1. Вітряні двигуни з горизонтальною віссю обертання
2. Вітроколесо з горизонтальною віссю
3. Турбопарус
4. Beluga SkySails
5. Ветроголовкі «Ветролов»
6. вітрогенератор Eolic
7. Дизайнерський вітрогенератор Revolution Air
8. Вітрогенератор Energy Ball
9. вітрогенератор Третьякова
10. Windtronics
11. Optiwind 300
12. GEDAYC
13. Honeywell
14. Maglev Turbine
15. Вітрова турбіна гіперболоїдна типу
16. Mobile Wind Turbine

Вітроенергетика вражає різноманіттям і незвичайним дизайном конструкцій вітрогенераторів. Існуючі конструкції вітрогенераторів, а також запропоновані проекти ставлять вітроенергетику поза конкуренцією за оригінальністю технічних рішень в порівнянні з усіма іншими міні-енергокомплексу, що працюють з використанням ВДЕ.

В даний час існує безліч різних концептуальних конструкцій вітрогенераторів, які за типом ветроколес (роторів, турбін, гвинтів) можна розділити на два основних види. Це вітродвигуни з горизонтальною віссю обертання (крильчасті) і з вертикальною (карусельні, так звані Н-образні турбіни).

Вітряні двигуни з горизонтальною віссю обертання

Вітряні двигуни з горизонтальною віссю обертання. У вітряки з горизонтальною віссю обертання роторний вал і генератор розташовуються нагорі, при цьому система повинна бути спрямована на вітер. Малі вітряки направляються за допомогою флюгерне ​​систем, в той час як на великих (промислових) установках є датчики вітру і сервоприводи, які повертають вісь обертання на вітер. Більшість промислових вітрогенераторів оснащені коробками передач, які дозволяють системі підлаштовуватися під поточну швидкість вітру. В силу того, що щогла створює турбулентні потоки після себе, вітроколесо зазвичай орієнтується у напрямку проти повітряного потоку. Лопаті вітроколеса роблять досить міцними, щоб запобігти їх зіткнення з щоглою від сильних поривів вітру. Для вітряків такого типу не хочете встановити цю опцію додаткових механізмів орієнтації за вітром.

Вітроколесо з горизонтальною віссю

Вітроколесо може бути виконано з різною кількістю лопатей: від однолопастний вітрогенераторів з контрвантажами до вбагатолопатеву (з числом лопатей до 50 і більше). Вітроколеса з горизонтальною віссю обертання виконують іноді фіксованими у напрямку, тобто вони не можуть обертатися щодо вертикальної осі, перпендикулярної напрямку вітру. Такий тип вітрогенераторів використовується лише при наявності одного пануючого напрямку вітру. У більшості ж випадків система, на якій закріплено вітроколесо (так звана голівка), виконується поворотною, що орієнтується у напрямку вітру. У малих вітрогенераторів для цієї мети застосовуються хвостові оперення, а у великих орієнтацією управляє електроніка.

Для обмеження частоти обертання вітроколеса при великій швидкості вітру застосовується ряд методів, в тому числі установка лопатей у флюгерне ​​положення, використання клапанів, які стоять на лопатях або обертаються разом з ними, і ін. Лопаті можуть бути безпосередньо закріплені на валу генератора, або обертовий момент може передаватися від його обода через вторинний вал до генератора або інший робочій машині.

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

Основні переваги горизонтальній осі наступні: змінний крок лопаток турбіни, що дозволяє по максимуму використовувати енергію вітру в залежності від атмосферних умов; висока щогла дозволяє «добиратися» до більш сильних вітрів; висока ефективність завдяки напрямку вітроколеса перпендикулярно вітрі.

У той же час горизонтальна вісь має ряд недоліків. Серед них - високі щогли висотою до 90 м і довгі лопаті, які важко транспортувати, масивність щогли, необхідність спрямування осі на вітер і т.д.

Вітряні двигуни з вертикальною віссю обертання. Основною перевагою такої системи є відсутність необхідності направлення осі на вітер, так як ВЕУ використовує вітер, що надходить з будь-якого напрямку. Крім того, спрощується конструкція і зменшуються гіроскопічні навантаження, що викликають додаткові напруги в лопатях, системі передач та інших елементах установок з горизонтальною віссю обертання. Особливо ефективні такі установки в областях зі змінним вітром. Верти-кально-осьові турбіни працюють при низьких швидкостях вітру і будь-яких його напрямах без орієнтації на вітер, але мають малий ККД.

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

Лопаті утворюють просторову конструкцію, яка обертається під дією підйомних сил, що виникають на лопатях від вітрового потоку. У роторі Дарині коефіцієнт використання енергії вітру досягає значень 0,300,35. Останнім часом проводяться розробки роторного двигуна Дарині з прямими лопатями. Зараз вітрогенератор Дарині може розглядатися в якості основного конкурента вітрогенераторів крильчатого типу.

Установка має досить високу ефективність, але при цьому утворюються серйозні навантаження на щоглу. Система також має великий стартовим моментом, який насилу може бути створений вітром. Найчастіше це відбувається зовнішнім впливом.

ротор Савоніуса

Іншим різновидом вітроколеса є ротор Савоніуса, створений фінським інженером Сігурта Савоніуса в 1922 р Момент, що обертає виникає при обтіканні ротора потоком повітря за рахунок різного опору опуклою і увігнутою частин ротора. Колесо відрізняється простотою, але має дуже низький коефіцієнт використання енергії вітру - всього 0,1-0,15.

Головна перевага вертикальних вітрогенераторів в тому, що вони не потребують механізмі орієнтації на вітер. У них генератор і інші механізми розміщуються на незначній висоті біля підстави. Все це істотно спрощує конструкцію. Робочі елементи розташовуються близько до землі, що полегшує їх обслуговування. Невисока мінімальна робоча швидкість вітру (2-2,5 м / с) виробляє менше шуму.

Однак серйозним недоліком цих вітродвигунів є значна зміна умов обтікання крила потоком за один оборот ротора, циклічно повторюється при роботі. Через втрат на обертання проти потоку повітря більшість вітрогенераторів з вертикальною віссю обертання майже вдвічі менш ефективні, ніж з горизонтальною віссю.

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

Турбопарус

Фахівці працюють над створенням спеціального пристрою для ущільнення вітру - дифузора (ущільнювача енергії вітру). За рік вітродвигун цього типу встигає «зловити» в 4-5 разів більше енергії, ніж звичайний. Висока швидкість обертання вітроколеса досягається за допомогою дифузора. У вузькій його частині повітряний потік особливо стрімкий, навіть при порівняно слабкому вітрі.

Вітрогенератор з дифузором

Як відомо, швидкість вітру з висотою збільшується, що створює більш сприятливі умови для використання вітрогенераторів. Повітряні змії були винайдені в Китаї приблизно 2 300 років тому. Ідея використання змія для підйому вітрогенератора на висоту поступово знаходить реалізацію.

літаючий вітрогенератор

Швейцарські конструктори з компанії Етра представили нову конструкцію надувних повітряних зміїв, які зможуть піднімати до 100 кг при масі самого крила 2,5 кг. Їх можна використовувати для установки на морських судах і підйому на велику висоту (до 4 км) вітряних турбін. У 2008 р подібна система пройшла випробування при плаванні контейнеровоза Beluga SkySails з Німеччини до Венесуели (економія палива склала понад 1 000 долл. / Добу).

Beluga SkySails

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

Ветроголовкі «Ветролов»

Цікаве рішення має конструкція ветроголовкі «Ветролов». Обертається корпус генератора виконаний досить довгим (близько 0,5 м), в середній частині (на проміжку від фланця генератора до лопатей) - механізм складання лопатей. За принципом дії він схожий на механізм розкриття автоматичного парасольки, а лопаті нагадують крило дельтаплана. Для того щоб лопаті не впирається один в одного під час складання, осі їх закріплення роком дещо зміщено. Чотири лопаті (через одну) йдуть всередину, а чотири - зовні. Після складання площа лобового опору вітряка зменшується майже в чотири рази, а коефіцієнт аеродинамічного опору - майже в два.

У верхній частині опори вітряка встановлюється «коромисло» з вертикальною віссю обертання. На одному його кінці розташований вітрогенератор, на іншому - противагу. При слабкому вітрі вітрогенератор за допомогою противаги піднято вище верхньої позначки опори і вісь вітряка при цьому горизонтальна. При посиленні вітру тиск на вітроколесо зростає і воно починає опускатися, повертаючись навколо горизонтальній осі. Таким чином працює ще одна система «відходу» від сильного вітру. Конструкція дозволяє нарощувати коромисла так, що вітрогенератори встановлюються один за одним. Виходить своєрідна гірлянда з однакових модулів, які при слабкому вітрі стоять один вищий від другого, а при сильному йдуть вниз, «ховаючись» в «вітрову тінь» вітроколеса. Тут також закладена здатність системи адаптуватися до зовнішньої навантаженні.

вітрогенератор Eolic

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

Дизайнерський вітрогенератор Revolution Air

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

Вітрогенератор Energy Ball

Міжнародна група дизайнерів та інженерів Home-energy представила свій продукт - вітрогенератор Energy Ball. Головною особливістю новинки є компоновка на ньому лопатей по типу сфери. Всі вони пов'язані з ротором обома кінцями. Коли вітер проходить крізь них, він дме паралельно ротора, що збільшує ККД генератора. Energy Ball може працювати навіть при дуже низькій швидкості вітру і виробляє набагато менше шуму, ніж звичайні вітряки.

вітрогенератор Третьякова

Унікальну вітроустановку створили конструктори з Самари. При використанні в міському середовищі вона дешевше, економічніше і могутніше за європейські аналоги. Вітрогенератор Третьякова є повітрозабірник, який вловлює навіть відносно слабкі повітряні потоки. Новинка починає виробляти корисну енергію вже при швидкості 1,4 м / с. Крім того, не потрібен дорогий монтаж: установку можна ставити на будівлю, щоглу, міст і т. Д. Вона має висоту 1 м і довжину 1,4 м. ККД постійний - близько 52%. Потужність промислового апарату - 5 кВт. На відстані 2 м шум від вітростанції становить менше 20 Дб (для порівняння: шум вентилятора - від 30 до 50 Дб).

Windtronics

Американська компанія Wind Tronics з Мічигану розробила компактну вітрову установку для застосування в приватних домогосподарствах. Розробником технології є Wind Tronics, а виробничий гігант Honeywell налагодив виготовлення вітрових установок. Дизайн передбачає нульовий шкоди навколишньому середовищу.

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

Інтерес до малих вітрових турбін зростає в усьому світі. Багато з компаній, що працюють над вирішенням цієї проблеми, цілком досягли успіху в створенні власних оригінальних рішень.

Optiwind 300

Компанія Optiwind випускає оригінальні вітрові установки Optiwind 300 (300 кВт, вартість - 75 тис. Євро) і Optiwind 150 (150 кВт, вартість - 35 тис. Євро). Вони призначені для колективної економії енергії в селищах і фермерських господарствах (рис. 12). Основна ідея - збір енергії вітру складальними конструкціями з декількох турбін на пристойній висоті. Optiwind 300 комплектується 61-метровою вежею, платформа акселератора має 13 м в діаметрі, а діаметр кожної турбіни складає 6,5 м.

GEDAYC

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

Honeywell

Компанією Earth Tronics розроблений новий тип «домашніх» вітряних турбін Honeywell. Система дозволяє виробляти електроенергію на кінчиках лопатей, а не на осі (як відомо, швидкість обертання кінців лопатей набагато вище швидкості обертання осі). Таким чином, турбіна Honeywell не використовує редуктор і генератор, як в звичайних вітрогенератори, що спрощує конструк-цію, зменшує її вагу і поріг швидкості вітру, при якому вітрогенератор починає виробляти електроенергію.

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

Maglev Turbine

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

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

Вітрова турбіна гіперболоїдна типу

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

Mobile Wind Turbine

Ще один цікавий проект - вітрогенератор Mobile Wind Turbine - розробили дизайнери студії Pope Design (рис. 17) [10]. Це мобільний вітрогенератор, розташований на базі вантажної машини. Для управління Mobile Wind Turbine потрібен лише оператор-водій. Цей вітрогенератор можна буде використовувати в зонах стихійних лих, під час ліквідації наслідків НП і при відновленні інфраструктури.

ВИСНОВОК

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

Світлана Константинова, кандидат технічних наук, доцент БНТУ

джерело

віпадкові статті