Безлопастные турбины — новый вид ветрогенераторов
Безлопастные турбины — новый вид ветрогенераторов
У специалистов по альтернативной энергетике давно сформировался стереотип относительно того, как должны выглядеть правильные и эффективные ветрогенераторы. Такое положение дел вовсе не удивительно, ведь ветрогенераторы возводятся каждый год по всему миру, и это всегда огромные сооружения с лопастями, похожие на гигантские ветряные мельницы. А что до безлопастных ветрогенераторов, то к ним отношение, как правило, в среде альтернативщиков весьма и весьма скептическое.
Тем не менее разработчики новых решений не спешат останавливаться в своем энтузиазме. И вот, в 2015 году, испанская компания Vortex Bladeless предложила новый вариант и уже готовую модель решения, показывающую, как могут быть устроены ветрогенераторы, не уступающие по эффективности традиционным лопастным, однако превосходящие их как по безопасности, так и по экономичности производства и по возможностям установки.
Компания Vortex Bladeless представила модель и рабочий макет принципиально нового ветрогенератора, совсем не похожего на обычные ветряки. Здесь нет вращающихся на ветру лопастей, и вообще не предусматриваются крупные вращающиеся части.
Генератор отнюдь не похож на ветряную мельницу, скорее он напоминает большую биту для бейсбола, установленную вертикально на ручку, и покачивающуюся под действием дующего на нее ветра. Но ведь ветер не всегда дует порывами, — может возразить кто-то, — и как же тогда будет раскачиваться эта гигантская бита, она же просто нагнется и так и будет неподвижно стоять словно дерево? На самом деле все совсем не так!
Принцип, по которому вертикальный безлопастной ветрогенератор станет покачиваться на ветру — не связан с порывами ветра. Принцип заключается в раскачивании вертикального генератора невидимыми вихрями воздуха, образующимися в форме цепочки позади цилиндрических объектов, обдуваемых газом или обтекаемых жидкостью в поперечном направлении.
Данный феномен был объяснен в далеком 1912 году американским физиком и специалистом по аэродинамике и воздухоплаванию Теодором фон Карманом. А явление образования цепочек вихрей вокруг обдуваемой газом или обтекаемой жидкостью, вертикальной оси назвали в честь ученого «дорожкой Кармана». Это явление и положено разработчиками в основу уникального безлопастного ветрогенератора.
Ветряной генератор от Vortex вдвое дешевле в производстве, чем лопастная турбина аналогичной мощности, а затраты на регулярное обслуживание меньше в пять раз! К тому же количество выделяемых парниковых газов на 40% ниже, работает генератор тише, и почти полностью безопасен для птиц и летучих мышей.
А что касается эффективности в целом, то вертикальные безлопастные генераторы можно будет устанавливать на меньшей площади и получать таким образом больше электроэнергии, чем от тех же лопастных ветрогенераторов, требующих огромных площадей дабы турбине было где размахнуться. Этот фактор крайне важен при возведении крупных ветряных электростанций, а вертикальных генераторов можно установить несколько, и близко друг к другу — электростанция получится более компактной.
Мало того, разработчики проверили аэродинамику системы из двух своих ветрогенераторов, когда один стоял позади другого, и оказалось, что тот который стоял сзади — раскачивался еще сильнее, ведь он повторно использовал вихри от первого.
Авторы проекта уверены, что для частных домовладений будет достаточно небольших ветрогенераторов Mini высотой в 12,5 метров на номинальную мощность в 4 кВт, а основу крупных ветряных электростанций составят разрабатываемые модели Gran на 1 МВт каждый. Еще на начальном этапе исследований, в 2012 году, европейские инвесторы вложили в Vortex Bladeless порядка 1000000 евро, и по сей день проект представляется очень перспективным.
Конструктивно ветряк состоит из двух частей. Верхняя часть обладает неровной поверхностью, и именно она раскачивается и генерирует воздушные вихри дорожки Кармана вокруг себя. В неподвижной нижней части конструкции расположены элементы электрогенератора.
Установка спроектирована таким образом, чтобы раскачка происходила на резонансной частоте, совпадающей с частотой вихрей в образуемой дорожке Кармана. Так ветер раскачивает верхнюю часть ветряка, используя явление механического резонанса. И если раньше такой резонанс разрушал мосты и другие сооружения, то теперь он сможет генерировать электроэнергию, проявляя свой разрушительный потенциал более дружелюбно.
Сначала специалисты компании успешно протестировали прототипы на 2 кВт, рассчитанные на ветер, дующий со скоростью от 1,5 до 7 м/с; модели на 4 кВт рассчитаны на 3-15 м/с, и так возможно масштабирование вплоть до единиц мегаватт. Главные составные части будущих ветряных электростанций на новых генераторах — вертикальные генераторы Vortex Bladeless на 1 МВт, высотой 150 метров, из которых можно будет собрать огромную электростанцию необходимой мощности.
Всех тонкостей разработчики, конечно, не раскрывают, однако кое-что известно. В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов, так что когда ветер нагибает структуру в одну сторону, магниты тянут в другую сторону, и эти небольшие нажимающие и выталкивающие движения как раз и способствуют проявлению кинетической энергии, возникающей в процессе кругового покачивания башни, которая затем преобразуется в электрическую энергию при помощи линейного генератора переменного тока. Частота колебаний башни достигает 20 Гц.
Исследования продолжались долго, и на различных этапах устройство непрерывно совершенствовалось, более 200 моделей было изготовлено, и каждая из них была испытана разработчиками в аэродинамической трубе, чтобы геометрия мачты наконец позволила бы собирать столько энергии ветра, сколько максимально возможно, и чтобы собственная частота мачты Vortex Bladeless могла бы изменяться, дабы подстраиваться в резонанс с дорожкой Кармана.
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