Вертикальные ветровые турбины. Достоинства и принцип работы ветрогенератора турбинного типа Новые типы ветряных закрытых турбин

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 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.

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 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 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 , 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 . 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 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 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.

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

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

Проект турбинны ветрогенератора

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

Классификация

Ветрогенераторы подразделяются по расположению оси вращения на конструкции с:

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

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

• жестколопастные;
• парусные.

По числу лопастей подразделяется на:

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

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

По типу винтового шага различают генераторы с:

• постоянным шагом;
• переменным шагом.

По типу конструкции:

• лопастные;
• турбинные.

По назначению:

• бытовые;
• коммерческие;
• промышленные.

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

Ветровая турбина Liam F1 Urban вырабатывает КПД 80%

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

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

Принципиальное отличие

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

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

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

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

Прототип ветрогенератора турбинного типа для бизнеса

Ветротурбинные агрегаты выпускают бытового и промышленного назначения.

Принцип работы установки

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

Турбина ветрогенератора Российской разработки проходит испытания

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

Достоинства турбинной ветроустановки

Ветрогенератор турбинной конструкции имеет существенные преимущества над ветряками иных конструкций.

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

Область применения

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

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

Современный кинетический ветрогенератор позволяет воспользоваться силой воздушных потоков, преобразовав ее в электричество. Для этой цели существуют заводские и самодельные модели устройств, которые применяют как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

Мы расскажем о том, как устроены ветряки этого типа, познакомим с особенностями устройства и конструктивными вариантами. В предложенной нами статье приведены слабые и сильные стороны ветряной энергетической установки. Самостоятельные мастера у нас найдут полезные схемы и рекомендации по сборке.

В основу функционирования ветрогенератора положена трансформация кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электроэнергию.

Принцип работы достаточно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, приводит к круговым движениям роторгенератора, благодаря чему вырабатывается электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно применять силу воздушных потоков, используя ее для выработки электричества

Получаемый нестабильный переменный ток «стекает» в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, способное зарядить батареи. Оттуда питание поступает на инвертор, где оно трансформируется в переменное напряжение с показателем 220/380 В, которое и подается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), рассчитывается согласно формуле N=pSV 3 /2, где V – скорость ветра, S – рабочая площадь, p – плотность воздуха.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

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:

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.