Вятърната енергия се развива активно по целия свят и отдавна не е тайна, че това е една от най-обещаващите области на алтернативната енергия в момента. До средата на 2014 г. общият капацитет на всички инсталирани вятърни турбини в света беше 336 гигавата, а най-голямата и най-мощна вертикална трилопатна вятърна турбина Vestas-164 беше инсталирана и пусната в началото на 2014 г. в Дания. Мощността му достига 8 мегавата, а обхватът на перките е 164 метра.

Въпреки отдавна установената технология за производство на лопаткови турбини и вятърни турбини като цяло, много ентусиасти се стремят да подобрят технологията, да повишат нейната ефективност и да намалят негативните фактори.

Както е известно, коефициентът на енергийно използване на вятърния поток достига в най-добрия случай 30%, те са доста шумни и нарушават естествения топлинен баланс на близките райони, повишавайки температурата на приземния въздушен слой през нощта. Те също са много опасни за птиците и заемат значителни площи.

Какви алтернативи съществуват? Всъщност креативността на съвременните изобретатели не познава граници и алтернативни вариантимного са изобретени.

Нека да разгледаме 5 от най-необичайните и забележителни алтернативни дизайни на вятърни турбини в индустрията.

От 2010 г. американска компания Altaeros Energies, основана в Масачузетския изследователски институт, разработва ново поколение вятърни турбини. Новият тип вятърни генератори е проектиран да работи на надморска височина до 600 метра, която конвенционалните вятърни генератори просто не могат да достигнат. Именно на такава голяма надморска височина постоянно духат най-силните ветрове, които са 5-8 пъти по-силни от ветровете близо до повърхността на земята.

Генераторът е надуваема конструкция, подобна на напомпан с хелий дирижабъл, в който на хоризонтална ос е монтирана трилопатна турбина. Такъв ветрогенератор беше изстрелян през 2014 г. в Аляска на надморска височина от около 300 метра за тестване в продължение на 18 месеца.

Разработчиците твърдят, че тази технология ще произвежда електричество на цена от 18 цента за киловатчас, което е половината от обичайната цена на вятърната енергия в Аляска. В бъдеще такива генератори ще могат да заменят дизеловите електроцентрали, както и да намерят приложение в проблемни зони.

В бъдеще това устройство ще бъде не само електрогенератор, но и част от метеорологична станция и удобно средство за осигуряване на интернет в райони, далеч от съответната инфраструктура.

Веднъж инсталирана такава система не изисква присъствието на персонал, не заема голяма площ и е почти безшумна. Може да се управлява дистанционно и изисква поддръжка само веднъж на 1-1,5 години.

Друго интересно решение за създаване необичаен дизайнвятърна електроцентрала се внедрява в Обединените арабски емирства. Недалеч от Абу Даби се изгражда град Мадсар, където планират да построят доста необичайна вятърна електроцентрала, наречена от разработчиците „Windstalk“.

Основателят на нюйоркската дизайнерска компания Atelier DNA, която разработва дизайна на този проект, каза, че основната идея е била да се намери кинетичен модел в природата, който да служи за генериране на електричество, и такъв модел е намерен. 1203 стъбла от въглеродни влакна, всяко около 55 метра високо, с бетонни основи 20 метра ширина, ще бъдат монтирани на разстояние 10 метра един от друг.

Стъблата ще бъдат подсилени с гума и ще имат ширина около 30 см в основата и ще се стесняват на върха до 5 см. Всяко стъбло ще съдържа редуващи се слоеве от електроди и керамични дискове, направени от пиезоелектричен материал, който генерира електрически ток, когато е подложен на натиск.

Докато стъблата се люлеят от вятъра, дисковете ще се компресират, генерирайки електрически ток. Без шум от острието вятърни турбини, без жертви на птици, нищо освен вятъра.

Идеята възникна от наблюдението на тръстиките, които се люшкаха в блатото.

Проектът Windstalk на Atelier DNA зае второ място в състезанието Land Art Generator, спонсорирано от Madsar, за избор на най-доброто произведение на изкуството от международно поле на вписвания, което може да генерира енергия чрез възобновяеми източници.

Площта, заета от тази необичайна вятърна станция, ще обхваща 2,6 хектара, а мощността ще съответства на конвенционален вятърен генератор, заемащ подобна площ. Системата е ефективна поради липсата на загуби от триене, присъщи на традиционните механични системи.

В основата на всяко стъбло ще има генератор, който преобразува въртящия момент от стеблото с помощта на система от амортисьори и цилиндри, подобна на системата Levant Power, разработена в Кеймбридж, Масачузетс.

Тъй като вятърът не е постоянен, ще се използва система за съхранение на енергия, за да може натрупаната енергия да се използва дори когато няма вятър, обясняват служители, работещи по проекта.

На върха на всяко стъбло ще има LED лампа, чиято яркост ще зависи пряко от силата на вятъра и количеството генерирана електроенергия в момента.

Windstalk ще работи на хаотично люлеещо се движение, което позволява елементите да бъдат поставени много по-близо един до друг, отколкото е възможно с конвенционалните вятърни генератори с перки.

Подобен проект, Wavestalk, се разработва за преобразуване на енергията на океанските течения и вълни, където подобна система ще бъде с главата надолу под водата.

Проектът, разработен от Saphon Energy от Тунис, подобно на Windstalk, е вятърен генератор без лопатки, но този път устройството е с дизайн на платно.

Този безшумен генератор, оформен като сателитна чиния, се нарича Saphonian. Няма въртящи се части и е напълно безопасен за птиците. Екранът на генератора се движи напред-назад под въздействието на вятъра, създавайки вибрации в хидравличната система.

Целта на проекта е да се подобри работата на вятърните генератори по отношение на използването на вятърния поток. Вятърът буквално е впрегнат в платно, което се движи напред-назад под негово влияние, докато няма нито лопатки, нито ротор, нито зъбни колела. Това взаимодействие позволява повече кинетична енергия да бъде преобразувана в механична с помощта на бутала.

Енергията може да се съхранява в хидравлични акумулатори или да се преобразува в електричество чрез генератор или с негова помощ може да се завърти някакъв механизъм. Ако конвенционалните вятърни генератори имат ефективност от 30%, то този генератор с платна осигурява 80%. Ефективността му надвишава вятърните мелници с лопатки 2,3 пъти.

Поради липсата на скъпи компоненти, какъвто е случаят с вятърната турбина (лопатки, главини, скоростни кутии), в случая на Saphonian, разходите за оборудване са намалени с до 45%.

Аеродинамичната форма на Saphonian има предимството, че турбулентните вятърни течения имат малък ефект върху тялото на платното и аеродинамичната сила само се увеличава. Турбулентността е причината вятърните турбини да не се използват в градските райони, но Saphonian може да се използва и там. В допълнение, вредните акустични и вибрационни фактори са сведени до минимум. Saphon Energy получи награда от KPMG за усилията си в развитието на иновациите.

Друг много революционен подход към използването на вятърна енергия беше реализиран през 2008 г. от ентусиазиран изобретател от Калифорния. Големите вятърни турбини за малки градове са с размерите на 30-етажна сграда, а лопатките им достигат размера на крилата на Boeing 747.

Тези гигантски генератори със сигурност произвеждат много енергия, но производството, транспортирането и инсталирането на такива системи са сложни и скъпи. Въпреки това индустрията расте с повече от 40 процента всяка година. Точно това мислеше Дъг Селсам от Калифорния, преди да постави амбициозната си цел. Той реши, че е напълно възможно да се получи повече енергия с по-малко материали.

Като инсталира дузина или няколко дузини малки ротори на един вал, свързан към един генератор, Дъг в крайна сметка постигна целта си. Той свърза единия край на дългия вал към генератор и изстреля другия край във въздуха балонис хелий. Системата работеше според очакванията.

Дъг прочете в учебниците, че едновинтова турбина е достатъчна, за да постигне максимума, но Дъг имаше своите съмнения. Той мислеше различно: колкото повече ротори, толкова повече вятърна енергия може да се използва.

Ако всеки ротор е разположен под прав ъгъл, тогава всеки ротор ще получава свой собствен вятър и това ще увеличи ефективността на генерирането.

Разбира се, това усложнява физиката, защото сега трябваше да се уверим, че всеки ротор хваща собствения си поток, а не само потока от ротора, разположен до него. Беше необходимо да се установи оптималният ъгъл на вала спрямо вятъра и идеалното разстояние между роторите. И в крайна сметка печалбите бяха постигнати с по-малко материали.

През 2003 г. изобретателят получи безвъзмездна помощ от Калифорнийската енергийна комисия в размер на 75 000 долара за разработване на турбина със седем ротора с мощност 3000 вата. Предизвикателството беше успешно изпълнено и Дъг Селсам вече е продал повече от 20 от своите 2000-ватови двуроторни турбини на няколко собственици на жилища. Той построи тези устройства в своя крайградски гараж.

Идеята на Дъг беше една от малкото идеи, които всъщност имаха потенциала да станат големи в комерсиалния свят. Selsam казва, че двата ротора са само началото. Вероятно някой ден ще види своите многороторни турбини да се простират на една миля в небето.

Archimedes, чийто офис се намира в Ротердам, Холандия, излезе със собствена концепция за необичайни вятърни турбини, които могат да бъдат инсталирани директно върху покривите на жилищни сгради.

Според авторите на проекта, ефективният дизайн с нисък шум може напълно да осигури малка къщаелектричество и комплекс от такива генератори, работещи заедно с, е в състояние напълно да намали до нула зависимостта на голяма сграда от външни източници на електроенергия. Новите вятърни турбини се наричат ​​Liam F1.

Малка турбина, с диаметър 1,5 метра и тегло около 100 килограма, може да бъде монтирана на всяка стена или покрив на жилищна сграда. Обикновено височината на терасовите покриви е 10 метра, а вятърът в страната е почти винаги югозападен. Тези условия са достатъчни за правилното поставяне на турбината на покрива и ефективно използване на вятърната енергия.

Тук се решават два проблема на конвенционалните вятърни турбини: шумът на конвенционалните лопаткови турбини и високата цена за инсталиране на обемисто оборудване. При конвенционалните вятърни генератори разходите за монтаж често не се възстановяват. Нивото на шума на турбината Liam е около 45 dB, което е дори по-тихо от шума от дъжд (шумът от дъжд в гората е 50 dB).

Оформена като черупка на охлюв, турбината, подобно на ветропоказател, се върти на вятъра, улавя въздушния поток, намалява скоростта му и променя посоката. Директорът на компанията Маринус Миремета твърди, че ефективността на иновативната турбина достига 80% от максималната ефективност, теоретично налична във вятърната енергия. И това вече е напълно достатъчно.

В Холандия средното семейство консумира 3300 kWh електрическа енергия годишно. Според разработчиците половината от тази енергия може да бъде осигурена от една турбина Liam F1 при скорост на вятъра най-малко 4,5 m/s.

Можете да поставите три такива турбини на върховете на триъгълник на покрива на къща, тогава всяка от турбините ще бъде снабдена с вятър и те няма да си пречат една на друга, а по-скоро ще си помагат.

Ако ние говорим заотносно монтажа в град, където има турбулентни потоци, производителят предлага леко повдигане на вятърни генератори, инсталирани на градски покриви, монтиране на стълбове, така че стените на съседните къщи да не пречат на вятърните потоци.

Очакваната цена на новата турбина, включително монтажа, е 3999 евро. Тъй като устройството е по-голямо от един метър, може да се изисква специален лиценз за използването му, поради което в краен случай компанията произвежда и мини-турбини Liam с диаметър 0,75 метра.

Производителите планират да използват своите турбини не само за захранване на жилищни и промишлени сгради, но и за захранване на морски кораби.

Както можете да видите, производителите на вятърни генератори имат много интересни алтернативи.

Твърди се, че вятърната турбина Sheerwind на INVELOX произвежда шест пъти повече енергия от традиционните турбини. Тази технология не е нова в областта на динамиката на флуидите, но е нов начин за генериране на енергия – и ако се окаже успешна, ще даде мощен тласък за развитието на цялата вятърна енергийна индустрия.

Нека разгледаме по-отблизо принципа на неговото действие.

Енергийната компания SheerWind от Минесота, САЩ, обяви резултатите от тестването на следващото си поколение ветрогенератор Invelox. Компанията твърди, че по време на тестовете турбината е успяла да произведе шест пъти повече енергия, отколкото конвенционалните вятърни турбини в кула могат да генерират за същото време. В допълнение, разходите за производство на вятърна енергия с Invelox са по-ниски, така че те могат да се конкурират наравно с природния газ и водната енергия.

Invelox възприема нов подход към вятърната енергия, защото не разчита на високи скорости на вятъра. Турбината Invelox е способна да улавя вятър с всякаква скорост, дори лек бриз над земята. Уловеният вятър се движи през канала, като набира скорост по пътя. Получената кинетична енергия захранва генератор на земята. Чрез комбиниране на въздушния поток от върха на кулата може да се генерира повече мощност с по-малки лопатки на турбина и дори при най-слабите ветрове, казва SheerWind.

Тази забавна кула действа като комин, насочвайки вятъра от всяка посока надолу към наземния турбинен генератор. Чрез преминаване на вятъра през тесен канал, той всъщност създава ефект на реакция, който увеличава скоростта на потока - като същевременно намалява налягането му. Този процес има име - ефектът на Вентури и позволява турбината, разположена в най-тясната част на прохода, да се върти по-бързо.

Благодарение на това кулата може да генерира електричество дори при изключително ниски скорости на вятъра, което я отличава изключително благоприятно от сегашните технологии за вятърна енергия. Тази идея е толкова проста, елегантна и обещаваща, че може да бъде отговорът на много проблеми в тази обещаваща област на алтернативната енергия. В допълнение към по-ниската първоначална инвестиция и повишена мощности ефективност, той също така решава проблема с птиците и прилепите, които често умират във вятърните турбини (наистина сериозен проблем с тези устройства).

Що се отнася до твърденията за шест пъти по-голяма мощност, както и при много нови технологии, които обещават пробиви в производителността, това трябва да се разглежда с повишено внимание. Твърдението на SheerWind се основава на неговите собствени сравнителни тестове, чиято точна методология не е напълно ясна.

„Използвахме същия турбинен генератор Invelox и го монтирахме на кулата, както при традиционните вятърни мелници“, каза говорител на SheerWind. „Измерихме скоростта на вятъра и изходяща мощност. След това поставихме отново същата турбинна генераторна система, измерихме скоростта на свободния вятър, скоростта на вятъра вътре в INVELOX и мощността. След това измервахме скоростно-силовите качества за 5 до 15 дни (в зависимост от теста) и изчислявахме енергията в kW/h. Веднъж имаше шестстотин процента повече енергия. Средните резултати варират от 81 до 660 процента, като средната стойност е приблизително 314 процента повече енергия."

Invelox може да работи при скорост на вятъра от 1,5 км. Вятърната турбина Invelox струва само $750 долара за инсталация от 1 киловат. Производителят също така твърди, че експлоатационните разходи са значително по-ниски в сравнение с конвенционалните технологични турбини. Поради малкия си размер, системата се предполага, че е по-безопасна за птици и други диви животни, точно като предпазната турбина Ewicon. Системата също има възможност да свързва няколко турбини към един генератор, тоест да получава енергия от един и същ генератор.

Развитите страни отдавна разчитат на възобновяеми енергийни източници, включително вятърна енергия. В резултат на това общият капацитет на всички атомни електроцентрали, работещи в света, е малко повече от 400 хиляди MW, а общият капацитет на вятърните станции надхвърля 500 хиляди MW! Но в страните, където се обръща внимание на вятърната енергия, няма нито Газпром, нито RAO UES. Точно като да се закачиш за петролна игла... Но да не говорим за болезнените неща.

И така, в страните, свободни от всемогъществото на монополите и клановата система, преобладават витлови вятърни генератори с хоризонтална ос на въртене. Такива генератори изискват мощни опорни кули със скъпи основи, което увеличава периода на изплащане. В допълнение, такива устройства са мощни нискочестотни източници на шум. Витлото "вятърна мелница" се върти със скорост само 15-30 оборота в минута, а след скоростната кутия скоростта се увеличава до 1500, в резултат на което валът на генератора, който генерира електричество, се върти със същата скорост. Това класическа схемаима значителни недостатъци: скоростната кутия е сложен и скъп механизъм (до 20% от цената на целия вятърен генератор), изисква сезонна подмяна и се износва много бързо (виж).

Актуалност на развитието на вятърни турбини

Тези обстоятелства ограничават кръга от купувачи и ги принуждават да търсят алтернатива на традиционните вятърни генератори. Стомана за вятърни турбини с вертикална ос модерна тенденция. Те са безшумни и не изискват големи капиталови разходи, те са по-прости и по-евтини за поддръжка от хоризонталните аксиални турбини. Вятърните генератори с хоризонтална ос се прехвърлят в защитен режим (авторотация) при максимална скорост на вятъра, превишаването на което е изпълнено с разрушаване на конструкцията. В този режим витлото е изключено от мултипликатора и генератора и не се генерира електричество. И роторите с вертикална осизпитват значително по-ниски механични напрежения при същата скорост на вятъра в сравнение с роторите с хоризонтална ос. В допълнение, последните изискват скъпи системи за ориентиране на вятъра.

До съвсем скоро се смяташе, че за VAWT е невъзможно да се получи коефициент на скорост (отношението на макс. линейна скоростлопатки към скорост на вятъра) е по-голямо от единица. Тази твърде широко тълкувана предпоставка, вярна само за определени типове ротори, доведе до погрешното заключение, че максималното използване на вятърна енергия за вятърни турбини с вертикална ос е по-ниско, отколкото за витлови вятърни турбини с хоризонтална ос, поради което този тип Вятърната турбина съществува от почти 40 години и изобщо не е разработена. И едва през 60-те и 70-те години, първо от канадски, а след това американски и английски специалисти, беше експериментално доказано, че тези заключения не са приложими за ротори Darrieus, които използват повдигащата сила на лопатките. За тези ротори определеното максимално съотношение на линейната скорост на работните органи към скоростта на вятъра достига 6:1 и по-високо, а коефициентът на използване на вятърната енергия не е по-нисък от този на хоризонтално-аксиалните (витлови) ротори. Важна роля играе и фактът, че обемът на теоретичните изследвания на аеродинамиката на вертикално-аксиалните ротори и опитът от разработването и експлоатацията на вятърни генератори, базирани на тях, е много по-малък, отколкото при хоризонтално-аксиалните ротори.

Създадена е различна от останалите вятърна турбина с вертикална ос (международно обозначение VAWT), чиято ефективност на използване на вятърната енергия не отстъпва на най-добрите в света вятърни генератори с хоризонтална ос на въртене. Иновативен, многостранен подход към проектирането на вертикални вятърни генератори се основава, наред с други неща, на използването на ниско монтиран, издръжлив ротор, по периферията на който са прикрепени много платна.

Роторът е снабден с опорни подпори на колесно шаси, което му позволява да се върти около фиксирана ос със стабилна позиция върху основата поради колелата на шасито. Много платна и крила създават голям въртящ момент поради аеродинамичните сили. Какво прави този дизайн рекорден за плътност на мощността. Диаметърът на ротора може да бъде 10 метра. Освен това на такъв ротор е възможно да се монтират крила с площ над 200 квадратни метра, което ще позволи генерирането на до сто киловата електроенергия.

Размери и тегло на единиците

Освен това теглото на такива устройства е толкова малко, че може да се монтира на покривите на сгради и по този начин да им осигури автономно захранване. Или е възможно да се осигури електричество на обект в планината, където няма електропровод. Увеличаването на мощността до произволно голяма стойност е постижимо чрез репликиране на такива единици. Тоест, монтирайки много подобни инсталации, ние постигаме необходимата мощност.

Техническа ефективност

Що се отнася до техническата ефективност. Нашият прототип, с височина на перката 800 mm и напречен размер 800 mm, при скорост на вятъра 11 m/s, разви механична мощност от 225 W (при 75 rpm). В същото време той стоеше на височина по-малко от метър от повърхността на земята. Според ресурса http://www.rktp-trade.ru, сравнима мощност (300 W) се развива от вертикална вятърна турбина с пет лопатки, монтирана на шестметрова мачта, и има пет лопатки от 1200 mm, монтирани на общ диаметър 2000 мм. Тоест, ако вземем равни пометени от вятъра площи на сравняваните вятърни мелници, се оказва, че прототипът е 2,5...3 пъти по-енергийно ефективен от известната вятърна мелница, като вземем предвид факта, че вятърът близо до земята е по-слаба поради близостта си до граничната повърхност и има изразен турбулентен характер.

Въз основа на това, знаейки, че описаният аналог има коефициент на използване на вятърната енергия (WEC), равен на 0,2, можем да оценим WEC на прототипа като 0,48, което е много по-високо от това на VAWT от типа Savonius и Daria и съответства на световните най-добрите образци на вятърни генератори с хоризонтална ос. В същото време консумацията на материали и цената на прототипа са много по-ниски от тези на монтирани на витло вятърни турбини, които имат механизми за ориентиране на вятъра и високо монтирана гондола със скъп планетарен тип скоростна кутия.

Сравнителна оценка на ефективността на роторите на вятърни турбини различни видове - Маса 1.

Предимства на вятърната турбина с вертикална ос VAWT

• Устройството се върти в една и съща посока при всяка посока на вятъра. Докато гондолите на хоризонталните вятърни генератори трябва да бъдат ориентирани към вятъра, което оскъпява дизайна и намалява експлоатационния живот на подвижните части на въртящия се механизъм.
• Производството на електроенергия в VAWT започва при скорост на вятъра от 5 m/s.
• Турбината има високо аеродинамично качество на лопатките и иновативна архитектура, което й позволява да постигне ефективност на вятърна енергия от най-малко 47%.
• Турбината не изисква поддръжка на генератор (пръстеновиден плосък линеен без четки и лагери).
• Увеличаването на мощността се постига чрез инсталиране на допълнителни модули.
• VAWT няма ограничения при инсталиране в близост до жилища и не създава неприемливо електромагнитно и акустично излъчване. Това позволява турбините да бъдат монтирани вътре селища, включително и на покриви многоетажни сградибез да навреди на пейзажа.
• VAWT е абсолютно безвреден и може да се монтира по миграционните пътища на мигриращите птици.
• Турбината е устойчива на силен вятър и издържа дори ураганен вятър. Това се постига чрез механизъм за автоматична промяна на ъглите на атака на вертикалните турбинни лопатки (фигурите са показани по-горе).
• VAWT има леки и прости компоненти, които са лесни за транспортиране и инсталиране.
• Турбината е защитена от мълния.

Към днешна дата е завършен пълноразмерен 3-D модел на механичната част на турбината (с височина на вертикалните лопатки 8 м), както и работни чертежи на частите и възлите на ротора и неговия ротационен блок са завършени. Чертежите за електрическия генератор и лопатките са разработени, като се вземе предвид максималното съответствие с критерия „цена - качество“.

Проектът включва проектиране, производство и тестване на проба VAWT в пълен размер (височина на вертикалната лопатка 8 м). След което се предвижда организиране промишлено производствотакива инсталации след отстраняване на грешки в пилотния модел, като такива инсталации се инсталират в неелектрифицирани райони в селските райони и сгради в градовете.

Областите на приложение на иновативния ветрогенератор по принцип са същите като тези на аналозите му. Тоест, това е производството на електроенергия на места, където няма стационарни източници, както и където използването на други методи за производство на електроенергия не е икономически изгодно. По-специално, това са обекти със специално предназначение, които изискват автономно захранване, например маяци и радиомаяци, гранични постове и гранични постове, автоматизирани метеорологични и аеронавигационни постове.

Постоянното изчерпване на природните ресурси води до напоследъкчовечеството е заето в търсене на алтернативни източници на енергия. Днес са известни доста голям брой видове алтернативна енергия, една от които е използването на вятърна енергия.

Вятърната енергия се използва от хората от древни времена, например при работата на вятърни мелници. Първият вятърен генератор (вятърна турбина), който се използва за производство на електричество, е построен в Дания през 1890 г. Такива устройства започват да се използват в случаите, когато е необходимо да се осигури електричество в труднодостъпна зона.

Принцип на работа на вятърния генератор:

• Вятърът върти колело с лопатки, което предава въртящия момент към вала на генератора чрез скоростна кутия.
• Инверторът изпълнява задачата да преобразува получения постоянен електрически ток в променлив ток.
• Батерията е предназначена да подава напрежение към мрежата при липса на вятър.

Мощността на вятърната турбина е в пряка зависимост от диаметъра на вятърното колело, височината на мачтата и силата на вятъра. В момента вятърните генератори се произвеждат с диаметър на лопатките от 0,75 до 60 m или повече. Най-малката от всички съвременни вятърни турбини е G-60. Диаметърът на ротора, който е с пет лопатки, е само 0,75 m при скорост на вятъра 3-10 m/s, той може да генерира мощност от 60 W; Тази инсталация се използва успешно за осветление, зареждане на батерии и работа на комуникационно оборудване.

Всички вятърни генератори могат да бъдат класифицирани според няколко принципа:

• Оси на въртене.
• Брой остриета.
• Материалът, от който са направени остриетата.
• Стъпка на винта.

Класификация по ос на въртене:

• Хоризонтална.
• Вертикална.

Най-популярни са хоризонталните вятърни генератори, чиято ос на въртене е успоредна на земята. Този тип се нарича "вятърна мелница", чиито остриета се въртят срещу вятъра. Конструкцията на хоризонталните вятърни генератори осигурява автоматично завъртане на главата (в търсене на вятър), както и завъртане на лопатките за използване на вятър с ниска мощност.

Вертикалните вятърни турбини са много по-малко ефективни. Лопатките на такава турбина се въртят успоредно на повърхността на земята във всяка посока и сила на вятъра. Тъй като във всяка посока на вятъра половината от перките на вятърното колело винаги се въртят срещу него, вятърната мелница губи половината от мощността си, което значително намалява енергийната ефективност на инсталацията. Въпреки това, този тип вятърна турбина е по-лесна за инсталиране и поддръжка, тъй като нейната скоростна кутия и генератор са разположени на земята. Недостатъците на вертикалния генератор са: скъпа инсталация, значителни експлоатационни разходи, както и фактът, че инсталирането на такава вятърна турбина изисква много място.

Вятърни генератори хоризонтален типпо-подходящ за производство на електроенергия в индустриален мащаб, те се използват в случай на създаване на система от вятърни електроцентрали. Вертикалните често се използват за нуждите на малки частни ферми.

Класификация по брой остриета:

• Двулопатен.
• Трилопатен.
• Много остриета (50 или повече остриета).

Въз основа на броя на лопатките всички инсталации са разделени на дву- и три- и многолопаткови (50 или повече лопатки). За да се генерира необходимото количество електроенергия, не е необходим фактът на въртене, а достигане на необходимия брой обороти.

Всяка перка (допълнителна) увеличава общото съпротивление на вятърното колело, което затруднява достигането на работната скорост на генератора. По този начин инсталациите с много лопатки наистина започват да се въртят при по-ниски скорости на вятъра, но те се използват в случаите, когато самият факт на въртене има значение, като например при изпомпване на вода. Вятърните генератори с голям брой лопатки практически не се използват за производство на електроенергия. Освен това не се препоръчва да се монтира скоростна кутия върху тях, защото това усложнява дизайна и го прави по-малко надежден.

Класификация според материала на острието:

• Вятърни генератори с твърди лопатки.
• Ветроходни вятърни генератори.

Трябва да се отбележи, че перките на платната са много по-лесни за производство и следователно по-евтини от твърдия метал или фибростъкло. Такива спестявания обаче могат да доведат до неочаквани разходи. Ако диаметърът на вятърното колело е 3 m, тогава при скорост на генератора 400-600 rpm върхът на перката достига скорост от 500 km/h. Като се има предвид факта, че въздухът съдържа пясък и прах, този факт е сериозен тест дори за твърди остриета, които при стабилни условия на работа изискват ежегодна подмяна на антикорозионния филм, положен върху краищата на остриетата. Ако не актуализирате антикорозионния филм, твърдото острие постепенно ще започне да губи характеристиките си на работа.

Лопатките тип платна изискват подмяна не веднъж годишно, а веднага след появата на първия сериозен вятър. Следователно автономното електрозахранване, което изисква значителна надеждност на компонентите на системата, не отчита използването на лопатки тип платно.

Класификация по стъпка на витлото:

• Фиксирана стъпка на витлото.
• Променлива стъпка на витлото.

Разбира се, променливата стъпка на витлото увеличава обхвата на ефективните работни скорости на вятърния генератор. Въвеждането на този механизъм обаче води до усложняване на дизайна на лопатките, увеличаване на теглото на вятърното колело и също така намалява общата надеждност на вятърната турбина. Последицата от това е необходимостта от укрепване на конструкцията, което води до значително увеличение на цената на системата не само по време на придобиване, но и по време на експлоатация.

Съвременните вятърни генератори са високотехнологични продукти, чиято мощност варира от 100 до 6 MW. Вятърните турбини с новаторски дизайн дават възможност за рентабилно използване на енергията на най-слабия вятър – от 2 m/s. С помощта на вятърни генератори днес е възможно успешно да се решат проблемите с електрозахранването на островни или местни съоръжения с всякакъв капацитет.

Вятърни турбини

Видове вятърни турбини. Нови дизайни и технически решения

Вятърната енергия удивлява със своето разнообразие и необичаен дизайнпроекти на вятърни генератори. Съществуващите проекти на вятърни генератори, както и предложените проекти, поставят вятърната енергия извън конкуренцията по отношение на оригиналността на техническите решения в сравнение с всички други мини-енергийни комплекси, работещи с възобновяеми енергийни източници.

Понастоящем има много различни концептуални проекти на вятърни генератори, които могат да бъдат разделени на два основни типа въз основа на вида на вятърните колела (ротори, турбини, витла). Това са вятърни турбини с хоризонтална ос на въртене (лопаткови) и с вертикална ос (ротационни, т.нар. H-образни турбини).

Вятърни турбини с хоризонтална ос на въртене

Вятърни турбини с хоризонтална ос на въртене. При вятърни мелници с хоризонтална ос на въртене валът на ротора и генераторът са разположени отгоре и системата трябва да бъде насочена към вятъра. Малките вятърни турбини се управляват с помощта на системи за вятърни лопатки, докато по-големите (промишлени) инсталации имат сензори за вятър и серво, които обръщат оста на въртене във вятъра. Повечето промишлени вятърни турбини са оборудвани със скоростни кутии, които позволяват на системата да се настрои към текущата скорост на вятъра. Поради факта, че мачтата създава турбулентни потоци зад себе си, вятърното колело обикновено е ориентирано в посока срещу въздушния поток. Лопатките на вятърното колело са направени достатъчно здрави, за да предотвратят контакта им с мачтата при силни пориви на вятъра. Вятърните турбини от този тип не изискват инсталиране на допълнителни механизми за ориентиране на вятъра.

Вятърно колело с хоризонтална ос

Вятърното колело може да бъде направено с различен брой лопатки: от вятърни генератори с една лопатка с противотежести до многолопатни (с брой лопатки до 50 или повече). Вятърни колела с хоризонтална осРотациите понякога се извършват във фиксирана посока, т.е. не могат да се въртят около вертикална ос, перпендикулярна на посоката на вятъра. Този тип вятърни генератори се използват само когато има една доминираща посока на вятъра. В повечето случаи системата, на която е закрепено вятърното колело (т.нар. глава) е ротационна, ориентирана по посока на вятъра. Малките вятърни генератори използват опашни перки за тази цел, докато големите използват електроника за контрол на ориентацията.

За да се ограничи скоростта на въртене на вятърното колело при висока скорост на вятъра, се използват редица методи, включително инсталиране на лопатките в пернато положение, използване на клапани, които стоят на лопатките или се въртят с тях и т.н. Остриетата могат да бъдат директно фиксиран към вала на генератора, или въртящ момент може да се предава от неговия ръб през вторичния вал към генератор или друга работна машина.

Текуща височина на мачтата индустриален вятърен генераторварира в диапазона от 60 до 90 m, прави 10-20 оборота в минута. Някои системи имат превключваема скоростна кутия, която позволява на вятърното колело да се върти по-бързо или по-бавно в зависимост от скоростта на вятъра, като същевременно поддържа генерирането на енергия. Всички съвременни вятърни генератори са оборудвани с възможна система за автоматично спиране в случай на твърде много силни ветрове.

Основните предимства на хоризонталната ос са следните: променлива стъпка на турбинните лопатки, позволяваща максимално използване на вятърната енергия в зависимост от атмосферните условия; висока мачта ви позволява да „достигнете“ по-силни ветрове; висока ефективност поради посоката на вятърното колело перпендикулярно на вятъра.

В същото време хоризонталната ос има редица недостатъци. Сред тях са високи мачти с височина до 90 м и дълги лопатки, които са трудни за транспортиране, масивността на мачтата, необходимостта от насочване на оста към вятъра и др.

Вятърни двигатели с вертикална ос на въртене. Основното предимство на такава система е, че няма нужда да насочвате оста към вятъра, тъй като вятърната турбина използва вятър, идващ от всяка посока. В допълнение, дизайнът е опростен и жироскопичните натоварвания са намалени, причинявайки допълнително напрежение в лопатките, зъбните колела и други елементи на инсталации с хоризонтална ос на въртене. Такива инсталации са особено ефективни в райони с променливи ветрове. Вертикално-аксиалните турбини работят при ниски скорости на вятъра и всяка посока на вятъра без ориентация спрямо вятъра, но имат ниска ефективност.

Автор на идеята за създаване на турбина с вертикална ос на въртене (Н-образна турбина) е френският инженер Жорж Жан Мари Дариус (Jean Marie Darier). Този тип ветрогенератор е патентован през 1931 г. За разлика от турбините с хоризонтална ос, H-образните турбини „улавят“ вятъра, когато променя посоката си, без да променят позицията на самия ротор. Следователно вятърните генератори от този тип нямат „опашка“ и приличат на варел. Роторът има вертикална ос на въртене и се състои от две до четири извити лопатки.

Лопатките образуват пространствена структура, която се върти под действието на повдигащи сили, възникващи върху лопатките от вятърния поток. В ротора Daria коефициентът на използване на вятърната енергия достига стойности от 0,300,35. Наскоро беше извършена разработка на ротационен двигател Darrieus с прави лопатки. Сега вятърният генератор Darrieus може да се счита за основен конкурент на лопатковите вятърни генератори.

Инсталацията има доста висока ефективност, но създава сериозни натоварвания на мачтата. Системата има и голям стартов въртящ момент, който трудно се генерира от вятъра. Най-често това става чрез външно въздействие.

Друг вид вятърно колело е роторът на Савониус, създаден от финландския инженер Сигурт Савониус през 1922 г. Въртящият момент възниква, когато въздухът тече около ротора поради различно съпротивление на изпъкналата и вдлъбната част на ротора. Колелото е просто, но има много нисък коефициент на използване на вятърната енергия - само 0,1-0,15.

Основното предимство на вертикалните вятърни генератори е, че те не се нуждаят от механизъм за ориентиране на вятъра. Техният генератор и други механизми са разположени на малка височина близо до основата. Всичко това значително опростява дизайна. Работните елементи са разположени близо до земята, което ги прави по-лесни за поддръжка. Ниската минимална работна скорост на вятъра (2-2,5 m/s) произвежда по-малко шум.

Въпреки това, сериозен недостатък на тези вятърни турбини е значителна промяна в условията на обтичане на крилото по време на едно завъртане на ротора, което се повтаря циклично по време на работа. Поради загубите при въртене срещу въздушния поток, повечето вятърни турбини с вертикална ос на въртене са почти наполовина по-ефективни от тези с хоризонтална ос.

Търсенето на нови решения във вятърната енергия продължава и вече има оригинални изобретения, например турбоветрило. Вятърният генератор е монтиран под формата на дълга вертикална тръба с височина 100 m, в която поради температурния градиент между краищата на тръбата възниква мощен въздушен поток. Самият електрически генератор, заедно с турбината, се предлага да се монтира в тръба, в резултат на което въздушният поток ще осигури въртене на турбината. Както показва практиката на работа на такива вятърни генератори, след завъртане на турбината и специално нагряване на въздуха в долния край на тръбата, дори при тих вятър (и спокоен), в тръбата се установява силен и стабилен въздушен поток. . Това прави такива вятърни турбини обещаващи, но само в необитаеми райони (при работа такава инсталация засмуква не само малки предмети, но и големи животни в тръбата). Тези инсталации са оградени със специална защитна мрежа, а системата за управление е разположена на достатъчно разстояние.

Турбоветрило

Експертите работят върху създаването на специално устройство за уплътняване на вятъра - дифузьор (компактор на вятърна енергия). За една година вятърна турбина от този тип успява да „хване” 4-5 пъти повече енергия от конвенционалната. Високата скорост на въртене на вятърното колело се постига с помощта на дифузьор. В тясната му част въздушният поток е особено бърз, дори и при относително слаб вятър.

Вятърен генератор с дифузьор

Както е известно, скоростта на вятъра се увеличава с височината, което създава повече изгодни условияза използване на вятърни генератори. Хвърчилата са изобретени в Китай преди около 2300 години. Идеята за използване на хвърчило за повдигане на вятърен генератор на височина постепенно се реализира.

Швейцарските дизайнери от компанията Etra представиха нов дизайн на надуваеми хвърчила, които могат да вдигат до 100 кг с тегло на крилото 2,5 кг. Те могат да се използват за монтаж на морски плавателни съдове и повдигане на вятърни турбини на големи височини (до 4 км). През 2008 г. подобна система беше тествана по време на пътуването на контейнерния кораб Beluga SkySails от Германия до Венецуела (спестяването на гориво възлиза на над 1000 долара на ден).

Например в Хамбург компанията Beluga Shipping инсталира такава система на дизеловия кораб за насипни товари Beluga SkySails. Хвърчило под формата на парапланер с размери 160 м2 се издига във въздуха на височина до 300 м благодарение на повдигащата сила на вятъра. Парапланерът е разделен на отделения, в които по команда от компютър се подава въздух през еластични тръби. сгъстен въздух. Компанията Beluga SkySails планира да оборудва около 400 товарни кораба с такава система до 2013 г.

Вятърни глави "Windcatcher"

Конструкцията на вятърната глава “Ветролов” има интересно решение. Въртящият се корпус на генератора е доста дълъг (около 0,5 м), в средната част (в интервала от фланеца на генератора до лопатките) има механизъм за сгъване на лопатките. Според принципа на действие той е подобен на механизма за отваряне на автоматичен чадър, а остриетата наподобяват крилото на делтапланер. За да се гарантира, че остриетата не опират едно в друго по време на сгъване, техните закрепващи оси са леко изместени. Четири остриета (през едно) отиват навътре и четири излизат навън. След сгъване повърхността на съпротивлението на вятърната мелница се намалява почти четири пъти, а коеф аеродинамично съпротивление- почти две.

В горната част на опората на вятърната мелница е монтиран „иго“ с вертикална ос на въртене. В единия край има вятърен генератор, в другия има противотежест. При слаб вятър вятърният генератор се повдига над горното ниво на опората с помощта на противотежест, а оста на вятърната турбина е хоризонтална. С увеличаването на вятъра натискът върху вятърното колело се увеличава и то започва да пада, завъртайки се около хоризонтална ос. Ето как работи друга система за „бягство“ от силен вятър. Конструкцията позволява кобилиците да бъдат удължени, така че вятърните генератори да се монтират един зад друг. Оказва се един вид гирлянд от еднакви модули, които при слаби ветрове стоят един над друг, а при силен вятър се спускат надолу, „скривайки се“ в „сянката на вятъра“ на вятърното колело. Това включва и способността на системата да се адаптира към външно натоварване.

Вятърен генератор Eolic

Дизайнерите Marcos Madia, Sergio Oashi и Juan Manuel Pantano са разработили преносимия вятърен генератор Eolic. За производството на устройството са използвани само материали от алуминий и въглеродни влакна. Когато е сглобена, турбината Eolic има дължина около 170 см. За да приведете Eolic от сгънато състояние, ще са необходими 2-3 души и този процес ще отнеме 15-20 минути. Този вятърен генератор може да се сгъва за носене.

Дизайнерски вятърен генератор Revolution Air

Днес има много дизайнерски проекти и разработки. Така френският дизайнер Филип Старк създава вятърния генератор Revolution Air. Проектът за вятърна мелница се нарича „Демократична екология“.

Вятърен генератор Energy Ball

Международна група от дизайнери и инженери Home-energy представи своя продукт - ветрогенератор Energy Ball. Основната характеристика на новия продукт е разположението на лопатките върху него като сфера. Всички те са свързани към ротора в двата края. Когато вятърът преминава през тях, той духа успоредно на ротора, което увеличава ефективността на генератора. Energy Ball може да работи дори при много ниски скорости на вятъра и произвежда много по-малко шум от конвенционалните вятърни турбини.

Третяков вятърен генератор

Уникална вятърна турбина е създадена от дизайнери от Самара. Когато се използва в градска среда, той е по-евтин, по-икономичен и по-мощен от европейските си аналози. Вятърният генератор на Третяков е въздухозаборник, който улавя дори относително слаби въздушни потоци. Новият продукт започва да генерира полезна енергия вече със скорост от 1,4 m/s. Освен това не е необходим скъп монтаж: инсталацията може да се монтира на сграда, мачта, мост и др. Има височина 1 м и дължина 1,4 м. Ефективността е постоянна - около 52%. Мощността на индустриалното устройство е 5 kW. На разстояние 2 m шумът от вятърната централа е под 20 dB (за сравнение шумът от вентилатора е от 30 до 50 dB).

Американската компания Wind Tronics от Мичиган разработи компактна вятърна турбина за използване в частни домакинства. Разработчикът на технологията е Wind Tronics, а производственият гигант Honeywell започна да произвежда вятърни турбини. Дизайнът включва нулева вреда за околната среда.

Тази инсталация използва работно колело на турбина Blade Tip Power System (BTPS), което позволява на вятърния генератор да работи в много по-широк диапазон от скорости на вятъра, като същевременно намалява механичното съпротивление и теглото на турбината. Wind Tronics започва да се върти при скорост на вятъра от само 0,45 m/s и работи до скорост от 20,1 m/s! Изчисленията показват, че такава турбина генерира електричество средно с 50% по-често и по-дълго от традиционните вятърни генератори. Между другото, автоматиката с постоянно свързан към нея анемометър следи скоростта и посоката на вятъра. Когато се достигне максималната работна скорост, турбината просто се обръща към вятъра с обтекаема страна. Автоматиката на системата незабавно реагира на леден дъжд, който може да причини заледяване. Технологията вече е патентована в повече от 120 страни.

Интересът към малки вятърни турбини нараства по целия свят. Много от компаниите, работещи за решаването на този проблем, са постигнали доста успех в създаването на свои собствени оригинални решения.

Компанията Optiwind произвежда оригинални вятърни турбини Optiwind 300 (300 kW, цена – 75 хиляди евро) и Optiwind 150 (150 kW, цена – 35 хиляди евро). Предназначени са за колективно енергоспестяване в села и ферми (фиг. 12). Основната идея е да се събира вятърна енергия с помощта на подредени структури от няколко турбини на прилична височина. Optiwind 300 е оборудван с 61-метрова кула, ускорителната платформа е с диаметър 13 м, а диаметърът на всяка турбина е 6,5 м.

Дизайнът на турбината GEDAYC има необичаен външен вид (фиг. 13). Ниското тегло позволява на турбината ефективно да върти електрическия генератор при скорост на вятъра 6 m/s. Новият дизайн на острието използва принцип, подобен на "системата" хвърчило. Турбините GEDAYC вече са инсталирани на три вятърни турбини с мощност 500 kW, които доставят енергия на мините. Инсталирането на турбините GEDAYC и тяхната пробна експлоатация показаха, че благодарение на нов дизайнтурбините са по-леки, по-удобни за транспортиране и по-лесни за поддръжка.

Earth Tronics разработи нов тип „домашни“ вятърни турбини от Honeywell. Системата дава възможност да се генерира електричество на върховете на лопатките, а не по оста (както е известно, скоростта на въртене на върховете на лопатките е много по-висока от скоростта на въртене на оста). По този начин турбината на Honeywell не използва скоростна кутия и генератор, както при конвенционалните вятърни генератори, което опростява дизайна, намалява теглото й и прага на скоростта на вятъра, при който вятърният генератор започва да произвежда електричество.

В Китай е създаден пилотен проект на вятърен генератор с магнитна левитация. Магнитното окачване позволи да се намали началната скорост на вятъра до 1,5 m/s и съответно да се увеличи общата мощност на генератора през годината с 20%, което трябва да намали цената на генерираната електроенергия.

Базираната в Аризона Maglev Wind Turbine Technologies възнамерява да произвежда вятърни турбини с вертикална ос Maglev Turbine с максимален капацитет от 1 GW. Този екзотичен модел вятърна турбина прилича на висока сграда, но е малък спрямо мощността си. Една турбина Maglev може да осигури енергия на 750 хиляди домове и покрива площ (включително забранената зона) от около 40 хектара. Тази турбина е изобретена от изобретателя Ед Мазур, основател на MWTT. Турбината Maglev се носи на магнитна левитация. Главни компоненти нова инсталацияразположени на нивото на земята, те са по-лесни за поддръжка. На теория новата турбина работи нормално както при изключително слаб вятър, така и при много силен (над 40 м/с). Компанията възнамерява да открие научни и образователни центрове в близост до турбините си.

При изучаване на творческото наследство на брилянтния руски инженер Владимир Шухов (1853-1939), специалисти от Инбитек-ТИ ООД обърнаха внимание на неговите идеи за използване на стоманени прътови хиперболоиди в архитектурата и строителството.

Хиперболоидна вятърна турбина

Потенциалът на такива структури днес не е напълно проучен или проучен. Известно е също, че Шухов нарича работата си с хиперболоиди „изследване“. Въз основа на неговите идеи се появи разработката на роторни вятърни генератори с напълно нов дизайн. Този дизайн ще направи възможно генерирането на електричество дори при много ниски скорости на вятъра. За да се започне от покой, е необходима скорост на вятъра 1,4 m/s. Това се постига чрез използване на ефекта на левитация на ротора на вятърния генератор. Вятърен генератор от този тип може да започне да работи дори при издигащи се въздушни течения, което обикновено се случва в близост до река, езеро или блато.

Мобилна вятърна турбина

Друг интересен проект - вятърният генератор Mobile Wind Turbine - е разработен от дизайнерите на студиото Pope Design (фиг. 17). Това е мобилен вятърен генератор, разположен в основата камион. За да управлявате мобилната вятърна турбина, е необходим само оператор-шофьор. Този вятърен генератор може да се използва в зони на природни бедствия, по време на аварийна реакция и при възстановяване на инфраструктура.

Сегашното състояние на вятърната енергия, предлаганите дизайни и технически решения на вятърни генератори и „вятърни уплътнители“ правят възможно създаването на мини вятърни електроцентрали за частна употреба почти навсякъде. Прагът на скоростта за стартиране на вятърен генератор е значително намален благодарение на техническите разработки; показателите за тегло и размери на вятърните турбини също намаляват. Това ви позволява да управлявате вятърни електроцентрали в „домашни“ условия.

Видове вятърни турбини

Минералите, извлечени от дълбините на земята и използвани от човечеството като енергийни ресурси, за съжаление не са неограничени. Всяка година тяхната стойност се увеличава, което се обяснява с намаляване на нивата на производство. Алтернативен и нарастващ вариант за доставка на енергия е вятърни електроцентрализа дома. Те ви позволяват да преобразувате вятърната енергия в променлив ток , което дава възможност да се осигурят всички електрически нужди на всеки домакински уред. Основното предимство на такива генератори е тяхната абсолютна екологичност, както и безплатното използване на електроенергия за неограничен брой години. Какви други предимства има вятърният генератор за дома, както и характеристиките на неговата работа, ще бъдат обсъдени допълнително.

Дори древните хора са забелязали, че вятърът може да бъде отличен помощник при извършването на много работи. Вятърни мелници, които направиха възможно превръщането на зърното в брашно, без да изразходват собствена енергия, станаха основатели на първите вятърни генератори.

Вятърните електроцентрали се състоят от няколко генератора, способни да приемат, преобразуват и съхраняват вятърна енергия в променлив ток. Те могат лесно да осигурят цяла къща с електричество, което идва от нищото.