Ветровой турбины генератора. Как работают ветряные турбины. Принцип работы установки

Невероятно! Но скоро это произойдет. Альтернативные источники энергии третьего поколения перевернут мир в целом. Начало уже заложено. Ветряные турбины - вот электроэнергетическое будущее человечества.

Введение

Несмотря на то что альтернативным видам энергетики, таким как ветряные турбины, например, все еще незаслуженно мало уделяется внимания, они продолжают усиленно развиваться. Возможно, в скором времени сильные мира сего поймут, что невменяемая добыча полезных ископаемых больше приносит вреда, чем пользы, и природные виды энергетики прочно войдут в нашу повседневную жизнь. Такая надежда тесно связана с тем, что некоторое время назад было объявлено о появлении ветрогенератора третьего поколения.

Что такое ветряной генератор третьего поколения

Традиционно принято считать, что устройствами первого поколения, которые преобразовывали энергию ветра, были обычные корабельные паруса и мельничные крылья. Чуть более века назад, с развитием авиации, появился ветрогенератор второго поколения - механизм, в основе работы которого лежали принципы аэродинамики крыла.

Это был прорыв того времени! Хотя, если взять в целом, то ветряки второго поколения маломощны, так как из-за конструктивных особенностей не могут работать при сильных ветрах. Поэтому для того чтобы получать больше электроэнергии приходилось увеличивать в размерах, что тянуло за собой дополнительные финансовые расходы на разработку, производство, установку и его эксплуатацию. Естественно, что долго так оставаться не могло.

В начале 2000-х готов специалисты-разработчики объявили о появлении ветрогенератора третьего поколения - ветротурбины. Конструкция, принцип работы, установка, а самое главное мощность нового устройства коренным образом отличается от его предшественников.

Устройство

Простота. Это именно то слово, которым можно охарактеризовать конструкцию ветротурбинного генератора. По сравнению с лопастными ветрогенераторами, ветряная турбина имеет гораздо меньшее количество рабочих узлов и гораздо больше неподвижных элементов, благодаря чему более стойко переносит различные статические и динамические нагрузки.

Устройство ветротурбины:

• обтекатель, бывает внутренний и наружный;
• обтекатель узла турбогенератора;
• гондола;
• турбина;
• генератор;
• динамичный крепежный узел.

Из дополнительных систем ветрогенератор оснащен блоками инвертирования, аккумуляции и управления. Отсутствуют традиционные для лопастного ветрогенератора системы регулировки лопастей и ориентации на ветер. Последнюю заменяет обтекатель, который также выступает в роли сопла, улавливает ветер и увеличивает его мощность. Если учитывать, что энергия ветряного потока равняется его скорости в кубе V3, то благодаря наличию сопла эта формула выглядит следующим образом: V3х4 = Eх64. При этом благодаря своей цилиндрической конструкции обтекатель имеет свойство самонастраиваться на направление ветра.

Преимущества

Любой новый продукт или изобретение всегда должны существенным образом выделяться на фоне своих предшественников, и обязательно в лучшую сторону. Все это можно сказать и про новый ветрогенератор с турбоконструкцией. Одно из главных преимуществ ветротурбины - это ее устойчивость к сильным ветрам. Ее конструкция устроена таким образом, что она будет эффективно и безопасно работать за пределами, которые для обычных лопастных ветряков, являются критическими: от 25 м/сек до 60 м/сек. Но это не единственное преимущество, которыми обладает ветряная турбина, их несколько:

1. Отсутствие инфразвуковых волн. Наконец-то ученым удалось решить одну из важных проблем, которыми обладают ветрогенераторные установки. Именно из-за существования такого побочного эффекта ВСУ (ветросиловая установка) подвергалось критике со стороны противников альтернативной энергетики, инфразвук отрицательно сказывается на окружающей живой среде. Но теперь ветрогенератор турбинного типа благодаря отсутствию инфразвуковых волн, могут устанавливать даже в городской черте.



2. Отсутствие лопастей снимает сразу несколько задач, которые стояли перед конструкторами и изготовителями ветрогенератора. Первое, снимаются значительные затраты сил и средств на эксплуатационный контроль лопастных ветряков. Второе, лопасть ветряного колеса - это самый сложный элемент ветрогенератора в изготовлении. Львиную долю стоимости обычной ВЭУ составляют затраты именно на изготовление лопастей. К тому же известны случаи, когда при сильных порывах ветра, лопасть ломалась, разбрасывая осколки на сотни метров.
3. Простота сборки и установки. Все сложные конструкции или узлы изготавливает и собирает завод-производитель, на месте происходит лишь последний этап сборки и установка на мачту. Плюс легкость конструкционных элементов, позволяет использовать при монтаже ветрогенераторасамую обычную грузоподъемную технику.
4. Схема подключения. В отличие от лопастной ВСУ турбина подключается по стандартной схеме. На этот факт никак не влияют те технические условия, который выдвигает будущий владелец ВЭУ.
5. Большой срок эксплуатации обусловлен материалами, из которых изготавливается ветрогенератор и его отдельные части. Учитывая профилактические работы, которые обязательны при эксплуатации ветротурбины, срок службы устройства может составлять до 50 лет.



География эксплуатации турбинной ВСУ

Самым реальным и оптимальным местом установки турбинного ветрогенератора будет берег озера или моря. Рядом с водоемами такой ветрогенератор будет работать практически круглый год, потому что благодаря своему сопельному устройству, он является очень чувствительным к легким бризам и другим малейшим проявлениям ветра скоростью от 2 м/сек.

С таким же успехом ВСТ будут работать и в черте города, там, где обычный ветрогенератор работать, неспособен по ряду известных причин:

1. Небезопасность лопастных ВЭУ.
2. Инфразвук, который они издают.
3. Минимальная скорость ветра для работы лопастного ветрогенератора 4 м/сек.

Интересный факт, который доказывает преимущество ВТУ

Одним из краеугольных камней, на которых базируется позиция противников альтернативной энергетики, заключается в том, что ветряные электростанции препятствуют работе локационного оборудования. Во время работы ветрогенератор создает помехи, для прохождения радиоволн. Учитывая размеры отдельных ветроэлектростанций, а они могут составлять от нескольких десятков до сотен квадратных километров, понятно, почему правительства многих стран начали блокировать проекты альтернативной энергетики на государственном уровне - это прямая угроза национальной безопасности.


По этой причине французская компания, производящая комплектующие на ветрогенератор, взялась за непростую задачу с точки зрения исполнения - сделать невидимыми для радаров непосредственно ветросиловые установки, а не пространство вокруг ветрогенератора. Для этого будет использоваться опыт, полученный при изготовлении самолетов Стелс. Новые комплектующие планируют выпустить на рынок уже в 2015 году.

Но где, же факт, который доказывает преимущество ВСТ перед лопастной ВЭУ? А факт заключается в том, что ветротурбины не создают помех, для работы локационного оборудования и без дорогостоящей технологии Стелс.

Перспективы развития альтернативной ветроэнергетики

Первые попытки начать использовать ветрогенератор в промышленных масштабах предпринимались еще в середине прошлого века, но оказались неудачными. Это было обусловлено тем, что нефтяные ресурсы были сравнительно дешевыми, а строительство ветроэнергетических станций было нерентабельно затратным. Но буквально через 25 лет ситуация в корне изменилась.

Альтернативные источники энергии усилено начали развиваться в 70-х годах прошлого века, после того, как в мире резко выросли темпы машиностроения и страны столкнулись с дефицитом нефти, что привело к нефтяному кризису 1973 года. Тогда впервые сектор нетрадиционной энергетики в некоторых странах получил государственную поддержку и ветрогенератор стал использоваться в промышленных масштабах. В 80-х годах мировая ветроэнергетика начала выходить на самоокупаемость, и сегодня такие страны, как Дания, Германия и Австралия почти на 30% обеспечивают себя за счет альтернативных источников энергии, в числе которых и ветроэлектростанции.


К сожалению, а возможно, и к счастью, прошлогодняя тенденция нефтяного рынка с нестабильной ценой на нефть, заставляют всерьез задуматься о том, что времена, когда дешевая нефть - это было хорошо остались в прошлом. Сегодня для многих стран, чем дешевле нефть, тем выгоднее развивать нетрадиционную энергетику в первую очередь это касается стран СНГ. Поэтому предпосылки для того, что ветроэнергетика будет развиваться - есть. Как это будет - посмотрим.

Энергия ветра – бесплатная, возобновляемая, безопасная энергия. Установкой, преобразующей энергию воздушных потоков в электрическую

или тепловую называют ветрогенератор. Большинство современных ветряных установок имеют сравнительно низкий КПД (до 30%) и высокую стоимость производства.

Проект турбинны ветрогенератора

Главными задачами всех ученых, занимающихся проблемами ветроэнергетики, являются снижение стоимости производства ветряков, повышение их КПД и мощности.

Классификация

Ветрогенераторы подразделяются по расположению оси вращения на конструкции с:

• вертикальной осью (перпендикулярной земле);
• горизонтальной осью (параллельной земле).

По материалам, из которых производят лопасти, ветряки классифицируются на:

• жестколопастные;
• парусные.

По числу лопастей подразделяется на:

• генераторы с 2-мя лопастями;
• генераторы с 3-мя лопастями;
• многолопастные генераторы, с числом лопастей от 50-ти.

Ветрогенераторы турбинного типа относятся к категории нового поколения, их устанавливаю на крыше в виде вентиляторов и они не беспокоят соседей шумом

По типу винтового шага различают генераторы с:

• постоянным шагом;
• переменным шагом.

По типу конструкции:

• лопастные;
• турбинные.

По назначению:

• бытовые;
• коммерческие;
• промышленные.

Промышленные ветряки строят, преимущественно, с горизонтальной осью вращения и жесткими лопастями.

Ветровая турбина Liam F1 Urban вырабатывает КПД 80%

Парусные ветряки и генераторы с вертикальными осями вращения часто устанавливают для снабжения энергией частных домов и малых строений.

Ветротурбинная установка – ветрогенератор, турбина которого, имеет цилиндрическую форму с установленными внутри нее лопастями. По сути, это ветряк с горизонтальной осью вращения, края лопастей которого защищены цилиндром. Отличается простой, надежной конструкцией, большим, по сравнению с лопастными ветряками, КПД.

Принципиальное отличие

Ветровая турбина представляет собой цилиндрический контур. Внутри контура располагаются вращающие лопасти. Состоит конструкция из:

• турбины;
• внешнего или внутреннего обтекателя;
• обтекателя узла генератора турбины;
• гондолы;
• генератора;
• инвертора;
• аккумулирующего модуля;
• блока управления;
• динамического узла крепления.

Ветряки данного типа характеризуются отсутствием незащищенных лопастей вращения, а также системы, предназначенной для их регулирования и ориентирования на направление ветра. Это повышает надежность, безопасность конструкции. Цилиндрическая форма обтекателя самостоятельно разворачивается, улавливая ветер, а обтекатель, работающий как сопло, повышает мощность установки.

В зависимости от требуемой мощности и назначения, конструкция может иметь множество модификаций. Например, при изготовлении турбины могут использоваться различные материалы. Варьироваться могут геометрические размеры, способ размещения (на опору, ферму и пр.). Возможно дополнительное оснащение модулями солнечных батарей.

Прототип ветрогенератора турбинного типа для бизнеса

Ветротурбинные агрегаты выпускают бытового и промышленного назначения.

Принцип работы установки

Для нормальной работы ветровой установки турбинного типа необходим ветер, дующий со скоростью от 2 м/с до 60 м/с. Принцип работы установки такой. Агрегат самостоятельно улавливает направление ветра, поворачивается в нужную сторону. Поток воздуха попадает на лопасти, вращает их. Воздушные массы сообщают кинетическую энергию движения лопастям, где она преобразуется в энергию механическую, вращающую ротор.

Турбина ветрогенератора Российской разработки проходит испытания

Вращение ротора продуцирует трехфазный ток, поступающий на генератор. Оттуда ток идет в контроллер, где происходит его выпрямление, далее он протекает через аккумуляторы, заряжает их, затем поступает на инвертор. Инвертор выпускает однофазный переменный ток, частота его колебаний 50 Герц для сетей напряжением 220 В, либо трехфазный ток напряжением 380 В, необходимый промышленным предприятиям, а также для питания нагрузки.

Достоинства турбинной ветроустановки

Ветрогенератор турбинной конструкции имеет существенные преимущества над ветряками иных конструкций.

1. Высокая чувствительность к ветру. Минимальная скорость ветра для приведения лопастей в движение от 2 м/с; ветрякам иного типа нужна скорость ветра от 4 м/с.
2. Генератор способен работать при ураганных скоростях ветра (до 60 м/с). Большинство других ветряков работает до 25-30 м/с.
3. Коэффициент полезного действия ветряного турбогенератора почти вдвое превышает КПД ветряка, имеющего незащищенные лопасти. За счет сопельной конструкции обтекателя, турбинный ветряк значительно мощнее агрегатов иных конструкций.
4. Турбоустановка безопасна для птиц и летучих мышей. Ветряки с открытыми лопастями часто становятся причиной гибели летающих животных, которые не способны определить границы опасной зоны. Ветроустановку турбинной конструкции летучие мыши и птицы идентифицируют как единое препятствие и успешно ее огибают.
5. Ветряки большинства конструкций производят много шума, при определенных скоростях ветра генерируют инфразвук, поэтому их нельзя ставить вблизи жилых домов, ферм, лесных хозяйств. Турбинные установки не продуцируют инфразвук, губительный для людей и животных. Их можно устанавливать рядом с жилым домом. Турбинные ветряки не провоцируют искусственную миграцию животных.
6. Меньшая, по сравнению с лопастными, стоимость производства. Изготовление свободных лопастей – сложный, дорогостоящий процесс. Их отсутствие заметно удешевляет и упрощает производство установки.
7. Легкость и быстрота монтажа. Комплектующие турбогенератора производят на заводе; там же осуществляется сборка основных блоков. Установка включает лишь компоновку, соединение блоков, крепление ее к опоре. Монтаж происходит при помощи стандартных подъемников.
8. Легкость обслуживания. Сервисное обслуживание турбинных ветряков значительно проще и дешевле, чем лопастных. При правильной эксплуатации установки, периодическом грамотном сервисном обслуживании, срок эксплуатации достигает 50 лет.
9. Ветросиловая установка турбинного типа, в отличие от классических ветряков, не мешает летчикам и диспетчерам летных служб, не обнаруживается радарами ПВО, не создает угрозы национальной безопасности.

Область применения

Максимального КПД ветротурбинный генератор достигает вблизи природных водоемов из-за почти круглогодичного движения воздуха и высокой чувствительности к ветру. И также его устанавливают в городах, поселках. Конструкция установки позволяет пользоваться генератором для автономного или комбинированного освещения частных домов и дач.

Полезен ветрогенератор в населенных пунктах, расположенных вдали от городов, райцентров, где часто случаются перебои с электричеством. Ветротурбинную установку можно использовать вблизи аэродромов, военных полигонов. Оставаясь невидимой для радаров, она не несет опасности для пилотов и систем национальной безопасности.

Для привода ветрового генератора изготовлена турбина роторного типа с вертикальной осью вращения. Этот тип ротора очень прочен и долговечен, имеет относительно небольшую скорость вращения и легко может быть изготовлен в домашних условиях, без канители с аэродинамическим профилем крыла и другими проблемами, связанными с изготовлением рабочего винта для ветрогенератора с горизонтальной осью вращения. Более того, такая турбина работает практически бесшумно и вне зависимости от того, куда дует ветер. Работа практически не зависит от турбулентности и частой смены силы и направления ветра. Для турбины характерны высокие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях. Эффективность этой турбины небольшая, но для питания устройств небольшой мощности этого достаточно, все окупается простотой и надежностью конструкции.

Электрогенератор

В качестве генератора используется доработанный компактный автомобильный стартер на постоянных магнитах. Выходные данные генератора: переменный ток мощностью 1,0…6,5 вт (в зависимости от скорости ветра).
Вариант переделки стартера в генератор описан в статье:

Изготовление турбины ветрогенератора

Эта ветровая турбина практически ничего не стоит и проста в изготовлении.
Конструкция турбины состоит из двух или более полуцилиндров установленных на вертикальном валу. Ротор вращается за счет различного сопротивления ветру каждой из лопастей, повернутых к ветру с различной кривизной. Эффективность ротора несколько повышается за счет центрального зазора между лопастями, так как некоторое количество воздуха дополнительно воздействует на вторую лопасть при выходе из первой.

Генератор закрепляется на стойке за выходной вал, через который выходит провод с полученным током. Такая конструкция позволяет исключить скользящий контакт для съема тока. Ротор турбины устанавливается на корпус генератора и фиксируется на свободные концы монтажных шпилек.

Из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм вырезается диск диаметром 280…330 мм или квадратная пластина, вписанная в этот диаметр.

Относительно центра диска размечаются и сверлятся пять отверстий (одно в центре и 4 по углам пластины) для установки лопастей и два отверстия (симметричные центральному) для закрепления турбины на генератор.

В отверстия, расположенные по углам пластины, устанавливаются небольшие уголки из алюминия, толщиной 1,0…1,5 мм, для закрепления лопастей.

Лопасти турбины изготовим из консервной банки диаметром 160 мм и высотой 160 мм. Банка разрезается вдоль оси пополам, в результате чего получаются две одинаковые лопасти. Края банки после разреза, на ширине 3…5 мм, загнуты на 180 градусов и обжаты для усиления края и исключения острых режущих кромок.

Обе лопасти турбины, со стороны открытой части банки, соединены между собой П-образной перемычкой с отверстием посередине. Перемычка образует зазор шириной 32 мм, между центральной частью лопастей, для повышения эффективности работы ротора.

С противоположной стороны банки (у дна), лопасти соединены между собой перемычкой минимальной длины. При этом зазор шириной 32 мм сохраняется на всей длине лопасти.

Собранный блок лопастей устанавливается и крепится на диск в трех точках - за центральное отверстие перемычки и установленные ранее алюминиевые уголки. Лопасти турбины закрепляются на пластине строго одна против другой.

Для соединения всех деталей можно использовать заклепки, саморезы, винтовое соединение М3 или М4, уголки или применить другие способы.

В отверстия, с другой стороны диска, устанавливается генератор и фиксируется гайками на свободные концы монтажных шпилек.

Для надежного самозапуска ветрогенератора необходимо добавить в турбину второй аналогичный ярус лопастей. При этом лопасти второго яруса смещаются по оси относительно лопастей первого яруса на угол 90 градусов. В итоге получится четырехлопастной ротор. Это гарантирует, что всегда есть, по крайней мере, одна лопасть, которая в состоянии поймать ветер и дать турбине толчок для вращения.

Для уменьшения размеров ветрогенератора, второй ярус лопастей турбины можно изготовить и закрепить вокруг генератора. Изготовим две лопасти шириной 100 мм (высота генератора), длиной 240 мм (аналогично длине лопасти первого яруса) из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм. Лопасти изогнем по радиусу 80 мм, аналогично лопастей первого яруса.

Каждая лопасть второго (нижнего) яруса закрепляется с помощью двух уголков.
Один установлен в свободное отверстие на периферии диска, аналогично креплению лопастей верхнего яруса, но со сдвигом на угол 90 градусов. Второй уголок закрепляется на шпильку устанавливаемого генератора. На фото, для наглядности крепления лопастей нижнего яруса, генератор снят.

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 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.

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 , 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.

Ветряные турбины в качестве источника электроэнергии используются уже не одно десятилетие. Впервые подобные конструкции человек начал эксплуатировать, когда обуздал силу природы и стал возводить мельницы. Сегодня для производства электроэнергии используются ветрогенераторы турбинного типа уже третьего поколения. Причем сами конструкции приобретают в последнее время все более необычные формы.

Современная ветряная турбина состоит из следующих элементов:

1. Анемометр. Он отвечает за измерение скорости ветра и передает соответствующую информацию контроллеру турбинного ветрогенератора.
2. Лопасти. Ветер, попадая на эти элементы, заставляет их вращаться. В результате в действие приводится турбина, которая вырабатывает электроэнергию.
3. Тормоз. Он дополняется механическим, гидравлическим и иными приводами. Тормозная система в ветровой турбине необходима для остановки ротора при возникновении критических ситуаций.
4. Контроллер. Отвечает за управление всей установки. Он в автоматическом режиме запускает ветряные турбины и останавливает их ход.
5. Индукционный генератор. Устройство генерирует электроэнергию. Оно дополняется высокоскоростным валом.
6. Гондола. Она располагается в верхней части ветряной турбины. В корпусе гондолы скрывается большинство элементов конструкции установки, включая тормоз и контроллер.

В зависимости от типа конструкции ветряная турбина может дополняться другими элементами. В частности, современные установки оснащаются обтекателем, который улавливает ветер и усиливает мощность последнего.

Достоинства турбин

Ветряная турбина современного типа обладает следующими преимуществами в сравнении со своими предшественниками:

1. Способна работать при высокой скорости ветра. Турбины современного типа функционируют, когда ветровые потоки движутся с превышением критических показателей (25–60 м/сек).
2. Не создает инфразвуковых волн. Этим недостатком обладали ветротурбины предыдущих поколений.
3. Простой монтаж. Основу конструкции создают еще на производстве. На месте устанавливаются отдельные элементы и монтируется гондола на мачту.
4. Применение инновационных материалов. Они не только увеличивают срок эксплуатации установки, но и обеспечивают легкость монтажа.

Ветровые установки в основном монтируются вдоль морского и океанского побережья либо непосредственно на воде. Такой подход позволяет добиться практически круглогодичной работы турбины.

Современные разработки

К числу недостатков, которыми обладают лопастные установки, относят следующее:

• они нарушают естественный тепловой баланс;
• относительно низкий КПД, не превышающий 30%;
• занимают большую площадь;
• представляют опасность для птиц.

Указанные недостатки заставляют разработчиков по всему миру искать новые технологические решения, позволяющие получать ветровую энергию. Среди последних достижений можно выделить:

1. Парящую турбину.

Конструктивно она напоминает воздушный шар, наполненный гелием. Внутри на горизонтальной оси установлена турбина с тремя лопастями. Такая система сегодня эксплуатируется на Аляске. Парящая турбина располагается на высоте, недоступной для современных ветровых установок. Такая система способна функционировать практически в автономном режиме (участие персонала сведено к минимуму).

2. Вертикальные турбины.

Их лопасти повторяют расположение плавников у рыб. За счет такой конструкции турбины способны вырабатывать достаточное количество электроэнергии, находясь при этом на близком расстоянии друг от друга. Длина вертикальных установок составляет 9 м. Для эффективной работы системы необходим монтаж как минимум двух близкорасположенных турбин. Согласно предварительным исследованиям, новый тип установок в сравнении с лопастными аналогами вырабатывает в 10 раз больше электроэнергии, занимая равную площадь.

3. Углеродистые «стебли».

В ОАЭ реализуется новый проект по генерации чистой электроэнергии. Он предусматривает монтаж 1203 углеродистых «стеблей» на 20-метровом основании. Высота данной конструкции составляет 55 м. Каждый отдельный элемент системы находится на расстоянии 10 м друг от друга.

Толщина отдельного стебля в основании равна 30 м. Внутри их располагаются слои, состоящие из чередующихся между собой электродов и пьезоэлектрического материала. Под давлением последний генерирует электричество. Энергия возникает в момент, когда стебли качаются на ветру. Данная система обеспечивает выработку того же количества электроэнергии, что и другие ветряные установки, занимающие равную площадь.

Нечто похожее создали тунисские ученые. Их система отличается от углеродистых «стеблей», используемых в ОАЭ, тем, что в ее верхней части располагается бесшумный генератор, напоминающий спутниковую тарелку.

В Голландии предложили устанавливать на каждый дом небольшую конструкцию, способную под действием силы ветра генерировать электричество. Этот ветрогенератор имеет турбину, повторяющую форму панциря улитки. Она, захватывая поток ветра, разворачивается и меняет направление его движения. Производительность такого ветрогенератора достигает 80% от теоретических показателей, которые потенциально могут демонстрировать подобные установки.

В последние годы появились разработки, предназначенные для монтажа на плавательных судах. В целом, количество систем, способных заменить собой лопастные ветрогенераторы, постоянно увеличивается. Возможно, в будущем они смогут решить все задачи, стоящие перед ветряной энергетикой.