Безлопастные ветрогенераторы принцип работы

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

Безлопастной ветрогенератор. Устройство и принцип работы.

Безлопастной ветрогенератор

Здравствуйте, дорогие читатели! Сегодня узнаем, что такое безлопастной ветрогенератор, рассмотрим общее устройство и принцип работы, узнаем где применяется. И так…

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.

Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless

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.

Вихревая дорожка Кармана

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.

Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless

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.

Установка безлопастного ветрогенератора

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.

В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов

Всех тонкостей разработчики, конечно, не раскрывают, однако кое-что известно. В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов. 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. Эта энергия затем преобразуется в электрическую при помощи линейного генератора переменного тока. Частота колебаний башни достигает 20 Гц.

Безлопастной ветрогенератор

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

Как устроен генератор Vortex Bladeless

Основная идея

Vortex Bladeless – это генератор, который работает за счет вибраций, возникающих в момент, когда ветряной поток проходит вдоль поверхности устройства, создавая аэроупругие колебательные движения на его поверхности. Генератор напоминает высокий столб обтекаемой формы с цилиндром в земле.

В отличие от классической ветряной мельницы у него нет лопастей. Под воздействием ветра, мачта колеблется, пружинит из стороны в сторону, благодаря чему производится энергия. Другими словами, это ветряное устройство – вовсе не турбина. Вихревые ветрогенераторы больше похожи на солнечные панели, нежели на обычные ветровые электростанции, они так же просты и экономичны.

Проект финансируется Европейским Союзом, Программой Инноваций Horizon 2020.

Устройство

Внешний столб вибрирует от силы ветра, без ограничений в амплитуде. Его основание прочно зафиксировано в зеле блоком в форме цилиндра. Устройство собрано с использованием смол, укрепленных углеродом и стекловолокном. Это обеспечивает высокую прочность без потери КПД.

Конструкция ветрового устройства сильно отличается от обычного ветряка. Вместо привычной башни с лопастями есть только мачта из очень прочных и легких материалов.

Такая конструкция снижает издержки на производство и упрощает монтаж.

Преобразование энергии

Устройство улавливает энергию ветра благодаря аэродинамике вихревого потока. Если углубляться в гидромеханику, то когда ветер проходит через мачту столба, поток видоизменяется в круговые вихри. Как только их частота становится ближе к частоте мачты, столб начинает колебаться и взаимодействовать с ветром. Это называется Вихревая Индуцированная Вибрация (VIV).

Гидродинамика Vortex Technology

В структурной инженерии, аэронавтике и архитектуре стараются избежать вихревой индуцированной вибрации (VIV). Турбины Vortex же, напротив, улавливают и увеличивают энергию от колебаний и аэродинамической нестабильности. Форма мачты устройства специально разработана для достижения максимальной производительности при средних скоростях ветра. В обычных городских условиях она способна очень быстро адаптироваться к изменениям направления ветра и колебаний потоков воздуха.

Проблема обычных ветрогенераторов в том, что их приходится устанавливать далеко друг от друга, поскольку мешают потоки нисходящего ветра, которые создают «эффект пробуждения» для запуска. Vortex лишены этих проблем: для нормальной работы мачты требуется свободная площадь, радиус которой составляет половину от высоты устройства. Вокруг обычных ветряков требуется пространство длиной больше его высоты в пять раз.

Специально разработано для потребительского рынка

Генератор переменного тока

Сейчас Vortex создаёт электричество с помощью катушек и магнитов, приспособленных к динамике ветрового вихря. Без шестерёнок, валиков или каких-либо вращающихся частей, оставаясь при этом «малой ветряной турбиной».

Генераторы переменного тока – уже известная технология, но Vortex её усовершенствовал и запатентовал. Такая конструкция устраняет необходимость в смазке и позволяет сократить объемы технического обслуживания.

Настройка частоты

Частота производительности Vortex пропорциональна скорости ветрового потока, но каждое устройство имеет собственную частоту колебаний. Чтобы уравнять частоту ветра с собственной частотой каждого устройства, вы должны изменить массу тела (чем больше масса, тем меньше собственная частота) и жесткость (чем больше жесткость, тем выше частоты), среди ряда других показателей.

Следовательно, вам потребуются сложные механизмы для изменения собственной частоты одного устройства. Для решения данной задачи мы предусмотрели систему удержания на магнитах, которые увеличивают жесткость мачты в зависимости от степени её изгиба. Степень сгибания увеличивается по мере усиления ветра. Мы называем это «регулировкой».

Таким образом, запатентованная система Vortex получает электроэнергию, самораспределяя нужные изменения конструкции для взаимодействия с потоком ветра, что позволяет без усилий захватывать более широкий диапазон скоростей ветра, с начальной скоростью от 3 м/с. Без какого-либо механического или ручного вмешательства. Таким образом точка блокировки аэрогенератора расширяется.

Вихревой эффект Фон Кармана

Эффект вихревых дорожек Vortex Street или Vortex Shedding впервые описал гений аэронавтики Теодор фон Карман в 1911году. Эффект создается боковыми силами ветра на объекте, погруженном в ламинарный поток, из-за чего возникают кольцевые вихри, а это может стать инженерной проблемой для тонких конструкций – мачт, башен и дымоходов. Как пример, разрушение узкого моста в Такоме в 1940 году, США.

Vortex успешно подстраивает частоту устройства, чтобы взаимодействовать с частотами ветра в широком диапазоне скоростей ветра

Понимание колебаний

Идея Vortex заключается в использовании одной и той же силы для производства энергии. Колеблясь, система использует энергию движения в качестве обычного генератора.

Вы найдете много примеров эффекта Vortex Shedding в повседневной жизни. Используя различные физические явления, Команда Vortex создала множество вычислительных моделей, которые показывают правильное создание формы и параметров для развития и повышения эффективности таких проектов.

Вычислительное моделирование

Принцип улавливания энергии вихрей ветрового потока (VIV, Вихревая Индуцированная Вибрация) – это 3D-феномен. А поскольку наша технология нова, мы должны создавать новые модели и подтверждать их эффективность. 3D-моделирование основано на числе Рейнольдса, важной безразмерной величине в гидромеханике, а она используется, чтобы помочь предсказать направление потоков воздуха в различных ситуациях потока жидкости.

Мы прилагаем все свои усилия чтобы найти лучший способ достижения результатов исходя из доступного количества ресурсов и времени. Используем программное обеспечение Altair, также сотрудничаем с Суперкомпьютерным центром Барселоны, используя их вычислительные мощности.

Технология защищена во всем мире 6 различными патентными семействами.

Основные функции

МАТЕРИАЛЫ И СРОК СЛУЖБЫ

Поддерживание разных уровней нагрузки при переменных скоростях ветра предъявляет высокие требования к запчастям. Выхревые устройства полностью исключают механические элементы, которые могут изнашиваться из-за трения. Это исключает затраты на техобслуживание. Vortex построено из полимеров углеродного волокна, пластмассы, стали, неодима и меди, — износ которых приходит далеко после срока эксплуатации ветровой башни.

Долговечность

Конечно, страховки от изнашиваемости любой турбины нет. Под большими нагрузкам и изгибами от колебаний, материал со временем может рушится, но Vortex уделила этому вопросу особое внимание.
Углеродный стержень рассчитан на максимальную амплитуду 2,7º, при ней материал лишь минимально деформируется. После вычислений, мы проанализировали и выбрали лучший материал, который принесёт огромный срок службы.

Эффективность затрат

Бюджетность – одно из ключевых преимуществ Vortex. Мы сделали стоимость производимой электроэнергии доступной, чтобы быстрее окупить инвестиции.

Это делает нашу технологию конкурентоспособной не только в сравнении с альтернативными или возобновляемыми источниками энергии, но даже по сравнению с традиционными технологиями.

Простой лаконичный дизайн, не требующий большого количества механизмов и материалов, тоже способствует сокращению денежных расходов. Легкий вес и центр тяжести, расположенный близко к земле, снижает требования к фундаменту и облегчая установку. Таким образом, избавляет от нужды в дорогостоящих комплектующих, в отличие от традиционных ветрогенераторов.

Vortex сотрудничает с неправительственными организациями, университетами и ведущими научно-исследовательскими центрами по всему миру.

Потенциал линейки

Vortex занимает до 30% рабочей площади обычного 3-лопастного ветряка с такой же высотой. При преобразовании энергии ветра, выработка электроэнергии пропорциональна площади диаметра лопастей. Следовательно, мы можем сказать, что Vortex вырабатывает меньше электроэнергии. С другой стороны, меньшая площадь позволяет устанавливать на одной и той же поверхности больше устройств Vortex, компенсируя энергоэффективность за счет экономии пространства и установки более дешевого оборудования.

Ориентировочная номинальная мощность Vortex Tacoma (2,75 м) составляет 100 Вт. Преимущества системы:

• принимает потоки ветра с любой стороны/направления;
• отсутствие силы сопротивления;
• устройство запускается и выключается само, без нужды в механических тормозах;
• нисходящие потоки ветра не влияют на энергоэффективность благодаря отсутствию лопастей;
• производит электроэнергию даже от слабых ветров;
• почти бесшумная работа.

Адаптация к атмосфере

В условиях города потоки ветра очень беспорядочны, что создает ряд проблем для обычных ветряков. Кроме того, из-за нисходящих потоков ветра работа обычных ветряных мельниц вызывает проблемы при установке нескольких агрегатов в одном месте, если не соблюдать достаточное расстояние между ними.

Вихревые ветрогенераторы проще использовать из-за круговой всенаправленности устройства. Vortex очень быстро адаптируется к изменениям направления и интенсивности ветра, независимо от турбулентности.

Низкая стоимость, простота установки и дешевое обслуживание. Подключи свой вихрь!

Экологичность

Вихревые турбины – «более зеленая» альтернатива ветряным мельницам. Хотя необходим более тщательный анализ выбросов углекислого газа, уже очевидно, что вихревая энергия ветра обеспечивает дополнительные преимущества с точки зрения окружающей среды. Vortex Bladeless – это умное решение для генерации чистой энергии. Устройство можно установить во дворе или даже на крыше дома. Оно может работать в составе единой системы из нескольких устройств, в одиночку и в паре с солнечными панелями.

Воздействие на окружающую среду

Простая конструкция и легкий вес позволяют сократить необходимое количество материалов для производства вихревой турбины. При этом упрощается производственный процесс.

Отсутствие смазочных материалов – отсутствие отходов!

Остаточный вес Vortex Tacoma после промышленной переработки – менее 15 кг. При правильной установке в земле и калибровке устройства оно будет абсолютно бесшумным. Помехи для радиосигналов практически отсутствуют.

Воздействие на дикую природу

Хотя небольшие ветряные турбины, как правило, не представляют серьезной проблемы для местной фауны. Конструкция Vortex позволит птицам и летучим мышам легко избегать их во время полета.

Источник