Крыльчатые ветрогенераторы. Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы
В этой статье мы постараемся дать ответ на вопрос читателям портала сайт- что же такое ветрогенератор, в чем заключается его работа и отличия.
Ветрогенератор – это техническое устройство, посредством которого кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую энергию, для использования потребителями.
В соответствии с нижеприведенной схемой, принцип работы ветрового генератора можно описать следующим образом:
Ветрогенераторы различаются по конструкции, способу установки и монтажа, и у каждого вида есть свои достоинства и недостатки, они бывают:
С горизонтальной осью вращения
Ось ротора и ведущая ось расположены параллельно поверхности земли.
Бывают однолопастные (№1), двухлопастные (№2), трехлопастные (№3) и многолопастные (№4), с количеством до 50 штук.
Достоинства данного вида:
- Высокий КПД;
Недостатки:
- Необходимость в ориентации по направлению воздушных потоков;
- Необходимость монтажа высокой конструкции для установки устройства, причем, чем выше мощность агрегата, тем выше должна быть конструкция (мачта);
- Необходимость устройства фундамента для монтажа мачты, что приводит к удорожанию монтажных работ;
- Высокий уровень шума в процессе эксплуатации;
- Потенциальная опасность для птиц и иных летающих организмов.
С вертикальной осью вращения
Ось вращения расположена вертикально по отношению к поверхности земли.
Данный вид устройств можно разбить на несколько групп, это:
Данная конструкция состоит из нескольких полуцилиндров. При этом ось постоянно вращается, вне зависимости от потоков ветра и их интенсивности.
Достоинства конструкции:
- Высокая технологичность конструкции;
- Значительный пусковой крутящий момент;
- Способность работать при малых воздушных потоках.
Недостатки:
- Низкая эффективность работы лопастей;
- Значительная потребность в материалах при изготовлении.
В данной конструкции, на оси вращения закреплены несколько лопастей, представляющих из себя плоскую полосу. На схеме приведены следующие виды данного типа устройств:
1 – классический вариант ротора Дарье.
2 – ротор Дарье тина Н (ортогональным ротором).
3 – винтообразный ротор Дарье (с гелиокоидным ротором).
Достоинства конструкции:
- Нет необходимости в ориентации на воздушные потоки;
- Простота изготовления лопастей;
- Простота и удобный способ обслуживания.
Недостатки:
- Низкий КПД установок;
- Непродолжительные межремонтные циклы опорных узлов и элементов конструкции;
- Имеют слабую способность к самозапуску, при наличии двух лопастей, при равномерных потоках ветра.
С геликоидный ротором
Является модификацией устройств с ротором Дарье. На выше приведенной схеме — №3.
Достоинства конструкции:
- Более продолжительные сроки эксплуатации, в сравнении с классическим вариантом ротора Дарье;
Недостатки:
- Более высокая стоимость в сравнении с классическим вариантом;
- Более трудоемкий и сложный процесс изготовления лопастей.
Является модификацией устройств с ротором Савоуниса. В данной конструкции присутствуют два ряда лопастей. Первый ряд - неподвижный, он захватывает воздушный поток и сжимает его, в связи с чем скорость воздушного потока увеличивается. После этого поток воздуха поступает на второй ряд, работающий по принципу ротора Савоуниса.
Достоинства конструкции:
- Высокая эффективность в работе;
- Способность работать при малых потоках ветра.
Недостатки:
- Высокая стоимость.
Данная конструкция является основой выше приведенных - ось вращения располагается
вертикально, к ней прикреплены несколько лопастей, расположенных параллельно оси и удаленных от нее на определенное расстояние.
На выше приведенной схеме это №2 – ротор Дарье тина Н.
Достоинствами конструкции:
- Отсутствие механизмов ориентации по ветровым потокам;
- Простота в эксплуатации и обслуживании.
Недостатки:
- Непродолжительные межремонтные циклы опорных узлов и элементов конструкции.
Работающие на водяных каплях
Эта конструкция еще промышленно не производится. В ее состав входит металлическая 
рама, внутри контура которой, горизонтально размещены изолированные трубки. В каждой трубке имеются специальные сопла и электроды. Принцип действия основан на генерировании и накоплении энергии с помощью капель воды, которые выходят из специальных сопел.
Капли воды положительно заряжены, и под воздействием ветровых потоков они сносятся к положительно заряженным электродам. Это приводит к увеличению потенциальной энергии положительно заряженной капли. Электроэнергия получается, когда капли воды попадают на положительно заряженный электрод.
Генератор данного типа внешне напоминает спутниковую антенну. Для монтажа 
используется мачта, как и в случае с ветряками, имеющими горизонтальную ось вращения. А также эти конструкции похожи и по ориентации в воздушных потоках – используется хвостовик, благодаря чему «тарелка», постоянно находится в плоскости перпендикулярной направлению ветра.
«Парус» закреплен и растянут на круглой раме и под воздействием ветра совершает колебательные движения. Эти движения, посредством системы тяг, передаются на поршни гидравлической системы, в которой механическая энергия колебаний преобразуется в давление жидкости. Гидравлическое давление жидкости преобразуется во вращательное движение привода, к которому подсоединен электрический генератор, вырабатывающий электрически ток.
Достоинствами конструкции являются:
- Способность работать при малой скорости ветра;
- Малый вес конструкции;
- Ремонтопригодность и простота обслуживания;
- Экологическая безопасность устройств;
- Простота монтажа
Недостатки:
- При использовании на территориях, где сильные ветра, основные преимущества пред прочими конструкциями, теряют свою актуальность.
Для того чтобы выбрать ветрогенератор необходимо:
Популярные модели и марки
В настоящее время ветровые генераторы выпускают как отечественные производители, так и зарубежные.
Среди отечественных моделей наибольшим спросом пользуются:
Среди зарубежных моделей, широко распространены ветровые генераторы:
- Zonhan Windpower Co, Ltd (Китай), с горизонтальной осью вращения, мощностью от 0,3 до 5,0 кВт;
- Bekar Europe GmbH (Германия), с вертикальной осью вращения, мощностью от 0,5 до 60,0 кВт.
Средние цены
Стоимость ветряных генераторов зависит от конструкции, мощности, страны и фирмы производителя.
Стоимость рассмотренных выше моделей составляет:
- EnergyWind, в зависимости от мощности (от 1,0 до 10,0 кВт), составляет от 68000,00 до 650000,00 рублей, соответственно.
- Exmork от копании Zonhan Windpower Co, Ltd (Китай), в зависимости от мощности (от 0,3 до 5,0 кВт), составляет от 30000,00 до 260000,00 рублей, соответственно.
- Bekar, в зависимости от мощности (от 0,5 до 60,0 кВт), составляет от 43000,00 рублей.
Плюсы и минусы
К достоинствам использования энергии ветра, а соответственно и ветровых генераторов, 
относятся следующие:
- Энергия ветра – это возобновляемая энергия, обладающая неисчерпаемостью ресурсов;
- Экологичность энергетического ресурса и процесса производства электрической энергии;
- Способность быстрого выполнения монтажа установок и обеспечения потребителей электрической энергией;
К недостаткам можно отнести следующие:
- КПД установок зависит от времени года, погодных условий и региона монтажа агрегата;
- Высокий уровень шума при работе агрегатов;
- Опасность для пернатых обитателей региона, где установлен ветровой генератор;
- При промышленном производстве электрической энергии, при использовании ветровых генераторов, требуются значительные площади земли.
В связи с возрастающей потребностью в энергоресурсах, а также с уменьшением запасов обычных энергоносителей, развитие зеленой энергетики, становится все более актуальным.
Ученые и инженеры разных стран разрабатывают новые модели ветроустановок, с целью 
увеличения доли положительных свойств агрегатов и минимизирования отрицательных.
Такими примерами могут служить плавающие и парящие ветрогенераторы. Плавающие устанавливаются далеко от берега и занимают земельные участки, их работа является наиболее эффективной благодаря постоянству морских ветров. Эффективны и парящие генераторы, т. к., чем выше он поднят над поверхностью земли, тем больше скорость ветра.
Доля электрической энергии, производимой ветряными электростанциями, постоянно растет. Это происходит как в нашей стране, а так и во всех, технически развитых странах.
В России, в перспективе, планируется что доля вырабатываемой электрической энергии ветровыми электростанциями, составит около 30%, от всего производства электроэнергии в стране.
Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:
1. Крыльчатые ветрогенераторы
имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру
(фиг. 5,а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ= 0,42.
2. Карусельные и роторные ветрогенераторы
имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра; ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (фиг. 5,б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.
3. Барабанные ветрогенераторы
имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (фиг. 5,г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.
Фиг. 5. Системы ветродвигателей: а - крыльчатые ветродвигатели; б) - роторные ветрогенераторы; в - карусельные ветрогенераторы; г - барабанные ветрогенераторы.
Так как крыльчатые ветрогенераторы работают значительно эффективнее карусельных и роторных, то в дальнейшем изложении мы будем говорить только о крыльчатых ветродвигателях.
Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (фиг. 6):
1.
Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными; если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным.
2.
Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).
3.
Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.
4.
Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.
5.
У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.
6.
Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.
Возрастающий интерес конструкторов к ветроэнергетике, стремление обеспечить автономность, независимость жилья от поставщиков ресурсов, вызвали появление множества разработок, функционально опережающих традиционные образцы. Обилие конструкций и разновидностей ветряков заставляет рассмотреть их внимательнее.
Основные виды ветрогенераторов
В первую очередь, ветрогенераторы принято разделять на вертикальные и горизонтальные . Эти группы называются так из-за расположения оси вращения крыльчатки. Горизонтальные конструкции напоминают пропеллер или вентилятор, а вертикальные по своему строению близки к карусели. Такое разделение условно, в настоящее время имеются конструкции, сочетающие в себе элементы и той, и другой группы. Есть также отдельные устройства, которые не могут быть причислены к этим категориям.
Горизонтальные конструкции, их особенности, достоинства и недостатки
Горизонтальные устройства имеют более высокую эффективность, поскольку энергия потока усваивается ими намного полнее. Все созданы практически по одной конструктивной схеме, есть некоторые отличия лишь в строении ротора. К недостаткам этой группы можно отнести необходимость настройки на ветер, которая хоть и производится автоматически, но требует наличия дополнительного шарнирного соединения, обеспечивающего вращение устройства вокруг вертикальной оси.
Кроме того, для горизонтальных устройств важно наличие высокой опоры - мачты, обеспечивающей оптимальный режим контакта с потоками ветра. Специфика работы требует наличия , которая при увеличении силы потока отводит ротор от ветра, вследствие чего частота вращения резко падает.
Вертикальные генераторы, особенности, плюсы и минусы
Менее эффективны вследствие наличия останавливающего воздействия потока ветра на обратные стороны лопастей. Этот недостаток практически единственный. Вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер, не требуют установки на высокие мачты, доступны для ремонта, обслуживания или самостоятельного изготовления.
Именно вертикальные конструкции обеспечивают такое разнообразие форм и моделей ротора, созданных профессиональными конструкторами и талантливыми любителями. Рассмотрим некоторые варианты конструкции вертикальных роторов:
Ротор Дарье
Отличается конфигурацией лопастей, которые расположены вертикально и по касательной к окружности вращения. Кроме того, форма лопасти имеет строение как у крыла самолета, поэтому при вращении создается подъемная сила, облегчающая движение и способствующая работе со слабыми потоками ветра.
Ветровая турбина Савониуса
Этот вид имеет две лопасти, установленные напротив друг друга. Форма лопастей напоминает желоб, при воздействии ветрового потока на обратную сторону происходит расщепление струи воздуха, которая частично уходит в сторону, а частично соскальзывает с обратной стороны одной лопасти на рабочую часть второй. является одной из самых старых разработок, но до сих пор вполне успешно используется как в промышленных, так и в самодельных устройствах.
Выбор вертикального ветрогенератора
Для того, чтобы правильно подобрать конструкцию вертикального ветрогенератора, надо учесть размеры ротора, силу ветра в регионе, потребность в определенном количестве электроэнергии, и сопоставить эти величины. Чем больше ротор, тем он тяжелее и тем труднее ему начинать вращение. Способность начинать вращаться при слабых ветрах присуща не каждому виду вертикальных устройств, поэтому следует для больших ветряков использовать наиболее чувствительные конструкции.
Вариантов выбора много, их параметры мало отличаются друг от друга, но некоторая разница присутствует. Если рассматриваемая конструкция не способна обеспечить желаемое количество энергии, следует отказаться от нее и рассмотреть другой вариант.
Кроме указанных параметров надо помнить, что самодельное устройство во многих случаях выгоднее и надежнее, так как легче ремонтируется и не требует больших расходов, что при выборе может сыграть решающую роль.
Генераторы российского производства
Российские фирмы-производители ветряков пока не могут в полную силу конкурировать с зарубежными изготовителями. При этом, отечественные конструкторы учитывают специфику и потребности российского пользователя. Конструкции российских фирм рассчитаны на потребление в масштабах одного дома, или одной небольшой системы (освещение, водяной насос и т.д.). Такой подход позволяет создавать устройства, доступные по цене и удобные по параметрам.
Приобретение крупных образцов отечественному пользователю не по карману, а удовлетворить потребности одной усадьбы можно одним-двумя небольшими комплексами. Поэтому российские фирмы выпускают более привлекательные модели, что создает для них неплохие перспективы и повышает конкурентоспособность.
Необычные конструкции ветрогенераторов
Среди широкого ряда конструкций ветряков встречаются устройства весьма специфического вида. При этом, они полностью функциональны и выполняют свою работу на достаточно высоком уровне (для опытных или пилотных образцов). Некоторые конструкции совершенно выбиваются из общего ряда и обладают уникальными свойствами, другие намного ближе к традиционным формам. Рассмотрим их поближе:
Устройство на водяных каплях
Из необычных ветрогенераторов этот - самый необычный. Он не похож ни на одну известную конструкцию. Он даже не имеет вращающихся частей. Представляет собой раму, внутри которой расположены горизонтально трубки с водой. На поверхности трубок имеются сопла, из которых выпускаются капли воды, заряженной положительно при помощи электродов, находящихся внутри трубок. При порыве ветра капли попадают на противоположные электроды, изменяя их заряд, что вызывает возникновение электрического тока в системе.
Дизайнерский ветрогенератор revolution air
Этот ветрогенератор создан, по сути, с декоративными целями. Его свойства таковы, что пользоваться им как полноценным устройством вряд ли получится. Для запуска ему нужна скорость потока от 14 м/сек, а при минимальной цене в 2500 евро такие характеристики нельзя рассматривать как нормальные рабочие параметры. Устройство имеет оригинальный внешний вид, хотя, по сути, является переосмысленным в художественном смысле вариантом ветрогенератора ортогонального типа.
Парусный ветряк
Еще одна оригинальная конструкция ветряка, имеющего весьма широкие лопасти. Они изготовлены в виде рам, на которые натягивается плотное полотно, образующее парус. Такая конструкция способствует получению больших лопастей при малом весе.
Имеется также конструкция, где парус создает давление на систему поршней без вращения. Большая площадь позволяет эффективно использовать полученную энергию ветра, но имеется опасность выхода из строя при сильном порыве. Конструкция практически не шумит, не имеет движущихся частей, что увеличивает срок службы и снижает расходы на обслуживание устройства.
Конструкция Третьякова
Ротор имеет довольно сложную конструкцию, хотя, по сути, он является разновидностью ротора с диффузором. Устройство имеет вертикальный ротор-крыльчатку. Вокруг нее располагается подвижный воздухоприемник со стабилизатором, автоматически устанавливающим конструкцию по ветру. Воздухоприемник имеет также ряд направляющих, организующих поступление потока в нужном направлении.
Воздух, попадая внутрь корпуса, обходит рабочее колесо снизу и направляется к лопаткам. Такой сложный путь потока способствует получению правильного направления струи и отсутствию противодействующего контакта с обратными сторонами лопастей. Ротор способен начинать вращение при ветре от 1,4 м/сек, что очень ценно в условиях нашей страны, не отличающейся сильными и ровными ветрами.
Летающий ветрогенератор-крыло
Идея создания такой конструкции опирается на тот факт, что на высоте потоки ветра более активны и имеют большие скорости. Разработчики используют приспособление, напоминающее гигантский воздушный змей, который поднимается на большую высоту и летает по заранее задуманной траектории, вырабатывая электрический ток. Устройство позволяет отказаться от создания высоких мачт, поднимать ветряк на большие высоты и обеспечивать максимально возможные скорости ветра.
Внимание! Большинство необычных разработок до сих пор не запущено в массовое производство. Причиной этого стали относительно невысокие показатели, которые демонстрируют конструкции, и сложности в осуществлении некоторых операций эксплуатационного характера (например, запуск ветряка-крыла).
Мощные генераторы электроэнергии
Мощные ветрогенераторы используются для выработки электроэнергии в промышленных масштабах. Их создание было необходимостью, вызванной полным отсутствием других возможностей. Созданные большие ветряки имеют большую мощность и действуют в составе ветроэнергетических станций (ВЭС).
В них входят десятки таких ветряков, обеспечивающих суммарную выработку 400-500 мВт энергии, что уже сопоставимо с возможностями ГЭС, хотя и не может перекрыть их. Размеры таких ветряков действительно огромны, размах лопастей турбины «Энеркон» составляет 126 м , а высота от земли до оси ротора - 135 м.
Такие габариты вызвали массу домыслов о вреде для здоровья человека, об опасности для пролетающих птиц и прочих небылицах. Использование этих гигантов дает возможность снабжать энергией целые регионы Германии, Дании и прочих государств, расположенных на побережье Атлантики и Балтики.
Возникающие слухи свидетельствуют лишь о неграмотности населения и не имеют ничего общего с реальной ситуацией. Эксплуатация крупных ветрогенераторов была бы попросту невозможной, если бы они имели какое-либо отрицательное воздействие на природу или человека. Европейские законы на этот счет весьма строги и не допускают исключений.
Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и
ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде
всего, в наземных установках.
Ветер дует везде - на суше и на море. Человек не
сразу понял, что перемещение воздушных масс
связано с неравномерным изменением температуры
и вращением земли, но это не помешало нашим
предкам использовать ветер для мореплавания.
В глубине материка нет постоянного направления
ветра. Так как разные участки суши в разное время
года нагреваются по-разному можно говорить
только о преимущественном сезонном направлении
ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет
себя по-разному, а для высот до 50 метров
характерны рыскающие потоки.
Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия
ветра, превращающаяся в тепло, составляет
примерно 82 триллиона киловатт-часов в год.
Конечно, всю ее использовать невозможно, в
частности, по той причине, что часто поставленные
ветряки будут затенять друг друга. В то же время
отобранная у ветра энергия, в конечном счете,
вновь превратится в тепло.
Среднегодовые скорости воздушных потоков на
стометровой высоте превышают 7 м/с. Если выйти на
высоту в 100 метров, используя подходящую
естественную возвышенность, то везде можно
ставить эффективный ветроагрегат.
Упряжь для ветра
Принцип действия всех ветродвигателей один:
под напором ветра вращается ветроколесо с
лопастями, передавая крутящий момент через
систему передач валу генератора,
вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу
или электрогенератору. Чем больше диаметр
ветроколеса, тем больший воздушный поток оно
захватывает и тем больше энергии вырабатывает
агрегат.
Принципиальная простота дает здесь
исключительный простор для конструкторского
творчества, но только неопытному взгляду
ветроагрегат представляется простой
конструкцией.
Традиционная компоновка ветряков - с
горизонтальной осью вращения - неплохое решение
для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда
же размахи лопастей выросли, такая компоновка
оказалась неэффективной, так как на разной
высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае
не только не удается оптимально ориентировать
агрегат по ветру, но и возникает опасность
разрушения лопастей.
Кроме того, концы лопастей крупной установки,
двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако
главное препятствие на пути использовании
энергии ветра все же экономическая - мощность
агрегата остается небольшой и доля затрат на его
эксплуатацию оказывается значительной. В итоге
себестоимость энергии не позволяет ветрякам с
горизонтальной осью оказывать реальную
конкуренцию традиционным источникам энергии.
По прогнозам фирмы Боинг (США) - длина лопастей
крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров,
что позволит создать ветроагрегаты традиционной
компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные
из них - вдвое "слабее". В большой
ветроэнергетике только при массовом
строительстве можно рассчитывать на то, что цена
киловатт-часа снизится до десяти центов.
Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию
примерно втрое более дорогую. Для сравнения
отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО
"Ветроэн" крыльчатый ветродвигатель, имел
размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт.
Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.
Типы ветродвигателей
Большинство типов ветродвигателей известны
так давно, что история умалчивает имена их
изобретателей. Основные разновидности
ветроагрегатов изображены на рисунке. Они
делятся на две группы:
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения
(крыльчатые) (2...5);
ветродвигатели с вертикальной осью вращения
(карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются
только количеством лопастей.
Крыльчатые
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая
эффективность которых достигается при действии
потока воздуха перпендикулярно к плоскости
вращения лопастей-крыльев, требуется устройство
автоматического поворота оси вращения. С этой
целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные
ветродвигатели обладают тем преимуществом, что
могут работать при любом направлении ветра не
изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра (см.
рис.) у крыльчатых ветродвигателей намного выше
чем у карусельных.
В то же время, у карусельных - намного больше
момент вращения.
Он максимален для карусельных лопастных
агрегатов при нулевой относительной скорости
ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов
объясняется величиной скорости их вращения. Они
могут непосредственно соединяться с генератором
электрического тока без мультипликатора.
Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей
обратно пропорциональна количеству крыльев,
поэтому агрегаты с количеством лопастей больше
трех практически не используются.
Карусельные
Различие в аэродинамике дает карусельным
установкам преимущество в сравнении с
традиционными ветряками. При увеличении
скорости ветра они быстро наращивают силу тяги,
после чего скорость вращения стабилизируется.
Карусельные ветродвигатели тихоходны и это
позволяет использовать простые
электрические схемы, например, с асинхронным
генератором, без риска потерпеть аварию при
случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает
одно ограничивающее требование - использование
многополюсного генератора работающего на малых
оборотах. Такие генераторы не имеют широкого
распространения, а использование
мультипликаторов (мультипликатор [лат. multiplicator
умножающий] -- повышающий редуктор) не эффективно
из-за низкого КПД последних.
Еще более важным преимуществом карусельной
конструкции стала ее способность без
дополнительных ухищрений следить за тем
"откуда дует ветер", что весьма существенно
для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели
подобного типа строятся в США, Японии, Англии,
ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее
прост в эксплуатации. Его конструкция
обеспечивает максимальный момент при запуске
ветродвигателя и автоматическое
саморегулирование максимальной скорости
вращения в процессе работы. С увеличением
нагрузки уменьшается скорость вращения и
возрастает вращающий момент вплоть до полной
остановки.
Ортогональные
Ортогональные ветроагрегаты, как полагают
специалисты, перспективны для большой
энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками
ортогональных конструкций стоят определенные
трудности. Среди них, в частности, проблема
запуска.
В ортогональных установках используется тот же
профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см.
рис. (6)).
Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную
силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит
дело и в случае с ортогональной установкой.
Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить
и довести до определенных аэродинамических
параметров, а уже потом она сама перейдет из
режима двигателя в режим генератора.
Отбор мощности начинается при скорости ветра
около 5 м/с, а номинальная мощность достигается
при скорости 14...16 м/с.
Предварительные расчеты ветроустановок
предусматривают их использование в диапазоне от
50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью
2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся
крылья, составит около 80 метров.
У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако
можно обойтись и малыми - взять числом, а не
размером. Снабдив каждый электрогенератор
отдельным преобразователем можно
просуммировать выходную мощность
вырабатываемую генераторами. В этом случае
повышается надежность и живучесть
ветроустановки.
Неожиданные применения ветроустановок
Реально работающие ветроагрегаты обнаружили
ряд отрицательных явлений. Например,
распространение ветрогенераторов может
затруднить прием телепередач и создавать мощные
звуковые колебания.
Ветродвигатели могут не только вырабатывать
энергию.
Способность привлекать внимание вращением без
расходования энергии используется для рекламы.
Наиболее простой - однолопастный карусельный
ветродвигатель представляет собой
прямоугольную пластинку с отогнутыми краями.
Закрепленный на стене он начинает вращаться даже
при незначительном ветре.
На большой площади крыльев карусельный
трех-четырех лопастный ветродвигатель может
вращать рекламные плакаты и небольшой генератор.
Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может
освещать крылья с рекламой в ночное время, а в
безветренную погоду и вращать их.
Опишем некоторые ветряные генератрорные установки
В состав многих ветровых установок входят
такие необходимые элементы как разборная мачта,
блок управления, нагреватель, соединительные
кабели. Кроме того, дополнительно могут
предлагаться солнечные батареи, аккумуляторы,
инверторы. Однако, указанные элементы, как
правило, гораздо дешевле можно приобрести в
других местах. Так в частности, предлагаются
инверторы типа АКСИОМ или ТРАНСВАТТ (Германия) - с
трапециевидной формой тока 1,5 кВт за 1738 $ или типа
ГЛОБАЛ (Германия) - с синусоидальной формой тока 1
кВт за 1711 $. В тоже время, аналогичный по мощности
инвертор (с функцией UPS) МАП "Энергия" (см. www.invertor.ru) стоит порядка 250 - 300(!)
$. Это отечественная разработка (заявка на патент
№2001125519), на основе новейших импортных
комплектующих.
Для справки: инвертором называется электронное
устройство преобразующее постоянное напряжение
(например, аккумуляторов) в переменное (в нашем
случае - в 220 В).
ГОСУДАРСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ КБ "РАДУГА"
Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 1 кВт "Радуга-001"
Мощность генератора номинальная - 1,0 кВт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,6:25 м/с
Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу однофазного переменного тока частотой 50 Гц, а также выход с аккумуляторной батареи 12 В и 24 В постоянного тока. В безветренную погоду система аккумулирования обеспечивает электроэнергией в течение 4-х суток при экономном режиме потребления. Предусмотрена возможность комплектации ВЭУ панелями солнечных батарей.
Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 8 кВт "Радуга-008"
Мощность генератора номинальная - 8,0 кВт
В установке имеется система автоматического управления, обеспечивающая автоматические запуск и управление ВЭУ в рабочем диапазоне скоростей ветра, автоматические или по командам перевод ВЭУ в режим холостого хода при скорости ветра, превышающей границу рабочего диапазона, или при возникновении аварийной ситуации. При проектировании установки учтены условия эксплуатации в районах Крайнего Севера. Агрегаты и узлы установки испытаны на соответствующие температуры эксплуатации в термобарокамерах.
Сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 1000 кВт "Радуга-1"
Мощность генератора номинальная - 1000 кВт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 5:25 м/с
Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу электрической энергии промышленной частоты 50 Гц и сопряжение ВЭУ с энергосистемой. Система выполнена по схеме: синхронный генератор - выпрямительно-инверторный преобразователь - согласующий силовой трансформатор.
В ВЭУ имеется система автоматического управления, обеспечивающая ориентацию ветрового колеса, автоматический пуск и торможение установки, управление углом поворота лопастей, выработку команд для работы в энергосети, диагностирование технического состояния агрегатов ВЭУ, отработку команды дистанционного управления от диспетчерского пункта, обеспечение, при необходимости, ручного управления ВЭУ с терминала местного управления. При проектировании установки учтены условия эксплуатации в районах Крайнего Севера.
Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 16 кВт "Радуга-016"
Мощность генератора номинальная - 16,0 кВт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 4,5:25 м/с
Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу 3-х фазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380/220 В, секционированное подключение потребителей (три канала по 2-3 кВт с возможностью их независимого включения). Предусмотрена возможность комплектации ВЭУ панелями солнечных батарей, аккумуляторами, дизель-электрической установкой. В штиль аппарат бесперебойного питания обеспечит электроэнергией мощностью до 500 Вт.
ЦНИИ "ЭЛЕКТРОПРИБОР"
Ветроэлектрическая установка УВЭ-500
Предназначена для автономного снабжения электроэнергией индивидуальных потребителей.
Номинальная мощность - 500 Вт
Выходное напряжение - постоянное 12, 24 В, переменное (с инвертором) - 220 В.
Описание разработки
Установка обеспечивает использование
осветительных приборов, электроинструментов,
бытовых электроприборов, теле- и
радиоаппаратуры, зарядку аккумуляторов.
Автономно вырабатывает при работе в буферном
режиме с аккумуляторной батареей следующие виды
электропитания:
- напряжение постоянного тока 24 В;
- переменное напряжение 220 В 50 Гц (в комплекте с
инвертором).
Состав установки: ветроколесо, генератор с
поворотным устройством, разборная мачта, блок
управления, нагреватель, соединительные кабели.
Масса установки без инвертора - 60 кг.
Емкость подключаемой потребителем кислотной или
щелочной аккумуляторной батареи - не менее 190 Ач.
Установка может работать в комплексе с солнечной
батареей мощностью до 300 Вт, а также в режиме без
аккумулятора для питания нагрузки, не требующей
стабилизации напряжения.
Предусмотрены: индикация состояния
аккумулятора, защита аккумулятора от перезаряда
и переразряда, автоматическая защита
ветроагрегата от механических повреждений при
скорости ветра, превышающей 12 м/с. Мощность по
постоянному току - до 500 Вт при скорости ветра 10
м/с. Рабочий диапазон скоростей ветра - 3-25 м/с.
Диаметр ветроколеса - 2,2 м. Высота мачты - 4,5 м.
Ветроэлектрическая установка УВЭ-1000
Номинальная мощность - 1000 Вт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 2,5:25 м/с
НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ "ВЕТРОТОК"
Ветроэлектрическая установка мощностью 16 кВт
Установка разработана для генерирования электроэнергии в районах с повышенной ветровой активностью, со среднегодовой скоростью ветра 5-6 м/с и более. К таким районам на территории СНГ относятся практически весь Дальний Восток, большинство районов Севера России, Казахстан. В этих местах использование ветро-энергетических установок наиболее целесообразно и экономически обоснованно.
Установка ВЭУ-16 развивает электрическую мощность 16 кВт при расчётной скорости ветра 17,5 м/с. Установки предназначены для снабжения фермерских хозяйств, небольших поселков, производственного оборудования ограниченной мощности. ВЭУ предназначены для работы в автоматическом режиме и не требуют постоянного контроля оператора. Установки могут работать параллельно с сетью или с дизель-генератором. Возможно накопление электроэнергии в аккумуляторах с дальнейшим инвертированием в переменный ток 220 В, 50 Гц. Произведены испытания установки на метеостанции "Тагонай гора" в г. Златаусте, Челябинской области.
Ветроэлектрическая установка с генератором постоянного тока ВЭУ-5-4
Ветроэлектрическая установка ВЭУ-5-4 предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. ВЭУ способна удовлетворить потребность в электроэнергии метеостанций, геологических партий, лесопунктов, фермерских хозяйств, котеджей, небольших населённых пунктов, где нет линий электропередач.
Номинальная мощность генератора - 4,2 кВт
Выходное напряжение (постоянный ток) - 24 В
Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:25 м/с
РЫБИНСКИЙ ЗАВОД ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Ветроэнергетическая установка "ВЕТЭН-0,16"
Позволяет получать электроэнергию постоянного тока напряжением 12 В и переменного тока напряжением 220 В, 50 Гц путём преобразования энергии ветра.
Мощность генератора 160 Вт
Ветроэнергетическая установка "ВТН8-8"
Ветроагрегат предназначен для преобразования энергии ветра в электрическую энергию переменного трёхфазного тока напряжением 230/400 В частотой 50 Гц.
Область применения - в составе ветроэлектрических установок (отопительных, зарядных, водоподъёмных, катодной защиты и т.п.).
Мощность генератора - 8000 Вт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,5:25 м/с
Нижнее значение температуры - 40°С
Ветронасосная установка "Водолей"
Предназначена для подъёма воды из источников с помощью энергии ветра.
Производительность при скорости ветра 5 м/с и общей высоте подъёма воды 10 м не менее 300 л/час
Максимальная высота подъёма воды 9,6 м
Ветронасосная установка "Водолей-2"
Предназначена для подъёма воды из скважин и колодцев с помощью энергии ветра.
Рабочий диапазон скоростей ветра - 3:25 м/с
Производительность при скорости ветра 5 м/с и общей высоте подъёма воды 10 м не менее 200 л/час
Максимальная высота подъёма воды - 30 м
Установка ветроэлектрическая "Шексна-1"
Применяется на объектах, удалённых от энергосистем и расположенных в различных климатических районах с благоприятными ветровыми условиями. Преимущественная область использования - отопление, освещение, питание бытовых электроприборов, систем автоматики и сигнализации и т.д.
Номинальная мощность - 0,5 кВт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 3:30 м/с
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ЦЕНТР "КБ ИМЕНИ. АКАДЕМИКА В.П.МАКЕЕВА"
Ветроэнергетическая установка ВА05
Номинальная мощность - 30 кВт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:30 м/с
Ветроустановка HR-40
Совместно с фирмой "Magnet Motors" (г. Штарнберг, ФРГ) ведутся разработки ветроустановок мощностью 10, 40, 300 кВт на базе серийно выпускаемых немецкой стороной установок HR-1, HR-40, YR-300.
Без мультипликатора, генератор бегущей волны с непосредственным приводом, возбуждаемый от постоянных магнитов.
Номинальная мощность - 40 кВт.
Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,5:26 м/с.
Ветродизельная электростанция ВДЭС-100
Мощность ВЭУ - 100 кВт.
Мощность двух дизель-электрических станций - 60+30=90 кВт.
Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:25 м/с.
АО "ВЕТРОЭНЕРГОМАШ"
Агрегат ветроэлектрический АВЭУ6-4М
Номинальная мощность генератора - 4 кВт
Рабочий диапазон скоростей ветра - 4,5:40 м/с.
Номинальное напряжение - 400/230 В.
Указанными выше изделиями (бензо/дизельгенераторами, солнечными батареями, ветрогенераторами) фирма "МикроАрт" не торгует. Здесь приводятся лишь общие сведения, в качестве справочной информации. Мы предлагаем автономные преобразователи напряжения (источники бесперебойного питания), которые могут работать как совместно с бензо/дизельгенераторами, солнечными батареями и ветрякам, так и независимо от них.
Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.
В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).
Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения . В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.
Ветроколесо с горизонтальной осью
Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.
Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.
В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них - высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.
Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.
Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух - четырех изогнутых лопастей.
Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.
Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.
Ротор савониуса
Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра - всего 0,1-0,15.
Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.
Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.
Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.
Турбопарус
Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра - диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.
Ветрогенератор с дифузором
Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.
Летающий ветрогенератор
Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).
Beluga SkySails
Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.
Ветроголовки «Ветролов»
Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) - механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре - снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления - почти в два.
В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом - противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.
Ветрогенератор Eolic
Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.
Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air
Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».
Ветрогенератор Energy Ball
Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт - ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.
Ветрогенератор Третьякова
Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный - около 52 %. Мощность промышленного аппарата - 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора - от 30 до 50 Дб).
Windtronics
Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.
В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.
Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.
Optiwind 300
Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость - 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость - 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея - сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.
GEDAYC
Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.
Honeywell
Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.
В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Maglev Turbine
Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.
При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.
Ветровая турбина гиперболоидного типа
Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.
Mobile Wind Turbine
Еще один любопытный проект - ветрогенератор Mobile Wind Turbine - разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) . Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.
Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ
