. Нова конструкція лопатей використовує принцип, подібний до «системи» повітряного змія. Турбіни GEDAYC вже встановлені на трьох вітрогенераторах потужністю 500 кВт, що забезпечують енергією гірничі виробки. Установка турбін GEDAYC та їх дослідна експлуатація показали, що завдяки новій конструкції турбіни легше, зручніше у транспортуванні та простіше в обслуговуванні.

Компанія Earth Tronics розроблена новий тип «домашніх» вітряних турбін Honeywell. Система дозволяє виробляти електроенергію на кінчиках лопатей, а не на осі (як відомо, швидкість обертання кінців лопатей набагато вища за швидкість обертання осі). Таким чином, турбіна Honeywell не використовує редуктор і генератор, як у звичайних вітрогенераторах, що спрощує конструкцію, зменшує її вагу і поріг швидкості вітру, при якому вітрогенератор починає виробляти електроенергію.

У Китаї створено досвідчений проект вітрогенератора з магнітною левітацією. Магнітна підвіска дозволила знизити стартову швидкість вітру до 1,5 м/с і відповідно на 20 % підвищити сумарну віддачу генератора протягом року, що повинно знизити вартість електроенергії, що виробляється.

Компанія Maglev Wind Turbine Technologies з Арізони має намір виробляти вітрові турбіни з вертикальною віссю Maglev Turbine максимальною потужністю 1 ГВт. Екзотична модель вітрової турбіни виглядає як висотна будівля, але по відношенню до своєї потужності вона невелика. Одна турбіна Maglev може забезпечити енергією 750 тис. будинків та займає площу (разом із зоною відчуження) близько 40 га. Вигадав цю турбіну винахідник Ед Мазур, засновник компанії MWTT. Maglev Turbine плаває на магнітній подушці. Основні компоненти нової установки знаходяться на рівні землі, їх простіше обслуговувати. Теоретично нова турбіна нормально працює як із вкрай слабкому вітрі, і при дуже сильному (понад 40 м/с). Компанія має намір відкрити наукові та освітні центри поблизу своїх турбін.

При вивченні творчої спадщини геніального російського інженера Володимира Шухова (1853-1939 рр..) Фахівці ТОВ «Інбітек-ТІ» звернули увагу на його ідеї використання сталевих стрижневих гіперболоїдів в архітектурі та будівництві.

Вітрова турбіна гіперболоїдного типу

Потенціал подібних конструкцій сьогодні до кінця не вивчений та не досліджений. Відомо також, що Шухов називав свої роботи з гіперболоїдами «дослідженнями». На основі його ідей виникла розробка вітрогенераторів роторного типу абсолютно нової конструкції. Подібна конструкція дозволить отримувати електроенергію навіть за дуже малих швидкостей вітрового потоку. Для запуску стану спокою необхідна швидкість вітру 1,4 м/с. Це досягнуто за рахунок використання ефекту левітації ротора вітрогенератора. Вітрогенератор подібного типу здатний розпочати роботу навіть у висхідних потоках повітря, що має місце, як правило, поряд з річкою, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Ще один цікавий проект – вітрогенератор Mobile Wind Turbine – розробили дизайнери студії Pope Design (рис. 17). Це мобільний вітрогенератор, що розташований на базі вантажної машини. Для керування Mobile Wind Turbine потрібен лише оператор-водій. Цей вітрогенератор можна буде використовувати у зонах стихійних лих, під час ліквідації наслідків НП та при відновленні інфраструктури.

Сучасний стан вітроенергетики, пропоновані конструкції та технічні рішення вітрогенераторів та «ущільнювачів вітру» дозволяють створювати міні-вітроелектростанції для приватного використання практично повсюдно. Поріг швидкості «торкання» вітрогенератора значно знижений завдяки технічним розробкам, масогабаритні показники ВЕУ також зменшуються. Це дозволяє експлуатувати вітроенергетичні установки у «домашніх» умовах.

Типи вітродвигунів

Регіональний центр енергоефективності Кримського федерального університету імені В. І. Вернадського. Центр компетенцій у галузі енергозбереження Подробиці Написано 24.09.2014 01:28

Вітрові турбіни плавають у повітрі, деякі обертаються горизонтально, інші вертикально. Деякі з них легші за повітря, а інші велично інтегровані в хмарочос будівель. Різноманітність конструкцій вітрових турбін довкола нас просто захоплює дух. Скрізь, де дме вітер, може бути встановлений вітрогенератор з унікальною конструкцією, що генеруватиме електроенергію.

З конструкцією традиційної вітряної турбіни можна ознайомитись.

Нижче представлена добірка фотографій найвидовищніших і справді амбітних проектів вітрових турбін третього тисячоліття.

MagLev – вітротурбіна на магнітній підвісці

MadLev є вітрогенератором на магнітній підвісці, який може генерувати один гігават потужності (достатньо для живлення 750000 будинків) та забезпечувати чисту енергію за ціною одного центу за кіловат-годину.

Магнітна левітація є дуже ефективним способом захоплення енергії вітру. Лопаті турбіни підвішені на повітряній подушці, а енергія спрямована до лінійних генераторів із мінімальними втратами. Велика перевага магнітної підвіски в тому, що це знижує витрати на обслуговування і підвищує термін служби генератора. Виробник стверджує, що вимагає менше земельного простору, ніж сотні звичайних турбін. Вітрогенератор MagLev був винайдений Едом Мазуром у 1981 році. Є вже кілька MagLev вітряних турбін у Китаї.

M.A.R.S

M.A.R.S є цікавим пристроєм, який здатний використовувати енергію вітру (значною мірою як вітряк) для вироблення електроенергії. Електроенергія передається на землю по дроту на сталевому тросі.

Оскільки М.A.R.S наповнюється гелієм, він здатний літати набагато вище, ніж розташовані інші вітрові турбіни, щоб отримати доступ до вищих швидкостей вітру. Виробництво апарату потужністю 4,0 кВт вже розпочалося.

Гвинтова вітротурбіна

Спіральні структуровані вітряні турбіни - сучасна технологія вітряків. Ці дивовижні пристрої замінять звичні довгі лопаті. Нові вітряки працюють так само, як і старі, але мають унікальну конструкцію, яка допоможе ефективніше перетворювати енергію вітру.

LoopWing

LoopWing – експериментальний вітрогенератор, розроблений у Японії. Вперше представлено на виставці у 2006 році. Модель Е1500 працює з низьким рівнем вібрації при швидкості вітру 16 м/c.

Міські турбіни "Тиха революція"

Багато людей думають, вітряні турбіни псують ландшафт. Звичайні турбіни найкраще підходять для широких відкритих просторів, де є багато вітру. Турбіни на вертикальній осі, гвинтовій конструкції, краще підходять для міських умов.

Британська компанія подала заявку на дозвіл планувальних робіт, щоб збудувати одну з вітротурбін біля Букінгемського палацу.

Турбіна "Тиха революція" має 5-метрові лопаті, які можуть генерувати 10 кВт-год енергії, при швидкості вітру всього 5,8 метра в секунду. Вбудовані світлодіоди в кожному S-подібному лезі використовуються для створення зображень, коли турбіна обертається.

Медуза

При висоті всього 36 см, медузи можуть генерувати близько 40 кіловат-годин на місяць.

Медуза складається з наступних частин:

Вертикальна вісь вітрової турбіни

Контролер

Асинхронний генератор із регульованою швидкістю

Медузи можуть працювати у найвіддаленіших районах, скоротивши витрати на будівництво дорогих ліній електропередач. Хоча у використанні мікро вітряків немає нічого нового, ціна в 400 доларів та простота дизайну роблять медузи перспективними.

Шосейні турбіни

Це новий спосіб захоплення частини енергії, що витрачається транспортними засобами, що рухаються на високих швидкостях магістралями. Проект розроблено в університеті штату Арізона. Рух транспортних засобів, особливо вантажівок, викликатимуть турбулентність повітря, потік якого призводитиме до руху турбіни.

Аналіз показує, що з швидкості руху транспортного засобу 110 км на годину кожна турбіна може виробляти 9600 кВт-год на рік.

Вітроенергетика активно розвивається по всьому світу, і ні для кого давно не секрет, що це один із найперспективніших напрямків альтернативної енергетики на даний момент. До середини 2014 року загальна потужність всіх встановлених у світі вітрогенераторів становила 336 гігават, а найбільший і потужний вертикальний трилопатевий вітрогенератор Vestas-164 був встановлений і запущений на початку 2014 року в Данії. Його потужність досягає 8 мегават, а розмах лопатей становить 164 метри.

Незважаючи на давно обкатану технологію виготовлення лопатевих турбін та вітряків загалом, багато ентузіастів прагнуть покращити технологію, підвищити її ефективність та зменшити негативні фактори.

Як відомо, коефіцієнт використання енергії вітрового потоку в кращому випадку досягає 30%, вони досить галасливі і порушують природний тепловий баланс прилеглих територій, підвищуючи температуру приземного шару повітря ночами. Також вони дуже небезпечні для птахів та займають значні площі.

Які ж альтернативи існують? Насправді, творчість сучасних винахідників не знає кордонів, і різноманітних альтернативних варіантів вигадано безліч.

Давайте розглянемо 5 найбільш незвичайних із примітних для галузі альтернативних конструкцій вітрогенераторів.

Починаючи з 2010 року, американська компанія Altaeros Energies, заснована в Массачусетському дослідницькому інституті, розробляє вітрогенератори нового покоління. Новий тип вітрогенераторів призначений для роботи на висотах до 600 метрів, доки звичайні вітрогенератори просто не можуть дістати. Саме на таких великих висотах постійно дмуть найсильніші вітри, які в 5-8 разів сильніші за вітри поблизу поверхні землі.

Генератор є надувною конструкцією, схожою на накачений гелієм дирижабль, в який встановлена трилопатева турбіна на горизонтальній осі. Такий вітряний генератор було запущено у 2014 році на Алясці на висоту близько 300 метрів для випробувань протягом 18 місяців.

Розробники запевняють, що дана технологія дозволить отримувати електроенергію вартістю 18 центів за кіловат-годину, що вдвічі дешевше за звичайну вартість вітряної електроенергії на Алясці. У майбутньому такі генератори цілком можуть замінити дизельні електростанції, а також знайти застосування на проблемних територіях.

У перспективі цей пристрій буде не просто генератором електроенергії, а й частиною погодної станції та зручним засобом забезпечення Інтернету на далеких від відповідної інфраструктури територіях.

Після встановлення така система не вимагає присутності персоналу, не займає великої площі, та майже безшумна. Вона може контролюватись дистанційно, і потребує технічного обслуговування лише один раз на 1-1,5 роки.

Ще одне цікаве рішення щодо створення незвичайної конструкції вітряної електростанції реалізується в Об'єднаних Арабських Еміратах. Неподалік Абу-Дабі будується місто Мадсар, в якому планують звести досить незвичайну вітряну електростанцію, названу розробниками «Windstalk».

Засновник нью-йоркської дизайнерської компанії Atelier DNA, яка розробляє дизайн цього проекту, сказав, що головною ідеєю було знайти в природі кінетичну модель, яка могла б служити для генерації електроенергії, і таку модель знайшли. 1203 стебла з вуглецевого волокна, кожен близько 55 метрів заввишки, з бетонними основами шириною по 20 метрів, будуть встановлені на відстані 10 метрів між собою.

Стебла будуть армовані гумою, і мають ширину близько 30 см біля основи, а вгору звужуються до 5 сантиметрів. Кожен такий стебло буде містити шари електродів, що чергуються, і керамічних дисків, виготовлених з п'єзоелектричного матеріалу, який генерує електричний струм, коли піддається тиску.

Коли стебла гойдатимуться на вітрі, диски стискатимуться, генеруючи електричний струм. Жодного шуму лопатей вітряних турбін, жодних жертв серед птахів, нічого крім вітру.

Ідея виникла завдяки спостереженню за очеретами, що гойдаються на болоті.

Проект Windstalk компанії Atelier DNA посів друге місце в конкурсі Land Art Generator, який спонсорує Мадсар для вибору кращого, з-поміж міжнародних заявок, твору мистецтва, який зможе генерувати енергію завдяки відновлюваним джерелам.

Площа, що займає ця незвичайна вітряна станція, охопить 2,6 гектара, а за потужністю відповідатиме звичайному вітрогенератору, що займає аналогічну площу. Система ефективна через відсутність втрат тертя, властивих традиційним механічним системам.

В основі кожного стебла буде встановлений генератор, що перетворює крутний момент від стебла за допомогою системи амортизаторів і циліндрів, аналогічно системі Levant Power, розробленої в Кембриджі, штат Массачусетс.

Оскільки вітер не постійний, буде застосовано систему акумулювання енергії, щоб накопичена енергія могла витрачатися і тоді, коли немає вітру, пояснюють співробітники, які працюють над проектом.

На вершині кожного стебла буде встановлено світлодіодний ліхтар, яскравість свічення якого безпосередньо залежатиме від сили вітру і кількості електроенергії, що генерується в даний момент.

Windstalk буде працювати на хаотичному похитуванні, що дозволяє розташувати елементи набагато ближче один до одного, ніж це можливо зі звичайними лопатевими вітрогенераторами.

Аналогічний проект Wavestalk опрацьовується для перетворення енергії океанських течій та хвиль, де схожа система перебуватиме у перевернутому вигляді під водою.

Проект, розроблений фірмою Saphon Energy з Тунісу, також як і Windstalk, є безлопатевим вітряним генератором, але цього разу пристрій має конструкцію вітрильного типу.

Цей безшумний генератор, що формою нагадує супутникову тарілку, отримав назву Saphonian. Він не має частин, що обертаються, і абсолютно безпечний для птахів. Екран генератора здійснює під дією вітру руху вперед-назад, створюючи коливання в гідравлічній системі.

Мета проекту – покращити характеристики вітряних генераторів щодо використання вітрового потоку. Вітер буквально запрягається в вітрило, яке здійснює під його дією руху вперед-назад, при цьому немає ні лопатей, ні ротора, ні передач. Така взаємодія дозволяє перетворити більше кінетичної енергії на механічну за допомогою поршнів.

Енергію можна накопичувати в гідравлічних акумуляторах, або перетворювати на електричну допомогою генератора, або ж приводити з її допомогою в обертання який-небудь механізм. Якщо звичайні вітрогенератори мають ККД 30%, цей генератор парусного типу дає все 80%. Його ефективність перевершує вітряки лопатевого типу у 2,3 рази.

Внаслідок відсутності дорогих компонентів, як це має місце у вітряній турбіні (лопаті, маточини, коробки передач), у випадку з Saphonian, витрати на обладнання знижуються до 45%.

Аеродинамічна форма Saphonian має ту перевагу, що турбулентні вітряні потоки незначно впливають на тіло вітрила, аеродинамічна сила лише збільшується. Саме через турбулентність вітряні турбіни і не використовуються в міських районах, а Saphonian можна і там використовувати. Крім того, шкідливі акустичні та вібраційні фактори зведені до мінімуму. Компанія Saphon Energy отримала премію від KPMG за зусилля у розвитку інновацій.

Ще один революційний підхід до використання вітряної енергії був реалізований ще в 2008 році винахідником - ентузіастом з Каліфорнії. Великі вітряні генератори для малих міст мають розміри з 30 поверховий будинок, які лопаті досягають розмірів крил Боїнга 747.

Ці гігантські генератори, безумовно, виробляють багато енергії, проте виробництво, транспортування та встановлення таких систем складні та дорогі. Незважаючи на це, промисловість зростає більш ніж на 40 відсотків щороку. Саме так міркував Даг Селсам з Каліфорнії, перш ніж поставити свою амбітну мету. Він вирішив, що цілком реально отримати більше енергії, використовуючи для цього менше матеріалів.

Встановивши десяток або кілька десятків маленьких роторів на одному валу, пов'язаному з одним генератором, Даг зрештою досяг поставленої мети. Один кінець довгого валу він з'єднав з генератором, а другий кінець запустив у височінь на повітряних кулях з гелієм. Система запрацювала, як і передбачалося.

У підручниках Даг читав, що одногвинтової турбіни цілком достатньо для отримання максимуму, однак у Дага виникли сумніви. Він вважав інакше: що більше роторів, то більше енергії вітру доступне використання.

Якщо кожен ротор буде розташований під потрібним кутом, то кожен ротор отримає власний вітер, і це підвищить ефективність генерації.

Звичайно, це ускладнює фізику, адже тепер потрібно було переконатися, що кожен ротор ловить свій власний потік, а не лише потік від ротора, що розташований поруч. Потрібно з'ясувати оптимальний кут для валу по відношенню до вітру та ідеальну відстань між роторами. І, зрештою, виграш було отримано із застосуванням меншої кількості матеріалу.

У 2003 році винахідник отримав грант у розмірі 75 000 доларів від Каліфорнійської енергетичної комісії на розробку 3000-ватної турбіни на сім роторів. Завдання було успішно вирішене, і Даг Селсам вже продав понад 20 своїх 2000-ватних турбін з подвійним ротором кільком домовласникам. Він збудував ці пристрої у своєму заміському гаражі.

Ідея Дага стала однією з небагатьох ідей, які насправді мають всі шанси на те, щоб досягти великих успіхів у комерційному світі. Селсам каже, що два ротори - це лише початок. Ймовірно, колись він побачить свої мультироторні турбіни довжиною милю по небу.

Компанія Archimedes, офіс якої розташований у Роттердамі, Нідерланди, вигадала свою концепцію незвичайних вітряних турбін, які можна встановлювати прямо на дахах житлових будинків.

За задумом авторів проекту, ефективна малошумна конструкція може цілком забезпечити невеликий будинок електроенергією, а комплекс таких генераторів, що працює разом з , здатний взагалі звести до нуля залежність великої будівлі від зовнішніх джерел електроенергії. Нові вітрові турбіни одержали назву Liam F1.

Невелика турбіна діаметром 1,5 метра і вагою близько 100 кілограм може бути встановлена на будь-якій стіні або даху житлового будинку. Зазвичай, висота терасних дахів – 10 метрів, а вітер у країні майже завжди Південно-Західний. Цих умов достатньо, щоб правильно розмістити турбіну на даху, та ефективно використати енергію вітру.

Дві проблеми звичайних вітрогенераторів вирішені тут: шум звичайних лопатевих турбін та дорожнеча установки громіздкого обладнання. У звичайних генераторах вітряні витрати на установку часто не окупаються. Рівень шуму турбіни Liam близько 45дБ, а це навіть тихіше за шум дощу (шум дощу в лісі - 50дБ).

За формою нагадує панцир равлики, турбіна подібно до флюгера розгортається за вітром, захоплюючи повітряний потік, знижуючи його швидкість, і змінюючи напрямок. Директор компанії Марінус Міремета стверджує, що ефективність новаторської турбіни досягає 80% від максимально доступної теоретично у вітровій енергетиці ефективності. І цього вже цілком достатньо.

У Нідерландах середня сім'я споживає 3300 кВт-год електричної енергії за рік. За даними розробників, половину цієї енергії може забезпечити одна турбіна Liam F1 за швидкості вітру не менше 4,5 м/с.

Можна розмістити три такі турбіни у вершинах трикутника на даху будинку, тоді кожна з турбін буде забезпечена вітром і вони не заважатимуть один одному, а навпаки стануть допомагати один одному.

Якщо йдеться про встановлення в місті, де мають місце турбулентні потоки, то виробник пропонує трохи піднімати вітрогенератори, що встановлюються на міських дахах, кріплячи їх на жердині, щоб стіни сусідніх будинків не заважали вітряним потокам.

Передбачувана вартість нової турбіни разом із установкою складає 3999 євро. Оскільки пристрій має розмір більше одного метра, може знадобитися особлива ліцензія на його використання, тому, на крайній випадок, фірмою виробляються і турбіни mini-Liam, діаметр яких 0,75 метра.

Виробники планують застосовувати свої турбіни не лише для електропостачання житлових та промислових будівель, а й для електропостачання морських суден.

Як бачимо, цікавих альтернатив у виробників вітрогенераторів достатньо.

Нескінченна «еврика»

Пам'ятайте грецького винахідника та математика Архімеда, який вигукнув «еврика! (я знайшов!)» при відкритті ним основного закону гідростатики? З найдавніших часів по сьогодні людство перебуває у вічному пошуку нових відкриттів. Не залишилася осторонь і сфера підкорення вітрової енергії. Вітрогенератор нового покоління не дає спокою ні вченим, ні інженерам-практикам. Вічний пошук дає свої благодатні результати і час від часу в якійсь точці земної кулі тишу винаходу порушує радісний вигук - "Еврика"!

Цього разу героєм дня виявився старий американець 89 років, ветеран другий світовий Реймонд Грін з Каліфорнії, який багато років ламав голову над проблемою вдосконалення існуючих видів вітроустановок. Нарешті, йому вдалося створити вітрогенератор, який майже безшумний і безпечний для друзів людини, що літають. Винайдене ним дітище вагою 20 кг одним махом вирішує одразу купу проблем, які стояли перед вітрогенератором старої модифікації.

У чому важливі відмінності винайденої установки? Найголовніше - вона не має лопатей, що крутяться, із зовнішнього боку. У ній все заховано в кожух, що оберігає птахів від загибелі. Другою суттєвою різницею є те, що нова конструкція дає можливість застосовувати лопаті невеликого розмаху, що сприяє зменшенню шуму.

На жаль, на цьому знайомство із новим агрегатом закінчується. Ми не можемо знати стільки, скільки знає винахідник про своє дітище, поки виріб не впровадиться в серійне виробництво. Автор проекту переконаний, що через два роки це станеться і геологи в далеких дослідницьких таборах, лікарі військових госпіталів країн третього світу, постраждалі люди із зон стихійного лиха, мешканці віддалених глухих сіл користуватимуться електроенергією його винаходу.

Можливі неможливості

Ви не замислювалися над питанням, чому вітровою енергетикою користуються лише сміливці та завзяті умільці? Тобто цим видом отримання електрики ризикують займатися далеко не всі, хто потребує. Та тому, що сама собою вітроенергетика в її колишніх модифікаціях велика за своїми розмірами, складна при монтажі, не зовсім зручна в експлуатації (спробуй забратися на висоту щогли і відремонтувати генератор). Та й багато шуму видають лопаті, що крутяться, і небезпечні для птахів. І нікуди від цього не дінешся, висока ціна.

Названі проблеми залишаються в історичному минулому із появою вітрогенератора нового покоління. Їх кілька видів та про один з них ми розповіли у першому розділі цієї статті. Другим представником із низки новинок є безредукторний вітрогенератор, у якому енергія виробляється «кінчиками» лопатей. Тут відсутня традиційний вал від пропелера до генератора, а електрика знімається з обода пропелера.

Його ротор у формі феромагнітного обода закріплений на крилах вітроколеса. За конструкцією він простий, легко виготовляється та монтується. Але розміщення постійних магнітів на кінцях крильчатки набагато ускладнює її, що знижує загальний ККД установки. Проте агрегат зручний в експлуатації, тому що проста конструкція не вимагає зайвої уваги. Такі вітрогенератори можуть працювати скрізь за будь-яких кліматичних умов.

Те, що вчора здавалося неможливим, сьогодні стає повсякденною реальністю.

Вітрогенератор підкоряється інтелектуалам

З далекої відстані він зовсім не схожий на вітрогенератор, а швидше за все, на водонапірну вежу не зовсім звичайної для такої споруди форми. Якщо під'їхати ближче, побачиш повільне обертання лопат. Вертикальний вал обертається безшумно.

Таку гігантську турбіну має намір серійно випускати одна американська компанія в Аризоні під керівництвом інженера Мазура. За його розрахунками вона повинна постачати стільки електроенергії, що її вистачить для мегаполісу в 750 тисяч будинків. У 2007 році інженер поставив собі за мету - багаторазово збільшити ККД вітрогенератора на вертикальній осі і наближався до своєї мети всі ці роки.

Винахідник працював у двох напрямках: перше – зробити якнайбільше захоплення лопатями повітряного потоку і друге – звести до нуля тертя опори вітролопастей. Величезних розмірів вертикальний ротор повинен виконати перше завдання, а турбіна, що обертається, на магнітній подушці – другу.

Про друге завдання треба сказати докладніше. Обертання без тертя досягається рахунок магнітної левітації, про що ми розповідали у статті про принципи роботи вітрогенераторів у розділі під заголовком «Творці нових можливостей». Весь вертикальний роторний блок під час обертання піднімається на своїй осі і зовсім не стосується нижнього опорного підшипника. Він встановлений лише для старту, для розгону турбіни. Як тільки вона набирає обертів, так стає невагомою і відривається від підшипника. В результаті тертя зводиться до нуля, якщо не брати до уваги тертя самої турбіни про повітря. ККД одразу підскакує вгору.

Гігантська турбіна дуже чутлива і реагує на найменший подих вітерця. Така здатність підніматися під час обертання рахунок магнітної левітації давно займала вчені і винахідницькі уми планети. Це таке явище, при якому будь-яка річ або предмет, маючи вагу, відривається від поверхні і ширяє в просторі без будь-якого застосування сили, що відштовхує. Політ птахів – не левітація.

Вертикальні вітрогенератори з левіруючою здатністю ротора оволоділи тепер думками інженерів-винахідників. І ось перші результати вже очевидні. У проекті Мазура видно «плаваючий» ротор на магнітній подушці, а замість генератора встановлено лінійний синхронний двигун. Вітрогенератор на магнітній подушці безліччю лопат максимально захоплюють повітряний потік і за припущенням вчених така турбіна вироблятиме електроенергію за казково мізерною ціною - менше цента за кіловат-годину.

Ротор Оніпка - вітрогенератор для низьких та середніх швидкостей вітру:

Схожі статті