Турбинные ветрогенераторы. Рассматриваем ветровые электростанции для дома

Ветряная турбина – это основная часть ветрового генератора, у которого в качестве устройства, служащего приемником энергии ветра, является турбина. Один из вариантов подобных устройств — это корпус в виде цилиндра, во внутреннем пространстве которого размещены лопасти.

Ветровые установки, изготовленные на основе ветровых турбин, отличаются более высоким КПД, по сравнению с лопастными, а также простотой конструкции и надежностью в эксплуатации.

Основные характеристики

Как у любого технического устройства, так и у воздушной турбины, параметрами, классифицирующими ее возможности, а также дающими информацию о той или иной модели, служат ее технические характеристики.

Основными техническими характеристиками, для подобных устройств, являются:

Номинальная выходная мощность, измеряемая в кВт.
Номинальное выпрямленное напряжение, которое вырабатывает генератор при определенной частоте вращения ротора установки.
Частота создаваемого напряжения, измеряемая в Гц.
Частота вращения ротора, в рабочем режиме, при которой создается номинальное выпрямленное напряжение. Измеряется в оборотах в минуту.
Номинальная частота вращения, при которой ветровая турбина соответствует заявленной мощности. Измеряется в оборотах в минуту.
Угонная скорость, измеряется в оборотах в минуту и классифицирует предельную возможность агрегата, работать с определенной частотой вращения.
Режим работы, в котором та или иная модель устройства, способна работать заданное время (продолжительный, цикличный, кратковременный и т.д.).
Уровень производимого шума (звука) при работе конкретной модели, измеряется в Дб.
КПД устройства.
Вид охлаждения узлов и механизмов.
Способ установки и монтажа.
Габаритные размеры.
Масса агрегата.

Конструктивные особенности ветровой турбины

Ветровые генераторы, оснащенные ветровой турбиной, представляют их себя цилиндр, внутри которого размещены лопасти. Наличие наружного контура, вокруг лопастей, обеспечивает им защиту от попадания в них посторонних предметов и живых организмов.

Отсутствие необходимости в устройстве хвостовой части (для ориентации по отношению к направлению ветра), снижает вес и габариты устройства, а также облегчает монтаж и его эксплуатацию. Корпус, в виде цилиндра, самостоятельно ориентируется по направлению ветровых потоков, и работая, по сути, как сопло, увеличивает давление на установленные лопасти, тем самым повышая КПД ветрового генератора.

Как рассчитать правильно

Основным показателем, определяющим выбор той или иной модели, является способность вырабатывать электрическую энергию, которая измеряется в киловатт*часах в единицу времени.

Количество вырабатываемой энергии, напрямую связано с мощностью установки, которая является главной технической характеристикой агрегата, поэтому расчет ветровой турбины, определяет ее геометрические размеры, количество устанавливаемых лопастей и высоту установки над поверхностью земли.

Мощность электрического генератора, который определяет способность ветровой установки вырабатывать электрический ток, зависит от ветрового потока, мощность которого, в соответствии с эффективностью турбины, можно рассчитать по формуле:

P=KxRxV 3 xS/2

Р – мощность воздушного потока;

К – коэффициент, учитывающий эффективность турбины, имеет значение от 0,2 до 0,5 единиц;

R – плотность воздуха, составляет 1,225 кг/м 3 (при нормальном атмосферном давлении);

V- скорость потоков воздуха, измеряется в м/с;

S – площадь охвата ветровой турбины (ветрового потока, работающего с установкой).

Из приведенной формулы видно, что мощность ветрового потока, а, следовательно, и мощность генератора, напрямую зависит от диаметра ветровой турбины (S= π R 2).

Зная скорость воздушных потоков в месте монтажа установки, и ее диаметр, можно определить мощность установки и ее способность вырабатывать электрическую энергию.

Виды ветряных турбин

Хотя изначально считалось, что ветряная установка с ветровой турбиной предполагает ее установку только в горизонтальной плоскости, что характеризует ветровые генераторы с горизонтальной осью вращения, тем не менее, конструкторы разработали новые варианты подобных устройств, которыми являются:

Ветряная турбина с вертикальной осью вращения

В установках подобного типа, цилиндр турбины располагается вертикально, а лопасти находятся в плоскости, перпендикулярной поверхности земли.

Работа ветровых турбин, с вертикальной осью вращения, аналогична работе устройств, с горизонтально расположенной осью вращения.

Ветряная турбина без лопастей

Наличие лопастей у ветровых установок различной конструкции, приводит к тому, что для их монтажа требуются значительные площади, даже если это и ветровые турбины, размещенные в жестком корпусе. В связи с этим, новым направлением в развитии ветровых установок, стало строительство подобных устройств с использованием ветряных турбин, в которых отсутствуют лопасти.

Подобная конструкция представляет из себя столб, внутри которого размещены металлические диски. Диски крепятся на валу и расположены параллельно друг другу, между ними установлены специальные прокладки. При попадании воздуха на прокладки они приходят в движение и придают определенный и направленный импульс металлическим дискам, под действием которого диски начинают вращаться. Под воздействием вращательного движения дисков, начинает вращаться стержень, который в свою очередь, передает свое вращательное движение на вал генератора.

Ветряная турбина для крыши

Интерес к возможности обеспечить себя бесплатной электрической энергией, при этом не создавая проблем окружающим, даже в условиях города, привел к тому, что была разработана конструкция ветровой турбины, которую можно установить на крыше любого здания.

Подобная установка имеет не большие габаритные размеры, малый вес, а при работе практически бесшумна. Наружный корпус устройства выполнен в виде улитки, что позволяет усиливать поток ветра в нужном направлении и ориентироваться в пространстве, в соответствии с его направлением.

Популярные модели и марки

Среди многообразия ветровых турбин, выпускаемых в разных технически развитых странах, наибольшей популярностью пользуются следующие:

Турбина, разработанная специалистами компании F iddler (США), предназначена индивидуального использования и предполагает установку на крыше жилого дома или иного сооружения индивидуального использования.

Данная модель оснащена электронным блоком, при помощи которого с использованием специальных мобильных приложений, возможно осуществлять контроль за работой устройства на удаленном расстоянии.

Ветровая установка работает в паре с аккумулятором, устанавливаемом внутри здания. Крепежные элементы предполагают монтаж на коньке крыши, что позволяет увеличить количество ветровых потоков, улавливаемых турбиной. Уровень шума, при работе устройства, сведен к минимуму, что позволяет не создавать дискомфорта жильцам, проживающим внутри здания, на котором монтируется агрегат.

- Турбина модели «Liam F1» разработана в Голландии компанией The Archimedes, имеет малы вес (до 80,0 кг) и предполагает установку на крыше здания или иной, отдельно стоящей опоре. Конструкция приемного блока, в виде улитки, позволяет увеличить КПД ветровой установки и всегда находиться в плоскости движения потоков ветра.
- Уровень шума, при работе, очень низкий, что позволяет выполнять монтаж в любом удобном для этого месте.
- Средние цены
  
  Оборудование, используемое в альтернативной энергетике, в том числе и в ветровых установках, стоит не дешево. Это связано с тем, что как правило, новые модели выпускаются в штучном исполнении, а то, что уже поставлено не поток, не реализуется в массовом порядке, что обусловлено тем, что данный способ получения энергии еще не нашел широкого распространения среди пользователей.
  
  Стоимость выше рассмотренных установок составляет:
  - Модель «Liam F1», реализуется в странах Евросоюза и Америки, ее стоимость – от 4000,0 евро.
  - Данные о стоимости модели американской компании Fiddler отсутствуют, но в связи с ее комплектацией и подачей на рынке подобных устройств, можно с уверенностью говорить, что цена установки не ниже, у голландских разработчиков.
  Плюсы и минусы
  
  Простота и надежность ветровых генераторов, изготовленных с использованием ветровой турбины, не единственные достоинства этих агрегатов. Кроме этого, к плюсам применения ветровых турбин относятся:
  - Способность работать при малых потоках ветра, со скоростью от 2,0 м/с.
  - Высокая чувствительность по отношению к ветровым потокам.
  - Способность работать при сильных, ураганных скоростях воздушных потоков, до 60,0 м/с.
  - При одних и тех же габаритных размерах, ветровой генератор оснащенной турбиной, обладает большей мощностью и более высоким КПД, в сравнении с лопастными установками.
  - Турбина является безопасным техническим устройством для животного мира, обитающего в месте установки агрегата (птицы, летучие мыши).
  - При работе турбины не производится инфразвук, вредный для человека и животных.
  - Более низкая стоимость в сравнении с лопастными конструкциями.
  - Легкость выполнения монтажных работ, обусловленная сборкой основных элементов в заводских условиях.
  - Простота и удобство обслуживания.
  - Продолжительные сроки эксплуатации.
  Недостатками подобных устройств, являются:
  - Ветер, это атмосферное явление, которое не подвластно человеку, поэтому нельзя прогнозировать, на длительный период, силу его потока и направление движения;
  - В связи с переменчивостью силы ветрового потока, необходимо предусматривать значительные электрические емкости для накопления выработанной энергии;
  - Высокая стоимость комплекта оборудования;
  - Перед установкой ветровых установок большой мощности необходимо проводить расчет экономической целесообразности в увязке с картой ветров выбранного региона.
  Где купить
  
  Ветровой генератор, а соответственно и отдельно взятый элемент из этой установки, которым является ветровая турбина, это специфический товар. Поэтому лучше всего, при желании приобрести подобную технику, обратиться в компанию, которая специализируется на реализации именно подобных установок.
  
  Выбор подобной организации позволит избежать ошибок при подборе необходимой модели, к тому же, специалисты смогут оказать помощь с монтажом и последующим обслуживанием приобретаемого агрегата.
  
  Кроме этого, можно воспользоваться интернет ресурсами, где представлен широкий круг компаний, предлагающих к реализации товары именно в этом сегменте устройств, но это как правило продукция китайских производителей, к качеству которой много претензий. К тому же, приобретая сложную технику, каковой являются ветровые турбины, через интернет, отсутствует возможность вернуть не качественный товар и получить квалифицированную помощь.
  
  В силу того, что ветровую турбину, расположенную в замкнутом пространстве (цилиндре), изготовить самостоятельно достаточно сложно, этим занимаются профессиональные конструкторы и инженеры, то своими руками, из подручных средств, можно изготовить турбину для ветровой установки с вертикальной осью вращения.
  
  Для этого понадобятся следующие материалы:
  1. Труба из прочного пластика наибольшего диаметра, из того, что есть в наличии.
  2. Листовая фанера толщиной 10,0 — 12,0 мм;
  3. Саморезы по дереву;
  4. Металлическая шпилька диаметром 12,0 – 16,0 мм;
  5. Гайки и шайбы, соответствующие по диаметру имеющейся шпильке;
  6. Автомобильная ступица, в сборе с подшипником.
  и инструмент:
  1. Режущий инструмент: ножовка, «болгарка» с отрезными кругами, лобзик, нож;
  2. Шлифовальный инструмент: «болгарка» с зачистными кругами, напильники, наждачная бумага;
  3. Набор гаечных ключей и отверток;
  4. Шуруповерт.
  Конструкция, которая должна получится в результате проделанной работы, и схема ее работы, представлены на ниже приведенной схеме:

Работы выполняются следующим образом:
- Из имеющейся трубы изготавливается заготовка, для этого труба отрезается требуемой длины (около 1,0 метра), после чего разрезается вдоль, по своей оси. В результате получается 2-е равные по длине и длине дуги, половинки.
- Из фанеры, в соответствии с диаметром трубы, нарезаются два круга, после чего, по диаметру, они делятся на две части. В результате получается четыре заготовки в виде полукруга.
- Заготовки из фанеры устанавливаются во внутрь заготовок из трубы, в верхней и нижней части каждой из них. Крепление выполнятся с помощью саморезов. В результате получается два полубочонка.
- Полученные полубочонки соединяются между собой, с таким расчетом, чтобы они налегали один на другой. Кроме этого, в местах налегания, необходимо выбрать сегмент (на схеме не показано), для того, чтобы они, как бы вошли внутрь друг друга. Глубина выбираемого сегмента не менее 50,0 мм, длина может быть произвольной.
- Из фанеры вырезается 2 круга, диаметром 100,0 мм, которые, также с помощью заморезов закрепляются сверху и снизу соединяемых полубочонков. В результате получается жестко соединенная конструкция.
- В середине получаемого воображаемого круга, а это должна быть точка где выбраны сегменты (поверх закрепленных кругов из фанеры), делается отверстие, в соответствии с диаметром имеющейся шпильки. Отверстия делаются в верхней и нижней частях заготовок.
- В отверстия вставляется шпилька, которая посредством установки шайб и гаек, закрепляется в собираемой конструкции.
- Для имеющейся автомобильной ступицы, в соответствии с внутренним диаметром подшипника, и диаметром шпильки, изготавливается втулка. Втулка запрессовывается в подшипник, после чего на нее надевается шпилька, которая дополнительно закрепляется с помощью гаек.
Для полной готовности ветровой установки, на шпильку, ниже расположения ступицы, необходимо установить шкив, посредством которого вращательное движение с турбины будет передаваться на электрический генератор, и выполнить установку собранной турбины, в месте, выбранном для монтажа.

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:

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.


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

Преимущества вертикально-осевой ветряной турбины VAWT

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

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

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

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.

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.