Кинетический ветрогенератор: устройство, принцип работы, применение. Рассматриваем ветровые электростанции для дома Конструкции ветровых турбин и их характеристики

Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра.

Энергия ветра применялась людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.

Принцип действия ветрогенератора:

• Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
• Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
• Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.

Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

• Оси вращения.
• Количеству лопастей.
• Материалу, из которого выполнены лопасти.
• Шагу винта.

Классификация по оси вращения:

• Горизонтальные.
• Вертикальные.

Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.

Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.

Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.

Классификация по количеству лопастей:

• Двухлопастные.
• Трехлопастные.
• Многолопастные (50 и более лопастей).

По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Классификация по материалам лопастей:

• Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
• Парусные ветрогенераторы.

Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратны, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.

Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.

Классификация по шагу винта:

• Фиксированный шаг винта.
• Изменяемый шаг винта.

Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.

Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.

Ветровые турбины

Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения . В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них – высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух – четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра – диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) – механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре – снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления – почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом – противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт – ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный – около 52 %. Мощность промышленного аппарата – 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора – от 30 до 50 Дб).

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость – 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость – 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея – сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект – ветрогенератор Mobile Wind Turbine – разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) . Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Типы ветродвигателей

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

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

Актуальность разработки ветряной турбины

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

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

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

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

Размеры и вес агрегатов

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

Техническая эффективность

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

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

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

Преимущества вертикально-осевой ветряной турбины VAWT

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

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

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

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

Данный способ получения энергии не оказывает негативного влияния на окружающую среду, а также в процессе не можвет возникнуть техногенной аварии. Кинетические свойства ветра доступны в любом уголке земного шара, поэтому оборудование можно устанавливать повсюду. К 2005 году мощность совокупной энергией ветра составил 59 тыс. мегаватт. И за весь год вырос на 24 %. Ветрогенератор, если говорить научным путём перерабатывает кинетическую энергию в механическую.


На понятном языке, с помощью этого агрегата энергия воздушного потока перерабатывается в электричество, которое можно использовать в населенных и промышленных пунктах, отдалённых от центральной энергосети. Он имеет достаточно простой механизм работы: ветер крутит ротор, который вырабатывает ток и, в свою очередь, передаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразовывает напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования.

Конструкция и технические характеристики ветроэнергетической установки

Технические исследования доказали, что атмосферные циклоны намного мощнее наземные, поэтому необходимо выше устанавливать генерирующее устройство. Чтобы получить энергию высотных ветров необходимо определенная технология.

Её можно получить с помощью совокупности турбин и воздушных змеев. Электростанции, находящиеся на поверхности земли или морском шельфе получают поверхностный поток. Изучая технологический процесс производства двух типов станций, эксперты пришли к колоссальной разнице в эффективности. Наземные турбины смогут произвести более 400 ТВт, а высотные – 1800 ТВт.

В общем, ветрогенераторы разделяют на домашние и промышленные. Последние устанавливаться на больших корпоративных объектах, так как имеют большую мощность, иногда их даже объединяют в сеть, что в результате составляет целую электростанцию. Особенностью таких способов выработки электричества является полное отсутствие как самого сырья для переработки, так и отходов. Все что нужно для активного функционирования электростанции - мощные порывы ветра.
Карта ветров по регионам и среднегодовая скорость.

Мощность можете достигать 7,5 мегаватт.

Роторные следует монтировать в местах где скорость ветра больше 4 м/с. Расстояние от мачты до ближайших построек или высоких деревьев, должно составлять не меньше 15 метров, а расстояние от нижнего края ветроколеса до ближайших веток деревьев и строений, должно быть, не меньше 2 метров. Требуется отметить, что конструкцию и высоту мачты каждый рассчитывает индивидуально, в зависимости от местных природных условий, наличия препятствий и скорости воздушного потока.

Установка и горизонтальных, и вертикальных ветрогенераторов производиться на фундамент. Мачту крепят на анкерные болты. Перед установкой мачты фундамент выдерживают месяц, это нужно, чтобы бетон уселся и набрал прочность. В обязательном порядке комплектуются системой грозовой защиты, поэтому могут надёжно обеспечить ваш дом электричеством, даже в дождливую погоду.

Новейшие технологии разработчиков компании NASA, направлены на генерирующие устройства воздушного змея. Это повысит коэффициент полезного действия до 90%. Так как, на земле будет расположен генератор, а в воздухе прибор, улавливающий атмосферные порывы. Сейчас тестируется система полета воздушного прибора, максимальная дальность 610 метров, а размах крыла приблизительно 3 метра. Вращательная фаза шара будет потреблять меньше ресурсов, а турбинные лопасти станут быстрее двигаться. Конструкторы предполагают, что такую инженерию можно внедрять в космосе, например на Марсе.

Змеи -- электрогенераторы

Как видим, будущая перспектива достаточно оптимистична, осталось только дождаться, когда это все воплотится в жизнь. Не только космическое агентство предлагает инновационные методы, но уже множество компаний имеет планы на размещение таких конструкций на нужных географических участках Земли. Некоторые из них добились потрясающего прогресса и их детища уже эксплуатируются.

Чего только стоят башни – близнецы в Бахрейне, где два гигантских здания как одна электростанция. Высота достигает 240 метров. За год такой проект вырабатывает 1130 МВт. Примеров можно приводить очень много, суть в том, что с каждым годом растет количество заинтересованных компаний для участия в развитии индустрии.

Схема распределения энергии: 1 - ветрогенератор; 2 - контроллер заряда; 3 - аккумулятор; 4 - инвертор; 5 - распределительная система; 6 - сеть; 7 - потребитель.

Альтернативная ветроэнергетика СНГ

Естественно, ветроэнергетика стран СНГ отстает от передовых государств. Это объясняется многими причинами, в первую очередь экономическими. Правительственные ведомства разрабатывают программы, вводятся «зеленые тарифы», способствующие развивать отрасль.

Для этого есть огромный потенциал, но препятствий к реализации достаточно много. Например, Беларусь совсем недавно начала развиваться в этом направлении, но главной проблемой республики, является отсутствие собственного производства, приходиться заказывать оборудование в странах – партнерах. Говоря о России, данное производство находится в «замороженном» состоянии, поскольку базовыми источниками являются: вода, уголь и атом. Как следствие, 64 место в рейтинге производства электричества. Для Казахстана благоприятное географическое расположение должно способствовать, однако техническая база очень устарела и требует капитальной модернизации.

Развитие ветровой энергии в северной Европе

Норвегия расположена на Скандинавском полуострове, большая часть территории омывается морем, где дуют сильные северные ветра. Возможности получения электричества безграничны. В 2014 году был введен в эксплуатацию парк проектной мощностью 200 мегаватт. Такой комплекс обеспечит 40 тысяч жилых домов. Не стоит забывать, что Норвегия и Дания тесно сотрудничают на энергетическом рынке. Дания -- это мировой лидер в области офшорной энергетики.

Большинство электростанций расположено в море, более 35% электроэнергии вырабатывается такими комплексами. Не имея атомных станций, Дания легко обеспечивает себя и Европу электричеством. Грамотное использование альтернативных источников позволило добиться такого прогресса.

Комплектация ветряков

Вертикальный, как правило, состоит из таких деталей:

• турбина
• хвост
• ориентирующий против потока ротор
• мачта с растяжками
• генератор
• аккумуляторы
• инвертор
• контроллер заряда аккумулятора

Лопасти ветрогенератора

Отдельно хотелось бы затронуть тему лопастей, от их количества и материала, из которого они сделаны, напрямую зависит эффективность работы установки. Исходя из их количества, они бывают одно- двух-трёх и многолопастные. Последние характеризуются числом лопастей больше пяти, они обладают большой инерцией и КПД, за счёт чего могут использоваться для работы водяных насосов. На сегодняшний день уже разработан довольно эффективный в работе, способный ловить потоки воздуха без лопастей. Он работает по принципу парусника, он ловит порывы воздуха, из-за чего двигаются поршни, что размещаются в верхней части, сразу за тарелкой.

По материалам, из которых сделаны лопасти в установках, различают жёсткие и парусные конструкции. Парусные являются более дешёвым вариантом из стеклопластика, или из металла, но во время активной работы они очень часто ломаются.

Дополнительные элементы ветряка

Некоторые из современных моделей обладают модулем подключения источника постоянного тока для работы солнечных батарей. Порой конструкция вертикального ветряка дополняется необычными элементами, к примеру, магнитами. Очень большой популярностью пользуется из ферритовых магнитов. Эти элементы способны ускорить обороты ротора, а соответственно повысить мощность генератора и КПД.

Именно таким образом добываются повышения эксплуатационных характеристик на собственноручной сборке, к примеру, из старого автомобильного автогенератора. Требуется отметить принцип ветроэлектростанции из ферритовых магнитов - он позволяет обойтись без редуктора, а это минимизирует шум и в несколько раз увеличивает надёжность._

Вертикально осевой Ротор Дарье. Особенности ротора

В новых конструкциях вертикальных ветряков используют Ротор Дарье, он имеет в два раза выше коэффициент переработки ветрового потока, чем все известные до сих пор установки подобного типа. Вертикально осевые с ротором Дарье целесообразно устанавливать для оборудования насосных станций, где нужен мощный момент на оси вращения при добыче воды с колодцев и скважин в условиях степи.

Ротор Савониуса новинка вертикальных генераторов

Русские учёные изобрели вертикальный генератор нового поколения, который работает на роторе Ворониных-Савониуса. Он являет собой, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения. На любом направлении и шквалах, “ветряная мельница” на основе ротора Савониуса, будет полноценно вращаться вокруг своей оси и вырабатывать энергию.

Главным минусом его является низкое использование ветровой силы, так как лопасти-полуцилиндры функционируют только в четверть оборота, а остальную часть своей окружности вращения он тормозит своим движением. О того, какой ротор вы выберете, будет также зависеть долгосрочность эксплуатации объекта. К примеру, ветряки с геликоидным, могут равномерно вращаться благодаря закрутке лопастей. Этот момент уменьшает нагрузку на подшипник и увеличивает длительность службы.

Ветрогенератор с разной мощностью

Устройство “мельницы” требуется выбрать в зависимости от того, какая мощность должна быть у него на выходе. Мощность до 300 Вт является одним из самых простых типов оборудования. Такие модели легко помещаются в багажнике автомобиля, и могут быть установлены одним работником за считаные минуты. Он очень быстро ловит попутный поток воздуха и обеспечивают зарядку мобильных устройств, освещение и возможность просмотра телевизора.

5 квт является оптимальным вариантом для небольшого загородного дома. Мощностью в 5-10 квт он может полноценно функционировать на небольших скоростях ветра, поэтому имеют более широкую географию для своей установки.

Плюсы и преимущества использования

Если рассматривать плюсы, тогда в первую очередь хотелось бы отметить, что он даёт условно бесплатную электроэнергию, которая в наше время стоит не дешево. Чтобы обеспечить небольшой дом электричеством, приходиться платить огромные счета. Важно одно-современные ветряки хорошо совместимы с альтернативными источниками. К примеру, они могут функционировать в комплексе с дизельными генераторами, создавая единый замкнутый цикл.

• Эффективность напрямую зависит от выбора пространства, где она будет размещена
• Низкие энергопотери в момент транспортировки, потому как потребитель может находиться на близком расстоянии от источника
• Экологически чистое производство
• Легкое управление, нет необходимости постоянно обучать персонал
• Долгое использование комплектующих, не требуется частой замены

Оптимальным скоростным потоком считается уровень 5 – 7 м/с. Мест для достижения такого показателя очень много. Очень часто ветряную ферму используют в открытом море на расстоянии 15 км. от берега. Каждый год уровень добычи энергии повышается на 20 %. Если рассматривать дальнейшие перспективы, в этом ключе природный ресурс бесконечный, чего не скажешь о нефти, газе, угле и т. д. Также, не стоит сбрасывать со счетов безопасность такой промышленности. Техногенные катастрофы, связанные с атомом вызывают страх перед всем человечеством.

Перед глазами стоит ужасная картина, взорвавшегося атомного реактора на Чернобыльской АЭС в 1986 году. А аварию на Фукусиме охарактеризовали, как дежавю Чернобыля. Деструктивные последствия для всего живого после таких ситуаций, вынуждают многие страны отказываться от расщепления атома и искать альтернативные методы производства кВт.

Однажды заплатив определённую сумму, можно несколько лет пользоваться бесплатным электричеством. Неоспоримый плюс также в том, что есть возможность покупать уже бывшие в употреблении, а это позволяет сэкономить ещё больше.

Минусы и недостатки

Несмотря на все позитивные качества ВЭС, также имеют места быть негативные стороны. В большинстве случаев, недостатки похожи на пропаганду и носят противоречивый характер. Рассмотрим наиболее тиражируемые во всех ТВ передачах, газетных статьях и интернет ресурсах:

• Первым из недостатков является то, что человек не научился контролировать природные явления, поэтому предугадать, как будет работать генератор в тот или иной день, невозможно
• Ещё одним минусом ветряков есть их аккумуляторы. Они обладают относительной долговечностью и в следствии их обязательно менять через каждые 15 лет
• Финансовые инвестиции требуют больших затрат. На самом деле, новые технологии имеют тенденцию к снижению
• Зависимость от силы горизонтального воздушного потока. Данный минус более адекватный, ведь нельзя повлиять на силу вихря
• Отрицательное воздействие на среду шумовым эффектом. Как показали последние изучения по этому вопросу-нет основательных причин так утверждать
• Уничтожение птиц, которые попадают в лопасти. Согласно статистическому анализу вероятность столкновения равносильна с ЛЭП
• Искажение приема сигнала. По оценкам очень маловероятна, тем более множество станций находится вблизи аэропортов
• Они искажают ландшафт(неподтверждено)

Это лишь малая часть мифов – страшилок, которыми пытаются напугать людей. Это повод и не более, ведь на практике работа ВЭС мощностью 1 МВт, позволяет сэкономить за 20 лет, примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Ведущие страны рекордными темпами осваивают альтернативный источник, отказываясь от атомного комплекса. Германия, США, Канада, Китай, Испания активно устанавливают оборудование на своих местностях.

Также требуется напомнить о том, что некоторые типы установок создают сильные шумы. Чем больше мощность установки, тем сильнее будет от него исходить шум. Монтировать необходимо на расстоянии, где уровень шума от станции не превысит 40 децибел. В противном случае, у вас постоянно будет болеть голова. Также они создают помехи в работе телевизора и радиовещания.

Вертикальные и солнечные ветрогенераторы, конструкция и КПД, гибриды нового поколения

Вертикальный нового поколения, как уже выше упоминалось, может отличаться по типу своих лопастей. Ярким примером, является гиперболоидный ветрогенератор, в котором турбина имеет гиперболоидную форму и существенно превосходит крыльчатый ветряк с вертикальной осью вращения. К примеру, функциональная его зона 7…8% площади, а гиперболоидный имеет рабочую зону в 65…70%. На базе таких турбин в США соединили два альтернативных источника ветер и солнце. Компания WindStream Technologies выпустила на рынок накрышную гибридную энергосистему SolarMill («Солнечная Мельница») мощностью 1, 2 кВт.

Ветрогенератор Болотова и его независимость от погодных условий

В последнее время очень большое внимание начало уделяться малым установкам. Одним из самых удачных есть вариант ветряка Болотова. Он являет собой электростанцию с вертикально размещённым валом генератора.

Особенностью оборудование -его необязательно приспосабливать к разным погодным условиям. Генератор Болотова способен принимать поток со всех сторон без соответствующих опций и необходимости разворота установки в другом направлении. Роторный способен форсировать поступающий поток, благодаря чему может полноценно функционировать при ветре любой мощности, включая штормовой.

Ещё одним достоинством этого вида, является удобное расположение в них генератора, электрической схемы и аккумуляторов. Они находятся на земле, в следствии техническое обслуживание оборудования очень удобно.

Однолопастной на мачте

Инновационной разработкой, принято считать однолопастной, главным его достоинством является высокая частота и скорость оборотов. Именно в них вместо оптимального количества лопастей встроен противовес, который мало влияет на сопротивляемость движению воздуха.

Ветряк Онипко

Продолжая обговаривать необычные варианты винтов, невозможно не упомянуть ветряк Онипко, который отличается конусообразными лопастями. Главным плюсом этих установок, является способность получения и преобразование в кВт при скорости потока 0,1 м/с. Лопастные, в отличии, начинают обороты на скорости 3 м/с. Онипко бесшумный и полностью безопасен для внешней среды. Он не нашёл массового распространения, но как говорят результаты исследований, он станет отличным вариантом для больших производственных объектов, что ищут альтернативные источники, так как обладает большой мощностью.

В виде панциря улитки.
Инновационным прорывом считают изобретение компании Archimedes, которая находиться в Нидерландах. Она предложила вниманию общественности конструкцию бесшумного типа, который можно устанавливать прямо на крыше многоэтажного здания. Согласно исследованиям, агрегат может работать в комплексе с солнечными батареями и свести к нулю зависимость здания от внешней энергосети. Новые генераторы носят название Liam F1. Оборудование имеет вид небольшой турбины диаметр которой 1,5 метра, и вес 100 килограмм.

По своей форме установка напоминает панцирь улитки. Турбина разворачивается по направлению захватывая воздушный поток. Агустин Отегу изобретатель всемирно известной спиралевидной турбины Nano Skin, видит будущее человечества не в громадных солнечных батареях и турбинах с большим размахом винтов. Он рекомендует монтировать их в наружных частях зданий. Турбины начнут вращаться ветром и создадут энергию, которая будет передаваться непосредственно в электросеть здания.

Парусный самый быстрый «ловец» потока

Альтернативой лопастного, является парусный. Попутный ветер в лопасти улавливает очень быстро и мгновенно под него подстраивается в результате тот может работать на всех скоростях от самых малых до буревых. Этот тип оборудования вовсе не создаёт шумов и радиопомех, он прост в эксплуатации и транспортировке и это является немаловажным фактором.

Необычные устройства, ветроэнегетика и её проекты

На стадии разработки находиться еще множество конструкций необычного типа. Среди них, особым интересом пользуются:

• Sheerwind напоминает своим внешним видом музыкальный инструмент
• ветрогенераторы от компании ТАК, напоминающие уличные фонари на само обеспечении
• ветряки на мостах в виде пешеходного перехода
• ветряные качели, которые принимают потоки воздуха со всех сторон
• «ветряные линзы» диаметром 112 метров
• плавучие ветряки от корпорации FLOATGEN
• разработка компании Tyer Wind – ветрогенератор, имитирующий лопастями взмах крыльев колибри
• в виде реального дома, в котором можно жить от компании TAMEER. Аналогом этой разработки является Anara Tower в Дубаи

Вскоре будут установлены первые в мире установки способные работать без ветра. Представит вниманию человечества их немецкая компания Max Bögl Wind AG. Они будут состоять из турбин высотой 178 метров. Будут также выполнять роль резервуаров с водой. Принцип работы системы достаточно простой, когда есть ветер оборудование будет работать по типу ветрогенератора, а когда погода не ветреная, в работу будет пускаться гидротурбины. Они вырабатывают энергию из воды, которая должна спускаться из резервуаров вниз по холму. Когда он снова появляется, вода начнет перекачиваться обратно в резервуары. Этим самым удастся обеспечить работу электростанции в непрерывном режиме.
Эпоха “мельниц”, с которыми сражался еще Дон Кихот в рассказе Сервантеса уходит в далекое прошлое. Сегодня промышленные объекты больше напоминают уникальные произведения искусства нежели промышленные установки.

Дирижабль от компании Altaeros Energies

С каждым днём появляются всё больше идей, касающихся выработки альтернативных источников и одной из самых новых, считается дирижабль генератор. Лопастные традиционные достаточно шумны, а коэффициент использовании ветрового потока достигает 30%. Именно эти недостатки решили исправить Altaeros Energies разработав дирижабль. Этот инновационный тип будет работать на высотах до 600 метров. Обычные лопастные ветроустановки до этого предела высот не достают, но именно здесь самые мощные ветра, которые могут обеспечить непрерывную работу генераторов. Оборудование являет собой надувную конструкцию, которая выглядит чем-то средним между мельницей и дирижаблем. На нём установлена трехлопастная турбина на горизонтальной оси.

Особенностью такой плавающей ветроэлектростанции-ее можно контролировать дистанционно, она не требует дополнительных затрат на техническое обслуживание и очень проста в эксплуатации. Как утверждают разработчики, в перспективах эти установки будут являться не только источниками электричества, но и смогут проводить интернет на отдаленные участки земного шара, что далеки от развития инфраструктуры. Согласно полученным данным, можно утверждать, что массовое производство этой энергетической вырабатывающей установки станет огромным прорывом в мире техники. И запас мощности у дирижабля хватит на «двоих».

Ветрогенератор «Летающий Голландец» и другие летающие установки.
Это устройство являет собой гибрид дирижабля и мельницы. Во время тестов дирижабль был поднят на высоту 107 метров, и находился там какое-то время. Результаты показали, что эти виды установок способны выработать в два раза больше мощности, чем обычные установки, которые устанавливают на высотных башнях.

Проект Wavestalk

Интересно узнать, что для преобразования силы волн и океанических течений в электричество был предложен альтернативный вариант проекту Windstalk – Wavestalk. Устройство являет собой безлопастный, парусного типа. По своей форме он напоминает большую спутниковую тарелку, которая под действием ветра делает наклоны вперед-назад, создавая этим самым колебания в гидравлической системе.

В данной конструкции ветер запрягается в парус, это позволяет преобразовать большие объёмы кинетической энергии.

Проект Windstalk

Мачта без лопастей уже давно рассматривается, как самый удачный из вариантов альтернативных источников для электричества. В Абудаби в городе Мансард решили построить электростанцию Windstalk. Она являет собой совокупность стеблей, армированных резиной, с шириной 30 см и до 5 см в верхней точке. Каждый такой стебель согласно проекту, содержит слои электродов и керамических дисков, которые способны вырабатывать электрический ток. Ветер качая эти стебли, будет сжимать диски, вследствие чего будет вырабатываться электрический ток. Никакого шума и опасности для окружающей среды, подобные ветроустановки не создают. Площадь, которую занимают стебли в проекте Windstalk охватывает 2,6 гектара, а по мощности намного превосходит идентичное количество лопастного типа, что могут расположиться на этой же территории. На создание подобной конструкции разработчиков натолкнули камыши на болте, которые равномерно раскачиваются на ветру.

Ветряк в виде дерева

Наблюдение за природой, как понятно с выше наведённого примера очень вдохновляет современных инженеров. Еще одним подтверждением этому, есть эта конструкция напоминающая форму дерева. Представила эту необычную концепцию, представители компании NewWind. Разработка получила название Arbre à Vent высота его составляет три метра, а оснащён аппарат 72-мя вертикальными мини-турбинами, что могут работать даже на ветру скорость которого сотавляет 7 км/ч или 2 м/с. Ветряк в виде дерева работает очень тихо, кроме этого выглядит, достаточно реалистично, не портя своим внешним видом, окружающий экстерьер города или загородного участка.

Самый большой ловец ветра

Самым большим в мире принято считать детище компании Enercon. Мощность энергоустановки составляет 7,58 МВт. Высота несущей башни может изменяться в зависимости от требований потребителя, в стандартном варианте высота составляет 135м, а размах лопастей- 126м. Общая масса данной конструкции составляет величину около 6000т.

Панцирные АКБ изготавливаются по уникальной технологии, считаются аккумуляторами нового поколения и отличаются улучшенными свойствами. Большой эксплуатационный срок от 800 до 2 тыс. циклов зарядов-разрядов. Аккумуляторы зависят от температуры окружающей среды. Понижение на 1ºС приводит к уменьшению ёмкости устройства на 1%. Этот параметр АКБ в мороз -25 ºС будет наполовину меньше его значений при +25 ºС.

На каком устройстве остановиться и что необходимо учитывать при выборе

Как видно, из вышеперечисленных моделей, в мире постоянно изобретаются новые электроустановки, что могут работать на природных ресурсах. Каждый из них вы успешно можете использовать в своём загородном участке. Хорошо ознакомившись с принципом действия ветровых установок, вы можете даже попробовать самостоятельно смастерить свою домашнюю станцию, которая станет отличным аналогом центральной электромагистрали и, возможно, даже осуществит прорыв в мире электроники.
Классическая схема электростанции с использованием в цепи контроллера, аккумуляторов и инвертора.

Правило подбора оборудования

• Количество мощности в кВт что бы обеспечить ваш дом энергией. Мощность надо брать с запасом. Просчитать число аккумуляторов для аккумуляции на случай безветренной погоды.
• Среднегодовая скорость воздушных потоков. Климатические особенности места проживания. Монтаж себя не оправдывает в полосе где стоят сильные морозы, а также постоянно идёт дождь и снег.
• Лопасти, а точнее их количество. Меньше лопастей - больше КПД. Интенсивность шума при работе установки. Просмотреть обзоры производителей ветрогенераторов, отзывы о них, а также технические характеристики.

После восемнадцати месяцев подготовки, проект стоимостью в 1,3 млн долларов США носящий название «Парящая ветряная турбина Altaeros» (Altaeros Buoyant Airborne Turbine (BAT)) будет работать на высоте 1000 футов (304,8 м) над землей.

Проект, частично финансируемый за счет фонда Аляски Energy Authority"s Emerging Energy Technology Fund, станет первой долгосрочной демонстрацией воздушной турбины такого типа. В настоящее время он размещается на юге города Фэрбенкс в центральной части Аляски.

Находящийся на высоте 1000 футов, пилотный проект промышленных масштабов будет располагаться на более чем 275 футов выше, чем нынешний рекордсмен самого высокого размещения ветряной турбины - Vestas V164-8.0-MW. Vestas недавно установил свой первый прототип в Датском национальном центре тестирования больших турбин (Danish National Test Center for Large Wind Turbines) в Остерильде (Østerild), у которого высота расположения оси ветряной турбины равна 460 футов (140 метров), а лопасти простираются в высоту более 720 футов (220 метров).

Мощность турбины Altaeros составляет 30 кВт, она создает достаточно для обеспечения 12 домов. Но, по словам компании, это только начало. Она также может поднять на себе коммуникационное оборудование, такое как сотовые радиопередатчики, метеорологические приборы или другую чувствительную аппаратуру. Компания уверяет, что дополнительное оборудование не влияет на производительность турбины.

Altaeros разработала свою турбину для обеспечения постоянной дешевой энергией рынка в 17 миллиардов долларов США, являющего собой отдаленные локации и локальные микросети, не входящие в основную электрическую сеть, которые в настоящее время полностью зависят от дорогостоящих дизельных генераторов. Целевыми клиентами также являются находящиеся на острове и удаленные общины, фирмы по добыче нефти и газа, полезных ископаемых и , телекоммуникационные фирмы, спасательные организации, и военные базы.

Чтобы подняться на большую высоту к сильным и устойчивым ветрам, недостижимым для турбин наземной и морской установки, ВАТ использует наполненную гелием невоспламеняемую надувную оболочку. Высокопрочные канаты обеспечивают турбине устойчивость и являются проводниками для выработанной энергии. Подъемная технология адаптирована для конкретного применения и аналогична применяемой в аэростатах, промышленных родственниках дирижаблей, несущих тяжелое коммуникационное оборудование в течение десятилетий. Они способны противостоять ураганным и оснащены технологиями, обеспечивающими плавную посадку в большинстве непредвиденных и аварийных ситуаций.

В 2013 году Altaeros успешно протестировала прототип ВАТ при скорости ветра 72 км/ч на высоте 150 метров на своем испытательном полигоне в штате Мэн. Но поскольку технология аналогична аэростатам, турбина может противостоять более сильному ветру. Технологически, парящая турбина может быть запущена в эксплуатацию в течении 24 часов, поскольку не требует кранов и заливки фундамента. Наземная силовая станция контролирует лебедки, удерживающие турбину, а так же преобразует электричество перед отправкой в локальную сеть.

Похоже, что новый виток развития ветровой энергетики уже совсем близко и скоро мы сможем наблюдать «стаи» парящих гигантов, обеспечивающих нам домашний уют, связь, производство и все то, что невозможно без электричества.

сайт по материалам altaerosenergies.com

Бесконечная «эврика»

Помните греческого изобретателя и математика Архимеда, который воскликнул «эврика! (я нашёл!)» при открытии им основного закона гидростатики? С самых древних времён по настоящее время человечество пребывает в вечном поиске новых открытий. Не осталась в стороне и область покорения ветровой энергии. Ветрогенератор нового поколения не даёт покоя ни учёным, ни инженерам-практикам. Вечный поиск даёт свои благодатные результаты и время от времени в какой-нибудь точке земного шара тишину изобретения нарушает радостный возглас – «Эврика»!

На этот раз героем дня оказался старый американец 89 лет от роду, ветеран второй мировой Рэймонд Грин из Калифорнии, который много лет ломал голову над проблемой усовершенствования существующих видов ветроустановок. Наконец, ему удалось создать ветрогенератор, который почти бесшумен и безопасен для летающих друзей человека. Изобретённое им детище весом 20 кг одним махом решает сразу кучу проблем, которые стояли перед ветрогенератором старой модификации.

В чём принципиальные отличия изобретённой установки? Самое главное – она не имеет крутящихся лопастей с внешней стороны. В ней всё спрятано в кожух, что предохраняет птиц от гибели. Второй существенной разницей является то, что новая конструкция даёт возможность применять лопасти небольшого размаха, что способствует уменьшению шума.

К сожалению, на этом знакомство с новым агрегатом заканчивается. Мы не можем знать столько, сколько знает сам изобретатель о своём детище, пока изделие не внедрится в серийное производство. Автор проекта убеждён, что через два года это произойдёт и геологи в дальних исследовательских лагерях, врачи военных госпиталей стран третьего мира, пострадавшие люди из зон стихийного бедствия, жители отдалённых глухих деревень будут пользоваться электроэнергией его изобретения.

Возможные невозможности

Вы не задумывались над вопросом, почему ветровой энергетикой пользуются лишь смельчаки да рьяные умельцы? То есть, этим видом получения электричества рискуют заниматься далеко не все нуждающиеся. Да потому, что сама по себе ветроэнергетика в её прежних модификациях крупна по своим размерам, сложна при монтаже, не совсем удобна в эксплуатации (попробуй забраться на высоту мачты и отремонтировать генератор). Да и много шума издают крутящиеся лопасти и опасны для птиц. И, никуда от этого не денешься, высокая цена.

Названные проблемы остаются в историческом прошлом с появлением ветрогенератора нового поколения. Их несколько видов и об одном из них мы рассказали в первом разделе данной статьи. Вторым представителем из ряда новинок является безредукторный ветрогенератор, в котором энергия вырабатывается «кончиками» лопастей. Здесь отсутствует традиционный вал от пропеллера к генератору, а электричество снимается с обода пропеллера.

Его ротор в форме ферромагнитного обода закреплён на крыльях ветроколеса. По конструкции он простой, легко изготавливается и монтируется. Но размещение постоянных магнитов на концах крыльчатки намного утяжеляют её, что снижает общий КПД установки. Зато агрегат удобен в эксплуатации, потому что простая конструкция не требует излишнего внимания. Такие ветрогенераторы могут работать везде при любых климатических условиях.

То, что вчера казалось невозможным, сегодня становится обыденной реальностью.

Ветрогенератор покоряется интеллектуалам

С дальнего расстояния он совсем не похож на ветрогенератор, а скорее всего, на водонапорную башню не совсем обычной для такого сооружения формы. Если подъехать ближе, увидишь медленное вращение лопастей. Вертикальный вал вращается совершенно бесшумно.

Такую гигантскую турбину собирается серийно выпускать одна американская компания в Аризоне под руководством инженера Мазура. По его расчётам она одна должна поставлять столько электроэнергии, что её хватит для мегаполиса в 750 тысяч домов. В 2007 году инженер поставил себе цель – многократно увеличить КПД ветрогенератора на вертикальной оси и приближался к своей цели все эти годы.

Изобретатель работал в двух направлениях: первое – сделать как можно больший захват лопастями воздушного потока и второе – свести к нулю трение опоры ветролопастей. Огромных размеров вертикальный ротор должен выполнить первую задачу, а вращающаяся турбина на магнитной подушке – вторую.

О второй задаче надо сказать более подробно. Вращение без трения достигается за счёт магнитной левитации, о чём мы рассказывали в статье о принципах работы ветрогенераторов в разделе под заголовком «Творцы новых возможностей». Весь вертикальный роторный блок при вращении поднимается на своей оси и совершенно не касается нижнего опорного подшипника. Он установлен только для старта, для разгона турбины. Как только она набирает обороты, так становится, как бы, невесомой и отрывается от подшипника. В результате трение сводится к нулю, если не считать трения самой турбины о воздух. КПД сразу подскакивает вверх.

Гигантская турбина очень чувствительна и реагирует на малейшее дуновение ветерка. Такая способность подниматься во время вращения за счёт магнитной левитации давно занимала учёные и изобретательские умы планеты. Это такое явление, при котором любая вещь или предмет, имея вес, отрывается от поверхности и парит в пространстве без всякого применения отталкивающей силы. Полёт птиц – уже не левитация.

Вертикальные ветрогенераторы с левитирующей способностью ротора овладели сейчас мыслями инженеров-изобретателей. И вот первые результаты уже налицо. В проекте Мазура виден «плавающий» ротор на магнитной подушке, а вместо генератора установлен линейный синхронный двигатель. Ветрогенератор на магнитной подушке множеством лопастей максимально захватывают воздушный поток и по предположению учёных такая турбина будет вырабатывать электроэнергию по сказочно мизерной цене – меньше цента за киловатт-час.

Ротор Онипка — ветрогенератор для низких и средних скоростей ветра: