5 необычных конструкций ветрогенераторов

Ветроэнергетика активно развивается по всему миру, и ни для кого давно не секрет, что это одно из перспективнейших направлений альтернативной энергетики на данный момент. К середине 2014 года общая мощность всех установленных в мире ветрогенераторов составляла 336 гигаватт, а самый большой и мощный вертикальный трехлопастной ветрогенератор Vestas-164 был установлен и запущен в начале 2014 года в Дании. Его мощность достигает 8 мегаватт, а размах лопастей составляет 164 метра.

Несмотря на давно обкатанную технологию изготовления лопастных турбин и ветряков в целом, многие энтузиасты стремятся улучшить технологию, повысить ее эффективность и уменьшить негативные факторы.

Как известно, коэффициент использования энергии ветрового потока у традиционных ветрогенераторов в лучшем случае достигает 30%, они довольно шумны и нарушают естественный тепловой баланс близлежащих территорий, повышая температуру приземного слоя воздуха по ночам. Также они весьма опасны для птиц и занимают значительные площади.

Какие же альтернативы существуют? На самом деле, творчество современных изобретателей не знает границ, и различных альтернативных вариантов придумано множество.

Давайте рассмотрим 5 наиболее необычных из примечательных для отрасли альтернативных конструкций ветрогенераторов.

Начиная с 2010 года, американская компания Altaeros Energies, основанная в Массачусетском исследовательском институте, ведет разработку ветрогенераторов нового поколения. Новый тип ветрогенераторов предназначен для работы на высотах до 600 метров, докуда обычные ветрогенераторы просто не могут достать. Именно на таких больших высотах постоянно дуют самые сильные ветра, которые в 5-8 раз сильнее ветров вблизи поверхности земли.

Генератор представляет собой надувную конструкцию, похожую на накачанный гелием дирижабль, в который установлена трехлопастная турбина на горизонтальной оси. Такой ветряной генератор был запущен в 2014 году на Аляске на высоту около 300 метров для испытаний в течение 18 месяцев.

Разработчики уверяют, что данная технология позволит получать электроэнергию стоимостью 18 центов за киловатт-час, что в два раза дешевле обычной стоимости ветряной электроэнергии на Аляске. В будущем такие генераторы вполне смогут заменить дизельные электростанции, а также найти применение на проблемных территориях.

В перспективе это устройство будет не просто генератором электроэнергии, но и частью погодной станции и удобным средством обеспечения Интернета на далеких от соответствующей инфраструктуры территориях.

После установки такая система не требует присутствия персонала, не занимает большой площади, и почти бесшумна. Она может контролироваться дистанционно, и требует технического обслуживания только один раз в 1-1,5 года.

Еще одно интересное решение по созданию необычной конструкции ветряной электростанции реализуется в Объединенных Арабских Эмиратах. Недалеко от Абу-Даби строится город Мадсар, в котором планируют возвести довольно необычную ветряную электростанцию, названную разработчиками «Windstalk».

Основатель нью-йоркской дизайнерской компании Atelier DNA, разрабатывающей дизайн данного проекта, сказал, что главной идеей было найти в природе кинетическую модель, которая могла бы служить для генерации электроэнергии, и такая модель была найдена. 1203 стебля из углеродистого волокна, каждый около 55 метров высотой, с бетонными основаниями шириной по 20 метров, будут установлены на расстоянии 10 метров между собой.

Стебли будут армированы резиной, и иметь ширину около 30 см у основания, а кверху сужаются до 5 сантиметров. Каждый такой стебель будет содержать чередующиеся слои электродов и керамических дисков, изготовленных из пьезоэлектрического материала, который генерирует электрический ток, когда подвергается давлению.

Когда стебли будут качаться на ветру, диски будут сжиматься, генерируя электрический ток. Никакого шума лопастей ветряных турбин, никаких жертв среди птиц, ничего кроме ветра.

Идея возникла благодаря наблюдению за качающимися на болоте камышами.

Проект Windstalk компании Atelier DNA занял второе место в конкурсе Land Art Generator, спонсируемом Мадсаром для выбора лучшего, из числа международных заявок, произведения искусства, которое сможет генерировать энергию благодаря возобновляемым источникам.

Площадь, занимаемая этой необычной ветряной станцией, охватит 2,6 гектара, а по мощности будет соответствовать обычному ветрогенератору, занимающему аналогичную площадь. Система эффективна из-за отсутствия потерь на трение, свойственных традиционным механическим системам.

В основании каждого стебля будет установлен генератор, преобразующий крутящий момент от стебля с помощью системы амортизаторов и цилиндров, аналогично системе Levant Power, разработанной в Кембридже, штат Массачусетс.

Поскольку ветер не постоянен, будет применена система аккумулирования энергии, чтобы накопленная энергия могла расходоваться и тогда, когда нет ветра, поясняют сотрудники, работающие над проектом.

На вершине каждого стебля будет установлено по светодиодному фонарю, яркость свечения которого будет напрямую зависеть от силы ветра и количества генерируемой в данный момент электроэнергии.

Windstalk будет работать на хаотичном покачивании, что позволяет расположить элементы горазда ближе друг к другу, чем это возможно с обычными лопастными ветрогенераторами.

Аналогичный проект Wavestalk прорабатывается для преобразования энергии океанских течений и волн, где похожая система будет находиться в перевернутом виде под водой.

Проект, разработанный фирмой Saphon Energy из Туниса, также как и Windstalk, представляет собой безлопастной ветряной генератор, но на этот раз устройство имеет конструкцию парусного типа.

Этот бесшумный генератор, по форме напоминающий спутниковую тарелку, получил название Saphonian. Он не имеет вращающихся частей и совершенно безопасен для птиц. Экран генератора совершает под действием ветра движения вперед-назад, создавая колебания в гидравлической системе.

Цель проекта – улучшить характеристики ветряных генераторов, относительно использования ветрового потока. Ветер буквально запрягается в парус, который совершает под его действием движения вперед-назад, при этом нет ни лопастей, ни ротора, ни передач. Такое взаимодействие позволяет преобразовать больше кинетической энергии в механическую с помощью поршней.

Энергию можно накапливать в гидравлических аккумуляторах, либо преобразовывать в электрическую посредствам генератора, или же приводить с ее помощью во вращение какой-нибудь механизм. Если обычные ветрогенераторы обладают КПД 30%, то данный генератор парусного типа дает все 80%. Его эффективность превосходит ветряки лопастного типа в 2,3 раза.

В силу отсутствия дорогостоящих компонентов, как это имеет место в ветряной турбине (лопасти, ступицы, коробки передач), в случае с Saphonian, расходы на оборудование снижаются до 45%.

Аэродинамическая форма Saphonian имеет то преимущество, что турбулентные ветряные потоки незначительно влияют на тело паруса, и аэродинамическая сила лишь увеличивается. Именно из-за турбулентности ветряные турбины и не используются в городских районах, а Saphonian можно и там использовать. Кроме того, вредные акустические и вибрационные факторы сведены к минимуму. Компания Saphon Energy получила премию от KPMG за усилия в развитии инноваций.

Еще один весьма революционный подход к использованию ветряной энергии был реализован еще в 2008 году изобретателем — энтузиастом из Калифорнии. Крупные ветряные генераторы для малых городов имеют размеры с 30 этажный дом, а их лопасти достигают размеров крыльев Боинга 747.

Эти гигантские генераторы, безусловно, производят много энергии, однако производство, транспортировка и установка таких систем сложны и дороги. Несмотря на это промышленность растет более чем на 40 процентов каждый год. Именно так размышлял Даг Селсам из Калифорнии, прежде чем задаться своей амбициозной целью. Он решил, что вполне реально получить больше энергии, используя для этого меньшее количество материалов.

Установив десяток или несколько десятков маленьких роторов на одном валу, связанном с одним генератором, Даг, в конце концов, добился поставленной цели. Один конец длинного вала он соединил с генератором, а второй конец запустил в высь на воздушных шарах с гелием. Система заработала, как и предполагалось.

В учебниках Даг читал, что одновинтовой турбины вполне достаточно для получения максимума, однако у Дага возникли сомнения. Он считал иначе: чем больше роторов, тем больше энергии ветра доступно для использования.

Если каждый ротор будет расположен под нужным углом, то каждый ротор получит свой собственный ветер, и это повысит эффективность генерации.

Конечно, это усложняет физику, ведь теперь нужно было убедиться, что каждый ротор ловит свой собственный поток, а не только поток от расположенного рядом ротора. Требовалось выяснить оптимальный угол для вала по отношению к ветру и идеальное расстояние между роторами. И, в конце концов, выигрыш был получен с применением меньшего количества материала.

В 2003 году изобретатель получил грант в размере 75 000 долларов от Калифорнийской энергетической комиссии на разработку 3000-ваттный турбины на семь роторов. Задача была успешно решена, и Даг Селсам уже продал более 20 своих 2000-ваттных турбин с двойным ротором нескольким домовладельцам. Он построил эти устройства в своем загородном гараже.

Идея Дага явилась одной из немногих идей, которые на самом деле имеют все шансы на то, чтобы добиться больших успехов в коммерческом мире. Селсам говорит, что два ротора – это только начало. Вероятно, когда-нибудь он увидит свои мультироторные турбины протяженностью в милю по небу.

«Мы можем пойти дальше, и сделать значительно более мощные турбины по этой технологии, это превзойдет самые смелые фантазии General Electric», говорит изобретатель.

Компания Archimedes, офис которой расположен в Роттердаме, Нидерланды, придумала свою концепцию необычных ветряных турбин, которые можно устанавливать прямо на крышах жилых домов.

По замыслу авторов проекта, эффективная малошумная конструкция может вполне обеспечить небольшой дом электроэнергией, а комплекс таких генераторов, работающий в совокупности со стандартными солнечными панелями, способен и вовсе свести к нулю зависимость большого здания от внешних источников электроэнергии. Новые ветровые турбины получили название Liam F1.

Небольшая турбина, диаметром 1,5 метра, и весом около 100 килограмм, может быть установлена на любой стене или крыше жилого дома. Обычно, высота террасных крыш – 10 метров, а ветер в стране почти всегда Юго-Западный. Этих условий достаточно, чтобы правильно разместить турбину на крыше, и эффективно использовать энергию ветра.

Две проблемы обычных ветрогенераторов решены здесь: шум обычных лопастных турбин и дороговизна установки громоздкого оборудования. В обычных ветряных генераторах затраты на установку часто не окупаются. Уровень шума турбины Liam около 45дБ, а это даже тише шума дождя (шум дождя в лесу – 50дБ).

По форме напоминающая панцирь улитки, турбина подобно флюгеру разворачивается по ветру, захватывая воздушный поток, снижая его скорость, и меняя направление. Директор компании Маринус Миремета утверждает, что эффективность новаторской турбины достигает 80% от максимально доступной теоретически в ветровой энергетике эффективности. И этого уже вполне достаточно.

В Нидерландах средняя семья потребляет 3300 кВт-часов электрической энергии за год. По данным разработчиков, половину этой энергии может обеспечить одна турбина Liam F1 при скорости ветра не менее 4,5 м/с.

Можно разместить три такие турбины в вершинах треугольника на крыше дома, тогда каждая из турбин будет обеспечена ветром и они не будут друг другу мешать, а напротив станут помогать друг другу.

Если речь идет об установке в городе, где имеют место турбулентные потоки, то производитель предлагает немного приподнимать ветрогенераторы, устанавливаемые на городских крышах, крепя их на шесты, чтобы стены соседних домов не мешали ветряным потокам.

Предполагаемая стоимость новой турбины вместе с установкой составляет 3999 евро. Поскольку устройство имеет размер больше одного метра, то может потребоваться особая лицензия на его использование, поэтому, на самый крайний случай, фирмой производятся и турбины mini-Liam, диаметр которых 0,75 метра.

Производители планируют применять свои турбины не только для электроснабжения жилых и промышленных зданий, но и для электроснабжения морских судов.

Как видим, интересных альтернатив у производителей ветрогенераторов предостаточно.

Источник

Ветряные турбины для низких скоростей ветра преодолевают ограничение закона Беца

Разработчики ветрогенераторов часто со скептицизмом относятся к идее ветряных турбин, способных эффективно работать при низких скоростях ветра. Датская компания Archimedes пошла своим путем, использовав конструкцию, более похожую на водяное колесо, нежели на традиционную ветряную турбину.

Многие разработчики ветряных турбин коммунального масштаба, то есть, работающих в условиях городской застройки, не верят в возможность эффективного получения энергии при малой скорости ветра, или в районах, где потоки ветра непостоянны. В своей аргументации они опираются на закон Беца, определяющий максимальное количество энергии, которую можно получить от ветрогенератора. Закон основан на принципах сохранения масс и момента импульса воздушного потока, проходящего через абстрактный идеальный цилиндр, извлекающий энергию из потока ветра. Здесь подразумевается, и это важно подчеркнуть, что речь идет о турбинах, роторы которых имеют аэродинамические лопасти. Закон Беца гласит, что никакая турбина не может преобразовать более 59.3% кинетической энергии ветра. На практике городские турбины обычно достигают 75% … 80% предела Беца. Таким образом, при низкой скорости ветра для работы генератора просто не хватает энергии.

Городская турбина Liam F1 компании Archimedes.

Один из способов, позволяющих обойти эту проблему малых скоростей, заключается в том, чтобы отказаться от использования аэродинамических лопастей и использовать что-то, больше напоминающее водяное колесо, чем классическую ветряную турбину. Этот подход лег в основу городской турбины, разработанной датской фирмой Archimedes, и названной Liam F1. Лопасти турбины имеют форму винта Архимеда. Примечательно, что винты Архимеда часто используются в конструкциях гидросистем с низким напором. При этом они имеют кривую эффективности, плоскую в широком диапазоне скоростей потока.

Мэринус Миремет (Marinus Mieremet), соучредитель Archimedes, говорит об этом так: «Вообще говоря, между фронтальной и тыльной сторонами лопастей ротора ветряной турбины существует разница давлений. Однако в случае с Liam F1 это не так. Разница давлений создается пространственной фигурой спиральной лопасти. Это намного улучшает характеристики турбины, ротор которой начинает вращаться даже тогда, когда ветер дует на него под углом 60 градусов. Нам не потребовалось дорогие программы, поскольку из-за конической формы турбина автоматически разворачивает себя в оптимальном направлении относительно ветра. Точно так же, как флюгер. И, поскольку турбина оказывает минимальное сопротивление, она практически бесшумна». Миремет добавил также, что ее эффективность равна примерно 80%.

Турбина, сконструированная компанией Wind Sail Receptor.

Вращение турбины начинается при скорости ветра порядка 4.5 миль в час. Ее максимальная выходная мощность достигает 1.5 кВт, когда ветер дует со скоростью чуть большей 11 миль в час. Компания сообщает, что ее разработка адресована частным домовладельцам.

Archimedes – не первый разработчик ветряных турбин, пошедший по пути использования принципа водяного колеса. Компания Wind Sail Receptor из Невады конструирует похожие на детские вертушки турбины, физика работы которых гораздо ближе к гидро-, чем к аэродинамике.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник