Использование безлопастного ветрогенератора: принцип работы, конструкция и устройство ветряка будущего
Обновлено: 30 марта 2021
Ветроэнергетика прочно заняла свою нишу среди других способов производства электроэнергии. Доля произведенного промышленными ветрогенераторами электротока от общего количества потребляемой энергии, например, в Дании, составляет 36%. Возможности этого метода еще не изучены полностью, а обилие новых разработок, постоянно появляющихся и демонстрируемых конструкторами, говорит о перспективности этого направления.
Слишком заманчиво производить энергию из ветра, который достается совершенно бесплатно и в неограниченном количестве. Энергия есть, ее много, надо только суметь получить.
Ветряки необычных конструкций
Согласно расчетным данным, максимально возможный КПД ветрогенератора составляет 59,3%. Причина этого кроется в особенностях конструкции ветряков и в большом количестве потерь на трение, передачу вращения и прочих тонких эффектах, в сумме отбирающих половину (а то и больше) эффективности устройств. Ограниченные возможности существующих ныне ветрогенераторов стали причиной активного поиска более удачных конструкций, работающих на иных принципах и способных к более интенсивному приему энергии ветра.
Наиболее привлекательна идея отказаться от привычных лопастей и пойти по пути использования более простых конструкций. Это позволит снизить расходы на производство и обслуживание, увеличит срок службы, снизит уровень шума и опасность для птиц и животных. Разработки, уже имеющиеся в этом направлении, сулят большие перспективы в случае их широкого распространения.
Ветрогенератор без лопастей
Безлопастные ветрогенераторы разрабатываются уже довольно давно, но дальше предложенных проектов пока дело не заходило. Наконец, испанская компания Vortex представила полноценную рабочую конструкцию ветротурбины, полностью лишенной лопастей.
Вариант, предложенный Vortex, вызвал немалый интерес среди представителей научных и деловых кругов. Учитывая скептицизм, который принято испытывать по отношению к различным «непонятным» конструкциям, подобное отношение наглядно демонстрирует наличие проблемы и существование серьезной заинтересованности в ее решении.
Существуют и другие безлопастные конструкции, например, парусные ветряки, не имеющие вращающихся частей, а использующие силу давления ветра на сплошное полотно. Поток, взаимодействующий с парусом, используется полностью, но велики потери при передаче энергии на систему поршней, от которых приводится во вращение генератор. Кроме того, сильный порыв ветра создает большую нагрузку на полотно, что создает угрозу разрушения или опрокидывания мачты с ветряком.
Все имеющиеся до сего времени варианты конструкции безлопастных ветрогенераторов имели общий недостаток — они использовали для производства энергии обычные тихоходные генераторы, нуждающиеся во вращении. Поэтому любая разработка имела один и тот же проблемный узел — участок преобразования полученной энергии во вращательное движение.
Специалисты Vortex, похоже, нащупали способ решения проблемы, отказавшись от традиционных генераторов.
Как устроены безлопастные ветряки?
Конструкция, которую вынесли на суд общественности инженеры Vortex, по их заверениям, имеет большую эффективность, экономичность, экологическую чистоту. Внешне устройство выглядит необычно и несколько футуристически — ветряк представляет собой вытянутый конус, установленный на вершину.
Определить на вид предназначение такого сооружения невозможно, если заранее не иметь о нем никакого представления. При работе никакого вращения нет, устройство лишь слегка раскачивается под действием ветра. Компания планирует начинать массовое производство с небольших моделей, имеющих вес 10 кг, высоту 3 м и развивающих мощность 100 Вт. Параллельно разработана более солидная установка на 4 кВт, имеющая 13 м высоты и вес 100 кг.
В ближайшее время предстоит тестовый запуск станции из 100 столбов, которые будут обеспечивать электроэнергией 300 частных домов в Шотландии. В планах компании проект создания мегаваттной установки, способной обеспечивать энергией серьезные количества потребителей в масштабе больших городов, крупных промышленных предприятий. Проект получил широкую поддержку экологических организаций и общественных движений.
Принцип работы
Действие генератора основано на образовании воздушных завихрений, которые создаются при обтекании потоками ветра цилиндрических препятствий. Конусообразная форма устройства способствует раскачиванию, чувствительность к нарушению равновесия является важным показателем работы ветряка.
Образующиеся вихри создают достаточно сильную вибрацию, приводящую в движение всю конструкцию столба, на изменение положения реагируют чувствительные магниты, создающие сильное поле. Эффект образования завихрений, создающих цепочки возмущений потока, известен уже более 100 лет. Он впервые описан и рассчитан Теодором фон Карманом в 1912 году, но на пользу его никто не пытался обратить.
Воздушные завихрения, использованные в основе конструкции, до сих пор считались вредными паразитными проявлениями. Их влияние способно к серьезным воздействиям на конструкцию, что наглядно продемонстрировал мост Такома-Нарроуз в Америке, который разрушился из-за таких колебаний. Подобных примеров, приведших к сильной раскачке мостовых конструкций, можно привести достаточно много. Ветрогенератор, предложенный компанией Vortex, является первой попыткой направить эти силы на пользу.
Испытания, проведенные специалистами, показали, что наилучшие показатели достигаются при использовании нескольких установок, расположенных неподалеку друг от друга. Колебания, инициированные первым столбом, улавливаются второй конструкцией, усиливаются и направляются дальше — нарастающей. Такая способность натолкнула конструкторов на мысль о необходимости использовать не отдельные устройства, а комплекты, дающие сильный эффект, производящие большее количество энергии.
Ветрогенераторы будущего
Усиленные исследования в области безлопастных конструкций дают основания предполагать рост производства подобных изделий. Существующие уже сегодня разработки сулят большие перспективы этому направлению, поскольку экономичность и эффективность таких моделей даже на стадии макетирования намного превышают показатели сегодняшних промышленных образцов.
Исследователи, конструкторы не хотят мириться с недоступностью дармовой, неисчерпаемой энергии ветра, использование которой позволяет отказаться от опасных или вредных для окружающей природы атомных или гидроэлектростанций.
Возможности ветрогенераторов пока не могут полностью решить проблему, но, по мере появления более успешных разработок, неминуемо начнут понемногу занимать место отработавших свой срок службы нынешних энергетических гигантов. Такой процесс будет плавным, резкого перехода не будет, поэтому каких-либо неудобств или потерь никто не почувствует.
Создание бесшумных, не имеющих вращающихся частей установок значительно снизит их себестоимость, что отразится на цене конечного продукта — электроэнергии, увеличит ее доступность, позволит всем без исключения пользоваться энергией ветра.
Источник
Ветряная турбина без лопастей
Vortex Bladeless
Компания Vortex Bladeless («Vortex» переводится как «Вихрь», а «Bladeless» – «Безлопастной») использует принципиально новый подход к извлечению энергии ветра. Устройство собирает энергию завихрений – аэродинамического эффекта, досаждающего инженерам-проектировщикам и архитекторам на протяжении веков (эффект срыва вихрей). При обходе ветром стационарно установленной конструкции структура потока воздуха изменяется, образуя циклические колеблющиеся вихри. Если их силы достаточно велики, стационарная структура начинает колебаться, может войти в резонанс с поперечными составляющими силы ветра и даже разрушиться. Классическим академическим примером может служить мост Такома-Нэрроуз, который разрушился спустя три месяца после торжественного открытия вследствие ряда причин, и, в частности, из-за эффекта срыва вихрей.
Вместо того чтобы бороться с этой аэродинамической нестабильностью, технология Vortex использует ее, максимизируя результирующие колебания и извлекая из них энергию. Естественно, конструкция такого устройства абсолютно не похожа на обычную турбину. Вместо обычных башни, гондолы и лопастей устройство имеет неподвижную мачту, генератор и пустотелый, легкий, полужесткий стекловолоконный цилиндр на вершине.
Этот ветрогенератор не имеет каких-либо контактирующих друг другом подвижных частей, что исключает необходимость смазки и уменьшает износ. Известно, что устройство может иметь только определенную частоту колебаний, что ограничивает возможность его непрерывной работы. Однако благодаря самонастраивающейся магнитной связи Vortex может работать в широком диапазоне скоростей ветра. Эта система позволяет максимизировать амплитуду колебаний: когда ветер усиливается, отталкивающая сила магнита возрастает, вследствие чего расстояние между штангой и магнитом сокращается. В результате колебания и потенциал генерируемой энергии увеличиваются до максимума. Vortex может автоматически изменять свою жесткость и «синхронизироваться» со скоростью набегающего ветра, чтобы оставаться в резонансе без какого-либо механического или ручного вмешательства.
Основные преимущества Vortex
Одним из главных преимуществ Vortex является исключительно низкая цена. Фактическая нормализованная стоимость производства энергии для типичной оффшорной фермы составит $0.035/кВт·ч (порядка 35 евро за МВт·ч), включая капитальные затраты, эксплуатацию и обслуживание, аренду земли, страхование и административные расходы.
Это ставит предложенную технологию на нижнюю границу ценового диапазона подобных проектов, делая ее весьма конкурентоспособной не только по отношению к устройствам генерации мощности с использованием альтернативной или возобновляемой энергии, но даже по сравнению с традиционными технологиями.
Столь значительное снижение цены обусловлено сокращением производственных затрат, поскольку мачта и оборудование генератора, в основном, представляют собой одно целое. Это позволяет исключить из конструкции гондолу, опорные механизмы и лопасти – самые дорогостоящие компоненты традиционных ветрогенераторов. Грубая оценка показывает, что выигрыш в стоимости производства по сравнению с обычной ветряной турбиной может составлять 51%. Изготовление, перевозка, строительство и монтаж также значительно упрощаются, оставаясь при этом операциями, стандартными для индустрии ветроэнергетики.
Существует еще один отличительный признак, дающий Vortex конкурентное преимущество над другими установками. Благодаря тому, что генератор (и центр тяжести) находятся ближе к земле, Vortex упрощает процедуры монтажа, использования и технического обслуживания. В противоположность этому, типичная гондола обычного ветрогенератора устанавливается более чем в 80 метрах над поверхностью земли.
В конструкции полностью отсутствуют механические элементы, которые могут изнашиваться от трения, что, согласно оценкам, позволит, по сравнению с традиционными турбинами, сократить эксплуатационные расходы на 53%, исключив необходимость замены масла или большинства механических частей, требующуюся многолопастным ветряным турбинам на протяжении 20-летнего срока их службы.
Конечно же, Vortex не застрахована от усталости. Ветер может вызывать смещение и скручивание элементов структуры, прежде всего, эластичной штанги, в особенности, в нижней ее части, противостоящей наибольшим силам. Однако проведенные компанией исследования подтвердили, что нагрузки, испытываемые штангой, далеки от предельно допустимых режимов основного строительного материала генератора – углеродного волокна. Компьютерное моделирование показывает, что срок службы установки будет находиться в диапазоне между 32 и 96 годами.
 |
| Будь здесь Дон Кихот, что бы он подумал о мельнице без лопастей? |
Конструкция Vortex сейчас занимает 30% площади, требуемой обычному ветрогенератору. Практически, это площадь круга, по траектории которого совершает движение вершина мачты при максимальной скорости ветра. При той же высоте, которую имеют современные ветряные турбины, она может извлекать до 40% содержащейся в воздухе энергии, что, безусловно, является более чем хорошим показателем. Система немного проигрывает в эффективности преобразования энергии, достигая уровня порядка 70% от эффективности традиционных генераторов, но связано это только с тем, что при ее создании акцент делался на исключение трущихся и изнашивающихся деталей.
Более «зеленая» альтернатива традиционной ветроэнергетике
Кроме того, как ожидается, намного снизится вред, наносимый популяции птиц, поскольку характер и размах движений Vortex отличаются от традиционной ветряной турбины, что делает установку лучше различимой.
При частоте колебаний оборудования менее 20 Гц воздействие звука становится несущественным, открывая путь к созданию полностью бесшумных ветряных ферм будущего.
Поскольку Vortex не убивает птиц и не шумит, проект активно поддерживается несколькими экологическими защитными организациями, включая ассоциацию SEO Birdlife.
Стадия испытаний
Для доказательства реализуемости технологии Vortex провела испытания множества прототипов в аэродинамической трубе. В настоящее время Vortex Bladeless оптимизирует методику испытаний в реальных условиях, чтобы завершить создание небольшой действующей модели.
На начальном этапе Vortex сосредоточится на производстве небольших изделий. Первым будет генератор мощностью 100 Вт, имеющий высоту 3 м и вес 10 кг. Турбина разрабатывалась специально для автономной работы в единой системе с солнечными панелями. Такое решение будет рентабельным для домохозяйств с уже установленными солнечными батареями и сможет производить электричество в то время, когда солнечная энергия не вырабатывается. Начав работать, этот продукт, получивший название Vortex Atlantis, положит начало пилотной программе компании. Это будет солнечная панель, использующая энергию ветра.
Вторая установка, которую подготовят к производству в течение года, будет также малоразмерной. 4-киловаттный генератор высотой 13 м и весом 100 кг, как и первый, 100-ваттный генератор, предназначенный для автономного использования, будет оптимизирован для совмещенных с солнечными батареями гибридных систем, использующих общие электрические инверторы.
Основная цель будет достигнута через четыре года, когда Vortex представит ветрогенератор мощностью более одного мегаватта.
О Vortex Bladeless
 |
| Изобретатель безлопастной турбины Дэвид Яньес. |
Vortex Bladeless – испанская стартап-компания, занимающаяся разработкой ветряной турбины без лопастей и запатентовавшая в процессе работы множество технических решений. Работа поддерживалась грантами фонда Repsol, испанской инвестиционной компанией Spanish Angels и кредитами испанского правительства. В апреле 2015 года Vortex переместилась в Бостон и сформировала консультативный совет с участием представителей Гарвардского университета, IDEO, TerraForm Power и Dat Venture. В настоящее время компания ведет переговоры с инвесторами из США, чтобы запустить следующий этап финансирования в рамках краудфандингового проекта, целью которого станет коммерциализация технологии. Сегодня компания насчитывает 11 сотрудников. Учредители встретились несколько лет назад. Дэвид Яньес (David Yañez) является автором идеи, Рауль Мартинг (Raul Marting) занимается вопросами, связанными с организацией компании, а Дэвид Сурайол (David Suriol) управляет бизнесом.
Демонстрационное видео
Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман
Источник