Самый эффективный вертикальный ветрогенератор: Чем лучше и чем хуже вертикальный ветрогенератор в плане эксплуатации

Содержание

Чем лучше и чем хуже вертикальный ветрогенератор в плане эксплуатации



Использование энергии ветра для выработки электричества – одна из перспективных форм развития альтернативной энергетики. Вертикальный ветрогенератор является перспективным направлением развития отрасли, т.к. имеет ряд преимуществ по сравнению с горизонтальными аналогами.

Принцип работы

Вертикальный ветряк представляет собой цилиндр, устанавливаемый на основание. Благодаря своей форме, работает вне зависимости от направления ветра. Вне зависимости от вида вертикального ветрогенератора,  он устроен таким образом, чтобы давление потока воздуха на одну из его сторон было выше, чем на другую.

Благодаря такой разнице в давлении происходит вращение оси генератора и выработка электричества. Из-за того, что сила ветра направлена на обе стороны ветрогенератора, показатель стартовой скорости ветра немного больше, чем у горизонтальных ветряков, но при должном качестве деталей, существует самораскрутка – т.е. значительное увеличение оборотов генератора даже при небольшом (от 3,5 м/с) ветре.

Какая конструкция лучше



Существует несколько принципиально разных конструкций вертикальных ветрогенераторов, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками.

  1. Ветряк Савониуса — полукруглые лопасти

    Ротор Савониуса. Модель такого вертикального ветряка включает в себя две или более лопасти, выполненные в форме полукруга. При этом давление, оказываемое на «открытую» часть круга значительно превышает то, которое воздействует на противоположную сторону. Конструкция достаточно проста в изготовлении, поэтому пользуется наибольшей популярностью среди самодельных вертикальных ветрогенераторов. Недостатки:
    • Большая «парусность». Воздействие ветра кренит всю конструкцию, создавая напряжение в оси и выводя из строя подшипник, на котором вращается весь ротор.
    • Конструкция не способна начать вращаться самостоятельно при наличии двух или трех лопастей, поэтому два таких ротора необходимо закреплять на одной оси одну под другой под углом в 90°
  2. На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности

    Ротор Дарье или ортогональный. Существует множество модификаций такого вертикального ветрогенератора, но принцип работы остается неизменным. Вращение происходит за счет крылообразной формы лопасти генератора. При воздействии потока воздуха создается подъемная сила, за счет которой и вращается ось. Недостатки:
    • Низкая, даже по меркам ветрогенераторов, эффективность.
    • Скорость ветра для полной раскрутки такого генератора должна быть не менее 4 м/с. При этом до набора полной скорости вращения такого ротора, нагрузку к ветряку подключать нельзя – остановится.
    • Шумность. Если в остальных моделях шум издают только подвижные части (подшипники), то вертикальный ветрогенератор такого типа шумит лопастями. Очень сильно.
    • Из-за вибрации быстро выводит из строя подшипники и все несущие элементы конструкции.
  3. Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию

    Геликоидный ротор. Этот вертикальный ветрогенератор имеет замысловатую форму, но по — сути это ортогональный ветрогенератор с вертикальной осью, только лопасти у него закручены вдоль несущей оси, что значительно повышает срок службы всей конструкции, т.к. обеспечивает равномерную нагрузку на подшипник и мачту со всех сторон. Недостатки:
    • Сложность в изготовлении, отсюда высокая стоимость вертикального ветряка.
  4. Многолопастной ветряк

    Многолопастной вертикальный ветрогенератор. Если рассматривать только коммерческие образцы – этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора. Недостатки:
    • Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

  1. Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
  2. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
  3. Возможна установка на небольшой высоте — от 1,5м, в зависимости от модели.
  4. Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.

    Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.

  5. Возможность собрать действующий ветрогенератор своими руками из подручных материалов.
  6. Благодаря возможности создания жесткой конструкции с несколькими точками опоры, вертикальные ветрогенераторы работают при бо́льшей максимальной скорости ветра.
  7. Более высокая устойчивость к разрушающему воздействию ветра.
  8. В этих ветряках возможно создание собственной циркуляции воздуха, за счет чего образуется быстроходный эффект, когда линейная скорость лопастей в 20 и более раз превышает скорость ветра.

Минусы

  1. Громоздкость конструкции. Самые легкие вертикальные ветряки весят не менее 300 кг вместе со стойкой.
  2. Низкая эффективность по сравнению с горизонтальным.
  3. Шумность. Ветряк издает шум от лопастей во время работы.

Видео. Геликоидный ветрогенератор

В ролике наглядно показана работа геликоидного ветряка, установленного на специальной мачте



Подбираем аккумулятор для солнечной электростанции Ветряк для частного дома — игрушка или реальная альтернатива Фотомануал: солнечная батарея своими руками шаг за шагом Виды контроллеров для солнечных батарей и как выбирать

Обзор вертикальных ветрогенераторов

     Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

     Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые. 

 

     Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.  

     Ретроспектива вертикальных ВЭУ 

     Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

 

Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

     Вертикальные ветряки использовались и в Китае. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датированы 1219 годом нашей эры. Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями. При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

     В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с. Ветряной двигатель персидских мельниц представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт. 

 
Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором

     Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра.  50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня. Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений. 


Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором

      В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века 


     а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
     б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
     в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
     г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.
     д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

      Принцип работы

      В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
       1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.
       2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

     Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами. Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

     Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха. Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра. Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.

Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

     Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1. Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор). Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U<2, и быстроходный, если U=4.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения «подъёмной силы» 

Работа конструкции подъемной силы крыла

      На рисунке  проиллюстрированы: устройство простейшего ортогонального ветряного двигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от её положения относительно направления ветра. Где:
U – скорость ветра;
V – тангенциальная скорость перемещения лопасти;
W – суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;
– угол атаки;
Т – сила, которая создаёт крутящий момент;
N – сила, приложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки;
L – подъёмная сила лопасти;
D – сила лобового сопротивления лопасти.

     Ветряной двигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режиме авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.
Увеличение количества лопастей до 3-х и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), СиПи фактор увеличивает от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холодном ходу при скоростях ветра 3 метра за секунду и выше. Оптимальный режим работы данных ветряных двигателей (максимальное значение Cp) достигается при значении от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора больше 5, как правило, снижает быстроходность и уменьшает Cp. 

Многообразие конструкций современных вертикальных ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъёмную силу крыла

     Отметим, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра. Т.е. необходимость в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности,полностью отпадает. Это одно из основных преимуществ установок такого типа при сравнении с ветряными электроустановками с горизонтальной осью вращения.
Продолжают появляться новые схемы ветряных электроустановок с горизонтальной осью вращения, в том числе установка с «качающимся крылом», в котором углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики. Принцип действия проиллюстрирован на рисунке ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Такие установки производят небольшими сериями. 

Пример конструкции ветряной турбины с вертикальной осью вращения с наведением на ветер

     Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения «дифференциального лобового сопротивления»

     Первые ветряные двигатели с вертикальной осью вращения работали, используя данный принцип. Он заключается в том, что твердое тело асимметричной формы (пример, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), имеющего постоянную скорость V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями FЛС1 и FЛС2, соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепитель на траверсе с 2-х сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w. 

 
Принцип работы ветряного двигателя «дифференциального лобового сопротивления»

     Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующего тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветряных двигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже в условиях очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким Cp. Максимальное значение СиПи фактора для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и у них относительно высокий пусковой момент. 

Разнообразие конструкций ветряных двигателей дифференциального лобового сопротивления 

     Комбинированные ветряные двигатели с вертикальной осью вращения

     Выше описанные две основные группы вертикальных ветряных двигателей, которые выпускаются серийно. Но кроме них есть установки, совмещающие в себе оба принципа действия. 

     В установках, изображённых на рисунках а), б) и г), в зависимости от положения каждой лопасти относительно направления ветра проявляются или эффект подъёмной силы, или эффект дифференциального аэродинамического сопротивления. В установке, показанной на рисунке в), ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Даррье до необходимой быстроходности.

 
а) – ветряная электроустановка, построенная марокканскими студентами в 1995 году;
б) — ветряная электроустановка, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 году
 

     В устройствах, показанных на рисунке выше, система ориентации на ветер постоянно обеспечивает максимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся по ветру, и минимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся против ветра. В промежуточных положениях работает подъёмная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнём, либо трансмиссией с зубчатыми колёсами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колёса, было реализовано в 1995 году (рисунок а). Позже в 2000 году детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что СиПи фактор системы не превышает 0,2. После этого опыты с данной конструкцией прекратили. Однако китайские производители ветрогенераторов (рисунок б) в настоящее время выпускают аналогичные установки мощностью 3,5-10 кВт при скоростях ветра 9,10 или 10 м/с, соответственно. 

     Энергохарактеристики

    Основные свойства ветряных двигателей полностью описывает зависимость Cp = f (1). Её называют главной энергетической характеристикой ветряного двигателя. На рисунке _ приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветряных двигателей.
Ветроэнергетики хорошо знают, что Сp£0,593, что было теоретически доказано российскими учеными (Сабинин и др.) ещё в 1914 году, но за границей доказательство было опубликовано в 1924 году немецким физиком Бетцем, и поэтому величина 0,593 называется «предел Бетца». 

Главные энергохарактерстики наиболее распространённых ветряных двигателей 

      Рисунок выше очень хорошо показывает, что вертикальных ветряных турбин, которые используют подъёмную силу крыла, имеют Cp по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколёс с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикальным ветряным двигателям. 


Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)

      Не менее важной характеристикой вертикального ветродвигателя (и горизонтального), является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьёзные производители ветрогенераторов обязательно приводят такую кривую в технических характеристиках своей продукции, так как говорить о мощности установки в отрыве от скорости ветра не имеет смысла. При наличии статистики по частотам повторяемости скорости ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчёт выработки электрической энергии. 

Примеры кривых выходной мощности двух вертикальных ветряных энергоустановок 

     Тенденции развития вертикальных ветрогенераторов 

     Современная волна интереса к вертикальным ветряным энергоустановкам объясняется следующими причинами:
1. Практически исчерпаны концептуальные и технические резервы развития горизонтальных ветрогенераторов. При современном развитии технологий уже невозможно строить более крупные установки.
2. Относительно высокие энергетические характеристики отдельных вертикальных ветряных энергоустановок при значительно простой конструкции, которая не требует в большинстве случаев наведения на ветер.
3. Относительно низкий уровень шумов и вибраций.

     Отметим некоторые тенденции в области проектирования, производства и эксплуатации вертикальных ветрогенераторов. Широко используется компьютерное моделирование. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, дают возможность производить достаточно точные проектные расчёты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе ветряных электроустановок данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчёта поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора вертикальной ветроустановки. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветряной энергетики получила мощный толчок развития. 


 Типичное представление результатов аэродинамического расчёта методом конечных элементов 

     Постоянное совершенствование конструкций вертикальных ветряных электроустановок и использование новых конфигураций лопастей в области вертикальных ветряных электроустановок спровоцировало тенденцию введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах: 


 Вариант механизации крыла вертикальных ветряных электроустановок

      Разделение ветряных электроустановок с вертикальной осью вращения на 2 группы по соотношению высоты ротора к диаметру. Анализ существующих конструкций вертикальных ветрогенераторов показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше размеры ротора, тем сложнее осуществить его аэродинамическую симметрию и балансировку, что на высоких частотах вращения чревато возникновением значительных вибраций, которые могут привести к разрушению конструкции. На рисунке 17 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции вертикальные ветряные электроустановки, в сравнении с горизонтальными установками. 

 Пропорции вертикальных ветряных электроустановок

      Строительство оффшорных ветропарков на базе вертикальных ветрогенераторов. Важнейшей тенденцией наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветряных парков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветряной электростанции. Оффшорные парки позволяют решить более широкий круг проблем, в частности требования по шумам и вибрациям сводятся до минимума, а стробоскопический эффект вообще не учитывается. Плюс к тому в береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветряных парках применялись исключительно горизонтальные ВЭУ. Недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикальных ветрогенераторов.
Мощное ускорение китайских производителей. Ещё 3-4 года назад найти рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых 30 страницах поиска по теме вертикальных ветрогенераторов среди китайских производителей иногда проскакивают американские и европейские.
Характерная черта китайской ветряной энергетики – это, то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из ветряной энергии независимо от принципа действия и величины Cp. Цены на китайскую продукцию значительно ниже, но и качество пока оставляет желать лучшего. Однако всем нам известен объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы следует ожидать появления нового мирового лидера в области ветряной энергетики. Как упоминалось выше, уже сегодня Китай вышел на втрое место в мире по установленной мощности ветрогенераторов.
Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж) и Воронежский государственный технический университет в течении ряда лет проводят исследования в области вертикальных ветряных электроустановок. Учёные произвели продувки масштабных моделей роторов. В результате проведённых исследований была разработана перспективная конструкция вертикального ветрогенератора. Демонстрационный масштабный образец сейчас находится на стадии изготовления. 


Разновидности исследованных моделей роторов 

     Рабочая установка имеет оригинальную конструкцию лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии осуществляется по следующей схеме:

      Ветряная турбина → синхронный генератор → регулируемый выпрямитель → буферный накопитель энергии →инвертор → потребители/сеть

     Данная схема сегодня считается самой перспективной.


     Приемлемый коэффициент полезного действия устройства обеспечен регулировкой нагрузки в зависимости от скорости ветра/крутящего момента и использованием пассивного магнитного подвеса. Рисунок ниже иллюстрирует полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3Д-проекцию демонстрационного макета. 

 Перспективная схема конструкции вертикального ветрогенератора
а) – заготовка лопасти
б) – модель вертикального ветрогенератора в работе
в) – демонстрационный образец мощностью 1,5 кВт

      Для дальнейшего увеличения мощности вертикальных ветряных электроустановок потребуется или специальные генератор, или же мультипликаторы.

      Сегодня в приоритете в развитии энерготехнологий нетрадиционная экологичная энергетика, которая использует возобновляемые источники энергии, в том числе и ветроэнергетика.

     Вертикальные ветрогенераторы можно отнести к новым направлениям ветроэнергетики, поскольку их развитие начинается с 1970-х годов. Горизонтальные ветряные электроустановки имеют многовековую историю. Это также объясняет высокий технический уровень горизонтальных ветрогенераторов.

     Период развития вертикальных ВЭУ составляет около 50 лет. За это время учёные провели огромный объём теоретических основополагающих исследований принципиально новых вопросов аэродинамики, прочности и динамики ротора Дарье, инженерных работ, решающих конструктивные проблемы, которые связаны с повышенной массивностью, инерционностью и циклической нагрузкой вращающихся узлов. Благодаря проделанной работы учёные получили опыт разработки, отработки и использования, вертикальных ветрогенераторов, и что очень важно эффективность и надёжность вертикальных ВЭУ догоняет уровень горизонтальных ВЭУ.

     В настоящее время вертикальные роторы Савониуса и Даррье различных модификаций используют лишь в небольших ветряных электроустановках.

    Часть вертикальных ветрогенераторов на мировом рынке составляет 35%. Это установки мощностью до 50 кВт. Вертикальных ветрогенераторов мощностью более 100 кВт на рынке практически нет.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Что такое ветрогенератор

Ветрогенератор — это механическое устройство, предназначенное для выработки (генерирования) электрического тока. Поток ветра вращает рабочее колесо, взаимодействуя с его лопастями. Вращение передается на генератор, который начинает вырабатывать электрический ток. Такова схема действия ветрогенератора. На практике все намного сложнее, так как возникает масса трудностей технического и эксплуатационного характера, но в целом возможности этих устройств сильно недооценены.

Россия считается энергоизбыточной страной, имеющей большое количество мощных электростанций, но, тем не менее, имеются районы, где сетевого электричества нет до сих пор. Использование энергии ветра для выработки энергии для подобных районов является хорошей альтернативой, позволяющей решить вопрос если не полностью, то в достаточной степени.

Количество полученной энергии прямо пропорционально мощности генератора и скорости вращения ветряка, что позволяет в теории использовать несколько устройств для получения необходимого количества электроэнергии. Практика пока недостаточно иллюстрирует ситуацию, так как на сегодня для сбора статистических данных не имеется достаточного количества генераторов. Поэтому приходится пока довольствоваться расчетными данными, которые в большинстве случаев подтверждаются на практике.

Существуют две основные разновидности ветрогенераторов:

Виды ветрогенераторов с вертикальной осью вращения

Вертикальный ветрогенератор — это устройство, ось вращения которого расположена перпендикулярно направлению потока ветра и ориентирована в вертикальном направлении. Продольные оси лопастей параллельны оси вращения.

Если горизонтальные генераторы по внешнему виду напоминают пропеллер, то вертикальные ближе к барабану центробежного вентилятора, установленному вертикально и оборудованному малым числом лопаток (обычно их 2 штуки, но бывают и другие варианты). Такое расположение позволяет лопастям одинаково реагировать на потоки ветра с любой стороны без необходимости ориентирования оси вращения на встречном направлении к движению воздуха.

Существуют различные виды вертикальных ветрогенераторов. Разница между ними заключается лишь в типе вращающейся части — ротора, поскольку конструкция неподвижного статора принципиальных изменений не имеет. Известны такие виды, как:

  • ортогональный ротор. Его лопасти расположены по касательной к окружности вращения и имеют сечение как у крыла самолета. Способен начинать вращаться даже при относительно слабом ветре, увеличивая скорость за счет разрежения воздуха над поверхностью лопастей и уплотнения под ней (возникновения подъемной силы). Не имеет высокой парусности лопастей, что позволяет стабилизировать скорость вращения и исключить резкие изменения динамики, способные вывести из строя подшипники
  • ротор Савониуса. Представляет собой две изогнутые в виде половинок трубы лопасти. При большой площади уравновешивания сил, воздействующих на лопасти, не происходит, так как поток, действующий на внутреннюю часть лопасти, отражается от ее изгиба и частично попадает в изгиб второй лопасти, усиливая ее вращение. Обратная сторона разбивает поток на равные части, одна из которых обтекает изгиб и попадает на рабочую часть, увеличивая вращающий момент, а другая уходит в сторону. Эффективность такого ротора невелика, всего 15%, но по сочетанию характеристик он вполне достоин внимания
  • ротор Дарье. Это один из вариантов ортогональной конструкции. Имеет вантовый вид лопастей, концы которых присоединены к валу вращения, а центральные части, плавно изгибаясь, отходят от вала таким образом, что при взгляде со стороны лопасти образуют своими очертаниями овал или круг. Ротор имеет малую мощность, высокий уровень шума и вибраций, что делает его требовательным к постоянному наблюдению и обслуживанию.
  • геликоидный ротор. Конструкция имеет лопасти сложной формы, закрученной вокруг вертикальной оси. Это позволяет стабилизировать скорость вращения и устранить шум, создаваемый лопастями при вращении. Равномерность работы делает конструкцию более удобной, обеспечивающей ровный результат при разных режимах вращения. Для самостоятельного изготовления этот вариант конструкции наиболее сложен, но, в целом, доступен.
  • многолопастной ротор. Имеет несколько лопастей, что позволяет получить ровное и мощное вращение ротора при относительно слабом ветровом давлении. Обычно используется несколько узких полос на некотором расстоянии от вала вращения, передающих поток с возрастанием скорости и плотности на второй ряд лопастей, расположенный внутри первого.  Также существуют варианты с двумя уровнями (пара лопаток, а под ней — другая с разворотом на 90°. Все варианты конструкции имеют неплохие эксплуатационные характеристики, что позволяет считать такую конструкцию одной из наиболее перспективных.

Существуют конструкции, которые предусматривают защиту от уравновешивающего давления потока на обратную сторону крыла. Делается щит по форме части окружности, закрывающий от ветра участок с обратной стороной лопастей таким образом, что ветер воздействует только на рабочую сторону. Для наведения ротора на ветер, т.е. поворота системы при изменении направления потока, делается устройство типа флюгера, поворачивающее защиту в нужную сторону по ветру.

Эффективность всех этих видов примерно одинакова. Принципиальной разницы в характеристиках также не имеется, основные различия лежат в области уменьшения шума, снижения нагрузок на вал, выравнивания режимов вращения.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов с вертикальной осью

Вертикальный ветрогенератор — конструкция, удачная для создания своими руками. При всем разнообразии вариантов исполнения, на многие из них до сих пор нет математической модели вращения, что не позволяет создать корректную методику расчета. При этом, такая ситуация способствует активному развитию моделирования всех разновидностей ветрогенераторов и отработке их технических параметров.

Основными преимуществами ветрогенераторов с вертикальной осью принято считать:

  • простота конструкции, возможность изготовления практически любого типа своими руками
  • стабильность, устойчивость режимов работы, вызванная способностью одинаково реагировать на потоки ветра любого направления
  • отсутствует нужда в механизме наведения оси вращения на поток, без чего не могут функционировать генераторы с горизонтальным вращением
  • для того, чтобы изготовить вертикальный ветрогенератор своими руками, требуются относительно малые затраты денег, времени и труда. Основная статья расходов — непосредственно генератор, а вращающиеся части могут быть изготовлены буквально из подручных средств

Недостатками вертикального ветрогенератора считаются:

  • эффективность работы ниже, чем у горизонтальных конструкций
  • при работе устройства издают шум, который сложно устранить, так как он происходит из-за контакта потока воздуха и материала лопасти
  • высокий уровень вибраций и резких изменений режимов вращения создают сильную нагрузку на подшипники, способствуя быстрому выходу подвижных деталей и узлов из строя
  • для создания вертикального генератора требуется большее количество материалов, чем для горизонтальных образцов

Место установки ветрогенератора

Для монтажа ветрогенератора потребуется открытая площадка, не имеющая вблизи препятствий, способных закрыть устройство от ветровых потоков. Высота подъема мачты над уровнем грунта может быть относительно мала, около 3 метров. Примечательно, что с точки зрения эффективности контакта лопастей с ветром, подъем устройства на большую высоту мало влияет на рост производительности генератора, так как поднять ротор на значительную высоту нереально, а изменения в 2-3 метра никаких существенных выгод не приносят.

При этом, необходимо помнить о длине кабеля и его сопротивлении. Большая длина вызовет падение напряжения и потребует значительных расходов на дорогостоящий кабель, поэтому слишком большого удаления от дома делать не рекомендуется, так же, как и чрезмерно приближать ветряк. Вибрации и шум от вращающегося ротора будут очень докучать жителям дома, вызовут нарушения сна и потребуют перемены места установки устройства.

Как самостоятельно изготовить ветрогенератор вертикального типа

Самостоятельное изготовление ветрогенератора вполне возможно, хотя и не так просто, как может показаться на первый взгляд. Понадобится либо собрать весь комплект оборудования, что весьма сложно, либо некоторые его элементы приобрести, что довольно дорого. В состав комплекта могут входить:

  • ветрогенератор
  • инвертор
  • контроллер
  • комплект аккумуляторов
  • провода, кабели, вспомогательное оборудование

Оптимальным вариантом станет частичное приобретение готового оборудования, частичное изготовление своими руками. Дело в том, что цены на узлы и элементы очень высоки, доступны не для всех. Кроме того, высокие единовременные вложения заставляют задуматься, нельзя ли эти средства реализовать более эффективным образом.

Система работает следующим образом:

  • ветряк вращается и передает момент на генератор
  • возникает электрический ток, который заряжает аккумулятор
  • аккумулятор присоединяется к инвертору, преобразующему постоянный ток в 220 В 50Гц переменного тока.

Сборку обычно начинают с генератора. Наиболее удачным вариантом является сборка 3-фазной конструкции на неодимовых магнитах, позволяющей вырабатывать соответствующий ток.

Вращающиеся части делаются на основе одной из систем, наиболее доступной для воссоздания своими руками. Лопасти изготавливаются из отрезков труб, распиленных пополам металлических бочек или согнутого определенным образом листового металла.

Мачта сваривается на земле и устанавливается в вертикальное положение уже в готовом виде. Как вариант, делается из дерева сразу на месте установки генератора. Для прочной и надежной установки следует сделать для опор фундамент и закрепить мачту анкерами. При большой высоте ее следует дополнительно закрепить растяжками.

Все узлы и детали системы требуют подгонки друг к другу по мощности, настройки работоспособности. Заранее сказать, насколько эффективным будет ветрогенератор, невозможно, так как слишком много неизвестных параметров не позволят вычислить характеристики системы. При этом, если изначально закладывать систему под определенную мощность, то на выходе всегда получаются довольно близкие значения. Основным требованием становится прочность и аккуратность изготовления узлов, чтобы работа генератора была достаточно стабильной и надежной.

Рекомендуемые товары

преимущества, разработки и отличия от вертикальных ветряных генераторов

Ветроэнергетика за последнее время значительно усилила свои позиции среди прочих направлений отрасли. Ее доля в общем количестве выработанной энергии постоянно возрастает, уже есть целые государства, использующие ветроэнергетические установки как базовые устройства для производства электричества.

Нынешние ветроэнергетические станции пока не в состоянии тягаться с гидроэлектростанциями, но для большинства стран, активно развивающих ветроэнергетику, такой способ получения энергии является единственным. Поэтому перспективы у этого направления вполне обнадеживающие. Мало того, даже в энергоизбыточных странах, список которых возглавляет Россия, интерес к ветроэнергетике возрастает с каждым годом.

Исследования и разработки

Проблемы с энергообеспечением, особенно актуальные для стран с ровным рельефом и отсутствием возможности построить ГЭС, требуют иных способов решения.

Использование дизельных или бензиновых электростанций невыгодно из-за постоянного удорожания углеводородов и значительного ущерба, который наносится окружающей природе при использовании этого способа производства энергии. При этом, ветроэнергетика использует абсолютно бесплатную и неиссякаемую энергию, не нанося вреда окружающей среде и не изменяя рельеф поверхности, как это приходится делать при создании ГЭС.

Перемещение воздушных потоков имеет высокий энергетический потенциал и должно использоваться для производства электротока. В регионах, не имеющих возможностей для применения других способов, производятся интенсивные исследования и разработки в этой области, уже имеющие свои результаты в виде крупных ветроэнергетических станций (ВЭС). Они состоят из отдельных ветрогенераторов, обладающих большой мощностью и объединенных в единую энергосистему.

Размеры каждого агрегата впечатляют — они имеют более 100 м высоты и размах лопастей от 120 м. Мощность достигает 9 МВт, с каждым годом создаются все более крупные модели. Для прибрежных стран такой вариант является выгодным, а нередко — единственным.

Кроме того, широко ведутся разработки небольших ветрогенераторов, дающих возможность обеспечивать электроэнергией частный дом, усадьбу или отдельную группу потребителей. Использование такого комплекта позволяет самостоятельно обеспечивать свои потребности, не зависеть от поставщиков энергии, а зачастую еще и немного заработать на этом, поставляя излишки энергии в сеть.

Виды ветрогенераторов

Из ныне существующих конструкций ветрогенераторов принято выделять две основные группы:

Соответственно, ось вращения установок первой группы расположена вертикально, а у второй группы она находится в горизонтальной плоскости. Этот принцип разделения отражает наиболее существенную разницу между типами ветряков, имеющими своеобразные признаки, особенности и условия эксплуатации.

По уровню эффективности однозначно лидируют горизонтальные устройства, так как они получают полную энергию потока, приходящуюся на площадь лопастей. Ограничение их количества — вынужденная мера, вызванная необходимостью снижать фронтальную нагрузку на мачту. При больших размерах ветряка давление на крыльчатку, оборудованную большим числом лопастей, превысит допустимые пределы и мачта попросту переломится. Поэтому на крупных промышленных турбинах устанавливают лишь по 3 лопасти.

Кроме того, для горизонтальных устройств является критичным параметром возможность наведения на ветер. Поскольку над земной поверхностью направление воздушных потоков отличается нестабильностью, то ось вращения должна иметь возможность постоянной быстрой корректировки. При этом, для больших устройств эта возможность сильно ограничена, так как они устанавливаются в местах с преобладанием одного направления ветра.

Вертикальные роторы не нуждаются в наведении, поскольку для них направление ветра не имеет значения. При этом, существуют конструкции, нуждающиеся в этой функции. У таких устройств имеется защитный кожух, отсекающий поток, воздействующий на обратные стороны лопастей и создающий противодействующее усилие. Наведение производится путем установки хвостового стабилизатора, представляющего собой вертикальную пластину, расположенную ребром к потоку. Изменение ветра тут же вызывает поворот хвоста, автоматически устанавливающий кожух в нужное положение.

Вертикальные конструкции обладают большим числом видов ротора. Они используются для относительно мелких ВЭУ, способных питать ограниченное количество потребителей.

Большинство самодельных ветрогенераторов имеют вертикальную конструкцию, так как они могут быть установлены на небольшом возвышении и допускают более удобное обслуживание и ремонт. Кроме того, расходы на создание таких устройств намного ниже.

Конструктивные схемы

Все конструкции ветряков созданы на основе нескольких базовых схем. Они основаны на специфике расположения оси вращения или на использовании дополнительных элементов, усиливающих эффективность приема ветровой энергии. Примечательно, что различия существуют только в механической части комплекса, вся электроника совершенно одинакова и соответствует только мощности генератора независимо от типа конструкции турбины.

Для горизонтальных конструкций относительно небольших размеров характерно использование диффузоров — своеобразных воронок, конусообразных приспособлений, улавливающих поток, уплотняющих его и направляющих на лопасти. В результате достигается большая скорость вращения, возрастает выработка энергии при неизменных скоростях ветра. Эта схема используется при эксплуатации летающих ВЭУ (генератор-крыло). Они имеют обширный надувной диффузор, дающий большую площадь захвата потока, уплотняющегося в несколько раз.

Вертикальные конструкции имеют разные варианты конфигурации лопастей. Так, широко известны:

Сколько всего имеется разработок на сегодняшний день подсчитать сложно, так как разработкой занимаются как профессиональные, так и самодеятельные конструкторы. Причем, наиболее удачные результаты достигаются, как правило, именно независимыми изобретателями. Основной упор делается на достижение максимальной производительности и чувствительности ротора, стабильности вращения и устойчивости к перегрузкам.

Ветрогенераторы: вертикальные против горизонтальных

Споры о превосходстве горизонтальных конструкций над вертикальными (или наоборот) ведутся с первых дней использования ВЭУ для выработки электроэнергии. Аргументами сторон являются, в основном, вопросы эксплуатации, эффективности и мощности устройств. При этом, однозначного определения наилучшего варианта так и не найдено.

Каждое устройство имеет свои достоинства и недостатки, оценить которые можно только при достаточно плотном использовании. На практике каждый владелец ветряка имеет опыт работы с каким-либо одним типом, поэтому необходимой корректности мнений достичь не удается.

Горизонтальные конструкции обладают более высокой эффективностью. Это утверждение не совсем соответствует действительности, потому что оно имеет расчетное происхождение, где рассматривались старые модели роторов (конструкция Савониуса), тестировавшиеся в определенных условиях.

С развитием ветроэнергетики и появлением множества новых, более удачных конструкций, соотношение КПД горизонтальных и вертикальных устройств практически сравнялось. Кроме того, оба вида понемногу поделили между собой нишу — горизонтальные установки преимущественно используются для выработки энергии в промышленных объемах, тогда как вертикальные ВЭУ чаще всего работают на небольших участках и производят небольшое количество электротока.

На сегодняшний день создалась ситуация, при которой вертикальные устройства чаще используются для самостоятельного изготовления, обеспечивают энергией отдельные дома или участки.

Горизонтальные конструкции преимущественно служат для промышленного производства энергии в региональных масштабах.

Конструкции с вертикальной осью вращения

Вертикальные устройства имеют важное преимущество: они не нуждаются в установке на ветер. Это значительно упрощает конструкцию, снижает количество подвижных узлов, что повышает надежность ветряка и продлевает срок службы. Кроме того, для этих устройств не существенно, стабильно направление потока, или нет, поэтому они не нуждаются в установке на высокие опорные конструкции.

Единственная цель разработок, активно ведущихся в области усовершенствования вертикальных ветряков, состоит в увеличении чувствительности конструкции к слабым и неустойчивым ветрам.

Усилие, приложенное потоком ветра к лопастям вертикальных ветряков, имеет более удачный вектор приложения, но в значительной степени компенсируется противодействующим усилием, приложенным к обратным сторонам лопастей.

Установка отсекающих колпаков снижает противодействие, но значительно усиливает фронтальную ветровую нагрузку на конструкцию. Эти причины ограничивают размеры установок и, соответственно, мощность. При этом, для небольших потребителей в пределах частного дома или усадьбы, вертикальные устройства являются оптимальным выбором.

Ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения

Горизонтальные ветряки имеют меньше вариантов конструкции, так как принято считать, что они устроены достаточно удачно. При этом, большинство из таких устройств нуждается в наличии двух точек вращения — крыльчатка и узел поворота для установки на ветер. Это усложняет конструкцию, выдвигает к ней повышенные требования по прочности, устойчивости к нагрузкам. Ветряки нуждаются в периодическом обслуживании, что непросто, учитывая высоту подъема над землей.

Конструкция

Промышленные образцы, вырабатывающие большие объемы энергии, в большинстве имеют одинаковую конструкцию, состоящую из высокой мачты, крыльчатки, оборудованной тремя продолговатыми лопастями и комплекта сопутствующей аппаратуры. Установки меньшей мощности устроены подобным образом, но, в дополнение к перечисленному, имеют узел поворота вокруг своей оси и хвостовой стабилизатор, позволяющий автоматически ориентировать крыльчатку по ветру.

Кроме перечисленных узлов горизонтальные ветряки часто оборудуются устройствами защиты от сильного ветра. Шквальные порывы создают скачки напряжения, выводят из строя крыльчатку. Для экстренного торможения используются устройства, отводящие ось крыльчатки от направления ветра при резком увеличении скорости ветра.

Крупные промышленные установки, работающие в составе ВЭС и снабжающие энергией большое количество потребителей, имеют весьма крупные размеры и массу. Это служит аргументом для противников ветроэнергетики, утверждающих, что ВЭУ создают сильную вибрацию, шумят, мерцающая тень приводит к различным психическим расстройствам. В целом, эти особенности имеются, но их наличие не способно вызвать сколько-нибудь серьезные последствия для людей или животных.

Особенности эксплуатации

Работа горизонтальных ветрогенераторов совершается только при наличии ветра, способного заставить лопасти крутиться с определенной скоростью. Когда параметры потока не достигают минимальных значений, устройство бездействует, а питание потребителей производится от аккумуляторных батарей, которые отдают накопленный заряд через инвертор.

Обслуживание и ремонт установок является необходимостью, периодически возникающей при появлении признаков затруднения вращения, падения производительности или иных видимых неполадок. Для обеспечения возможности качественного и быстрого производства работ надо заранее продумать технику демонтажа мачты и опускания механизма вниз на удобную ремонтную площадку.

В обязательном порядке надо оборудовать устройство молниеотводом и создать качественный заземляющий контур. Эти позиции необходимо учитывать в первую очередь тем, кто самостоятельно изготавливает свои ветрогенераторы, чтобы защитить конструкцию и потребители от поражения молнией.

Рекомендуемые товары

Сравнение вертикального и горизонтального ветрогенератора

Для примера я хочу сравнить два вида самых простых и распространенных видов ветрогенераторов. Первый вертикальный типа Савониус, и обыкновенный пропеллерный. Почему-же мощность этих типов и их обороты существенно отличаются. А дело в том что вертикальный ветрогенератор использует силу напора ветра, а пропеллер так называемую подъемную силу, которая возникает в силу возрастания давления в точке где проходит прямой поток воздуха сквозь лопасти, и тот, что отражается от лопасти.

Принцип работы вертикального ветрогенератора типа Савониус

Но обо всем по порядку, и так как-же работает вертикальный ветрогенератор самого простого типа. Его можно назвать по разному, но это по сути будет Савониус. Вращение ротора основано на разности давлений ветра на лопасти. Можно себе представить ротор подобного ветрогенератора. Ветер налегает на лопасти и давит, вогнутая лопасть задерживает поток воздуха и его кинетическая энергия давит на эту лопасть, а та лопасть что возвращается имеет выпуклую форму по отношению к ветру и поток ветра просто с нее сваливается. Поэтому возникает разность давления.

Чем сильнее ветер тем больше разность давления и следовательно мощность ротора растет и обороты тоже. Но обороты не могут превысить скорость ветра, так-как толкать тогда ветер не сможет лопасть. Самые большие обороты могут только приблизится к скорости ветра, но не могут достигнуть ее так-как возвращающиеся лопасти тоже испытывают давление. И при максимальных оборотах ротор имеет КПД 0% , так-как вся энергия уходит на раскрутку ротора. Но при нагрузке обороты ротора падают и пропорционально падению оборотов растет и мощность на валу. Максимальная мощность достигается при скорости вращения в два раза меньшей скорости ветра. Например если скорость ветра 10м/с то максимальная мощность будет на валу при скорости движения конца лопасти 5м/с. Если-же обороты увеличиваются, то мощность падает, а если обороты под нагрузкой падают, то ветер просто не успевает проваливаться и набегает как ком на лопасть, этот ком ветра быстро увеличивается, и новые порции ветра натыкаясь на ком расходятся в стороны, так отражается большая часть энергии ветра и в итоге на роторе существенно падает крутящий момент.

Ветер действующий на ротор ветрогенератора

Линиями показано направление ветра действующее на лопасти

Принцип работы горизонтального ветряка («пропеллера»)

Принцип работы классического винта в корне отличается от работы вертикального ротора. Можно так-же представить себе вращающийся винт и набегающий поток ветра на лопасти. Когда ветер набегает на лопасть, то этот ветер отражается от нее и под углом выбрасывается в сторону позади лопасти. Но в это -же время сквозь лопасти так-же идет и прямой поток воздуха. При столкновении двух потоков образуется давление, которое и выталкивает лопасть. Чем больше образуется давление тем сильнее оно выталкивает лопасть. Таким образом обороты лопасти не привязаны к силе ветра, а зависят от давления созданного на стыке двух потоков ветра.

Таким образом скорость вращения кончика лопасти может превышать в разы скорость ветра. И так-же здесь кроется ответ «Почему маленькие лопасти работают лучше чем огромные». А все потому что в создании давления участвует весь поток ветра попадающий в плоскость вращения винта. И через узкие лопасти может проваливаться больше воздуха не задерживаясь а лишь отработав доли секунды. Так-же аэродинамически тонкие лопасти дают меньшее лобовое сопротивление потоку в плоскости вращения.

Здесь получается наоборот, мощность винта растет с ростом оборотов, чем быстрее лопасть вращается тем больше ветра она отражает за единицу времени. Давление растет еще больше и сильнее выталкивает лопасть. Теоретически этот рост оборотов давления и мощности бесконечен если бы не другие факторы, которые все ограничивают. Так например когда ветровой поток не успевает проваливаться то спереди винта нарастает воздушная подушка, с которой сваливается основной поток ветра в стороны, следовательно мощность ветра просто сваливается с подушки в стороны и винту перепадает очень мало энергии.

Например у много-лопастных винтов предел давления наступает очень быстро, поэтому они менее оборотистые. Так-же кроме превышения давления лопасть вращаясь попадает в зону повышенного давления созданного впереди идущей лопастью и это давление тормозит лопасть, поэтому чем больше лопастей тем сильнее происходит торможение.

Самые эффективные одно-лопастные винты, так-как лопасти при вращении не мешает повышенное давление от впереди идущих лопастей, а только сопротивление потока, но конечно до того момента пока лопасть не упирается в давление созданное ей самой. Поэтому обороты у этих винтов самые большие, но тоже имеют свой придел. Так-же этот придел наступает когда давление достигает большой величины и поток воздуха не успевает проваливаться через винт и нарастает воздушной шапкой на винте, в следствие чего новые порции воздуха натыкаясь на эту подушку расходятся в стороны.

Ветер действующий лопасть

На рисунке показано как дует ветер и где образовывается зона давления на лопасть

Подгонка ветроколеса к генератору

По вышеописанным принципам и причинам вертикальный и горизонтальный винты работают по совершенно разным принципам. Но самое главное это когда винт хорошо подогнан к генератору. Например если в случае вертикального ветрогенератора поставить слишком мощный генератор, то ротор не выйдет на обороты с максимальным КПД и будет большой недобор мощности из-за того что сильно заторможенный ротор не будет успевать переваривать поток ветра и спереди винта образуется ветровая шапка, которая будет отражать основной поток ветра.

Если-же поставить слабый генератор, то ротор будет набирать большие обороты и в следствии чего мощность будет падать, так-как чем быстрее лопасть вращается тем меньше на нее давит напор ветра, она же уходит от него. В итоге небольшой прирост оборотов, но дальше мощность падает и даже под небольшой нагрузкой обороты все равно не растут.

Так-же, но наоборот с горизонтальным винтом. Если генератор слишком мощный, то винт не сможет выйти на максимальные обороты и следовательно не сможет от ветра получить всю возможную мощность. Обороты даже при усилении ветра не будут дальше расти, а набегающий поток будет просто срываться с медленно вращающейся лопасти. А если генератор слабый, то обороты винта будут всегда на пределе, а значит точка максимального давления будет превышена и лобовое сопротивление вращающихся лопастей не позволят оборотам расти и мощность винта упадет, в итоге из-за предела по оборотам мощности не будет расти.

Поэтому в обоих случаях нужно чтобы мощность генератора четко соответствовала мощности и о оборотам винта при разной скорости ветра. Например если пропеллер диаметром 1,2м при 5м/с имеет 500 об/м, и мощность на валу около 40 ватт, то генератор нужен чтобы на 500 об/м нагружал винт не более 35ватт, и не менее 30 чтобы впустую не тратить энергию винта. Так-же при больших оборотах, к примеру тот-же винт при 10м/с выдаст около 400 ватт энергии на валу при оборотах где-то 1200об/м, значит и генератор должен на этих оборотах нагружать не более 350 ватт. Если учесть что КПД генератора где-то 0,8 то реально электрическую мощность можно ожидать около 300 ватт на 10 м/с.

Ветрогенератор для дома, как выбрать и что нужно знать. Актуальные цены

Энергию ветра люди научились использовать давно, тысячи лет уже известны ветряные мельницы и парусные системы. Она бесконечна и экологична, поэтому не удивительно что ее научились использовать в качестве альтернативных источников энергообеспечения.

Но, прогресс не стоит на месте, среди технических новинок этой области можно назвать ветрогенератор, высокотехнологичную установку, преобразовывающую потоки ветра в электрическую энергию.

Ветрогенератор для дома уже не редкость

Ветровые электростанции давно используют в промышленных масштабах. Но, сложность конструкции, а также сложность ее монтажа, не давали возможность использовать это оборудование в частных домах, как например солнечные панели.

Однако сейчас, с развитием технологий и увеличением спроса на “зеленую энергию”, ситуация изменилась. Производители наладили выпуск малогабаритных установок для частного сектора.

Принцип работы

Ветер вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора. В результате вращение в обмотках вырабатывается переменный ток. Для увеличение количества оборотов, а соответственно и количества выработанной энергии может использоваться редукторная передача (трансмиссия). Она же может блокировать вращение лопастей полностью, если возникнет такая необходимость.

Анемометр следит за направлением ветра и поворачивает установку положение при котором будет максимально эффективно работать ветряной поток.

Полученный переменный ток преобразуется в постоянный 220 Вт с помощью инвертора. Далее он поступает потребителю или, через контроллер заряда, на аккумуляторные батареи для накопления.

Полная схема работы установки от генерации энергии до ее потребления.

Виды ветрогенераторов и какой лучше для частного дома

На данный момент существуют два типа данной конструкции:

  1. С горизонтальным ротором.
  2. С вертикальным ротором.

Первый тип, с горизонтальным ротором. Такой механизм считается самым эффективным. КПД составляет примерно 50%. К минусом относиться необходимость минимальной скорости ветра от 3 м.в секунду, конструкция создает много шума.

Для максимально эффективной работы необходима высокая мачта, что, в свою очередь, усложняет монтаж  и дальнейшее обслуживание.

Второй тип, с вертикальным. Ветрогенератор с вертикальным ротором имеет КПД не более 20%, при этом достаточно скорости ветра всего 1-2 м в секунду. При этом он работает значительно тише, уровень выделяемого шума не более до 30 дБ, и без вибрации. Не требует большого пространства для работы, при этом не теряя эффективность.

Для установки не требуется высокая мачта. Оборудование можно смонтировать на крыше дома даже своими руками.

Отсутствие анемометра и поворотного механизма, он совсем не нужен при такой конструкции, делает этот тип ветрогенератора более дешевым по сравнению с первым вариантом.

Видео обзор

Какую установку выбрать?

Прежде чем ответить на этот вопрос нужно понять ваши требование, финансовые возможности и приоритеты в эксплуатации.

Насколько эффективны ветряные турбины с вертикальной осью по сравнению с горизонтальными?

Вы хотите построить ветряную турбину или купить ветряную мельницу и хотите знать, что лучше: ветряная турбина с вертикальной осью или обычная горизонтальная ветряная мельница? Это хорошая идея, чтобы узнать о различиях между ветряными турбинами с вертикальной и горизонтальной осью. Очевидно, вы хотите получить тот, который будет иметь наибольшую окупаемость инвестиций, независимо от того, купите ли вы ветряную турбину или построите ее самостоятельно.

Когда дело доходит до ветряной турбины, проблема заключается в извлечении энергии из ветра. Согласно физике, эффективность ветряной мельницы не может превышать 59% при извлечении кинетической энергии ветра и преобразовании ее в механическую энергию. Остальные 41% мощности должны оставаться на ветру.

Давайте перейдем к делу! Вы же действительно не хотите читать статью из 2000+ слов, чтобы узнать, какая из них лучше, верно? Как насчет того, чтобы я дал вам ответ на вопрос сейчас, а затем, если вы все еще жаждете дополнительной информации, вы можете прочитать математические формулы и физику, которые объясняют только , почему один лучше другого.

Лучший тип ветряной турбины — это …
Из 59% возможного КПД для преобразования кинетической энергии ветра в механическую:

  • Горизонтальные ветряные турбины : около 50%
  • Ветряные турбины с вертикальной осью : около 10% (хотя отличный дизайн может достигать около 15%)

Суть в том, что, хотя ветряные турбины с вертикальной осью могут стать отличным самостоятельным проектом, а в небольшом масштабе они могут быть даже стоящим проектом — на самом деле они намного менее эффективны, чем ветровые турбины с горизонтальной осью.

Существуют также дополнительные конструктивные недостатки, которые могут привести к большему износу ветряных турбин с вертикальной осью, что делает их менее финансово жизнеспособными с точки зрения создания долгосрочного источника надежной возобновляемой энергии.

Если это все, что вы хотели знать, спасибо за посещение! Если вы действительно хотите узнать математику и физику, объясняющие, почему горизонтальное лучше, чем конструкции VAWT, продолжайте читать.

Сколько энергии доступно ветру?

Это формула для обычной горизонтальной ветряной турбины:

Где R — 1/2 диаметра лопастей ветряка (радиус от центра до внешнего края), а v равно скорости ветра.Эта математика предназначена для эффективной ветряной турбины (примерно 50% эффективности) при умеренной скорости ветра. (Хотя на рынке есть много низкокачественных ветряных турбин, которые не производят и половины этого количества).

Рассматривая этот пример, давайте предположим, что это ветряная мельница среднего размера, сделанная своими руками (диаметр 3 метра, то есть радиус будет 1,5 метра). Также предположим, что скорость ветра составляет 5 метров в секунду (около 11 миль в час).

P (мощность в ваттах) = 1,0 x 1,5 в квадрате (радиус лезвия равен примерно 1.22) x 5 (метров от второй до третьей степени, что равно 125).

В этом примере общая мощность составляет 153 Вт (1,0 x 1,5 x 1,22 x 5).

Следующим логическим шагом было бы дать вам математическое представление о том, сколько мощности вы можете ожидать от ветряной турбины с вертикальной осью. К сожалению, после многих часов поисков я не смог найти математику. Позвольте мне объяснить, где я получил упомянутую выше эффективность от 10% до 15%.

Слева — Darrieus VAWT. Есть две модели ветряных турбин с вертикальной осью, в одной используется так называемый «ротор Савониуса», а в другой используется так называемая модель «Дарье». Ниже приведены фотографии каждого типа.

Тогда где я взял замечание об эффективности от 10% до 15%? Мик Сагрилло — эксперт по ветроэнергетике в жилых домах. В статье «Новости Матери-Земли» он цитировал эти цифры (на самом деле он заявил, что эффективность была от 5% до 10%, но, возможно, ее можно было изменить до 15%).

Многие из того, что мы видим сегодня, — это роторы Савониуса.Они очень грубые, низкотехнологичные и неэффективные. Мы говорим о чем-то, что работает, скажем, в диапазоне эффективности от 5 до 10 процентов. Люди смогли настроить коэффициент эффективности — в идеале он может достигать 15 процентов.

Слева фотография Savonius VAWT . Модель Дарье ничем не отличается. Оба они работают, используя одни и те же принципы и с одинаковой эффективностью. В то время как ветряная турбина с горизонтальной осью постоянно имеет свои лопасти против ветра, она будет чрезвычайно эффективнее, чем вертикальная ось, у которой лопасти расположены на дальней стороне, и временами немного работает против ветра, чтобы вернуться в исходное положение. .Эта неэффективность снижает то, что вы можете ожидать от VAWT, до 5–10%, тогда как эффективно спроектированная ветряная турбина с горизонтальной осью обеспечивает КПД, близкий к 50%. Возможно, причина того, что физика и математика недоступны для VAWT, заключается в том, что они не продаются и, следовательно, не являются частью рекламных материалов систем VAWT.

Недостаток конструкции VAWT: высота

В то время как горизонтальный ветряк может быть надежно установлен на опоре на большой высоте, ветровые турбины с вертикальной осью обладают значительным сопротивлением.Это делает размещение их на опоре на большой высоте нестабильным, если они не закреплены на земле с помощью растяжек. Кабели необходимо закрепить под большим углом, чтобы они не касались вращающихся ножей. Этот нереалистичный сценарий заставляет многих производителей заявлять, что их не нужно поднимать в воздух, на самом деле вы можете установить их на землю или на крышу здания. Однако порядок величины энергии ветра экспоненциально выше на больших расстояниях в воздухе, чем на земле.Ветер на земле смягчается объектами, что лишает воздух большей части энергии. Кроме того, на земле гораздо больше турбулентности. Турбулентность приводит к износу ветряных мельниц VAWT, в результате чего их техническое обслуживание требуется гораздо быстрее.

Недостаток конструкции VAWT: центробежная сила и вес

Если вы хотите инвестировать в систему, которая будет постоянно обеспечивать возобновляемую энергию в течение длительного периода времени (например, 20 или более лет), вы должны обратить внимание на техническое обслуживание. расходы.До сих пор мы обсуждали, что вы можете получить в три раза больше мощности от горизонтальной ветряной турбины, чем вы можете получить от вертикальной ветряной турбины. Мы упоминали о сложностях их установки высоко (там, где дует ветер). Как насчет долголетия, которое длится дольше?

В конструкции обычной горизонтальной ветряной турбины самое слабое место находится в основании, где лопасти встречаются с сердечником турбины. Это также бывает там, где лезвия самые сильные, потому что они самые толстые в этом месте.

У ветряных мельниц с вертикальной осью (на моделях Дарье или некоторых конструкциях Савониуса, у которых есть открытое пространство между лопастями и основанием) — лопасти расположены на некотором расстоянии от основания вала. Центробежная сила, возникающая с основной массой лезвия на расстоянии от вала, со временем вызывает структурный износ. Кроме того, там, где лезвия встречаются, они обычно устанавливаются с более тонкими конструктивными элементами. Есть компромисс — чем больше производители VAWT пытаются стабилизировать эту слабую конструкцию, тем больше они уменьшают вес ветряной мельницы, снижая ее эффективность.

НОЖТ — плохая идея?

До сих пор эта статья была довольно снисходительной к идее приобрести себе ветряк с вертикальной осью. Неужели все НОЖТ — просто плохая идея для вложения денег? Позвольте мне сказать, что я бы не рекомендовал покупать крупную коммерческую установку VAWT, некоторые из которых могут стоить от 15 000 до 30 000 долларов. Однако есть приложения, в которых ветряк с вертикальной осью может иметь смысл. Существуют небольшие приложения, в которых эффективность не является главной проблемой, вместо этого самой большой проблемой является надежность (одним из примеров такого рода может быть водный буй, которому просто нужно достаточно энергии, чтобы оставаться освещенным в ночное время).В этом случае некоторые конструкции Савониуса прекрасно подойдут для этого приложения (и будут намного более стабильными и надежными, чем горизонтальная ось).

Есть и другие соображения. Если вы делаете «сделайте свой собственный» ветряк с вертикальной осью, VAWT может быть простым в изготовлении, и вы часто можете превратить предметы, которые есть у вас в доме, в дешевую и легкую ветряную турбину (например, 55 галлонов барабан бочка).

Многие люди просто считают себя крутыми. На этот счет было проведено исследование, в ходе которого люди были заворожены, наблюдая за работой ветряных мельниц.Этот эффект вызван повторением и называется «частотным эффектом», похожим на то, что вы получили бы, наблюдая за огнем или волнами, разбивающимися о пляж. Это исследование показало, что люди предпочитают эффект VAWT над HAWT.

Итак, весь этот сайт посвящен ветряным турбинам с вертикальной осью. Вы увидите их в действии, некоторые самодельные, видео и т. Д. Если вы намереваетесь построить такой, вам следует серьезно подумать, действительно ли вы хотите построить VAWT или горизонтальное может быть лучше.Если вы подумываете о покупке высококачественного розничного VAWT, по крайней мере, прочитав это последнее предложение, вы, по крайней мере, можете считать себя предупрежденным о многих недостатках.

Вертикальная ось ветряных турбин продолжает совершенствоваться

John Yan , Китай, sawt.com

Большинство ветряных турбин делятся на две основные категории: горизонтальная ось и вертикальная ось. Каждую из них можно разделить на маленькие и большие ветряные турбины.

Ветряные турбины можно разделить на шкалы коммунальных и малых масштабов, а затем на горизонтальную ось (HAWT) и версии с вертикальной осью (VAWT).

Технология для традиционных ветряных турбин с горизонтальной осью (HAWT) разрабатывалась более ста лет. Эта технология включает в себя лопасти и их производство, коробки передач и технологию их изготовления, устройства угла наклона и их технологию и так далее. Технологии очень зрелые. Закон Беца, который определяет максимальное количество энергии, которое HAWT может извлечь из ветра, основан на одном диске (роторе), движущемся в двухмерном пространстве.

Несколько компонентов в обычной ветряной турбине.

  1. Малые ветряные турбины с вертикальной осью

Маленькие ветряные турбины с вертикальной осью сильно отличаются от средней до большой вертикальной оси ?? ветряные турбины, потому что движущая сила и направление лопастей при вращении различаются. В некотором положении сила лезвия большая, а направление положительное. В некоторых положениях движущая сила будет меньше и также положительна. Но в других положениях движущая сила и направление отрицательные, большие и маленькие.Кроме того, чем больше диаметр ротора, тем больше отрицательные силы. Таким образом, если диаметр ротора увеличивается, угол (шаг) лопасти необходимо регулировать в реальном времени. Это называется технологией «регулирования угла атаки в реальном времени».

1.1 Большинство современных ветряных турбин с вертикальной осью имеют три основные проблемы:

  1. Производительность малой мощности
  2. Они работают в узком диапазоне скоростей ветра и часто тормозят, что снижает их выходную мощность.

Плохая устойчивость при вращении сокращает срок службы турбины.

В галерее представлен широкий спектр конструкций с вертикальными осями.

1.2 Решение трех проблем

SAWT, конструкция с вертикальной осью, решает три технические проблемы, возникающие при производстве ветряных турбин с вертикальной осью. Один из проектировщиков произвел небольшую вертикальную ветряную турбину, продано более 4000 единиц примерно в 60 странах с 2007 года, и использовал патенты для создания технических барьеров.

1.3 Как спроектировать хорошую небольшую ветряную турбину с вертикальной осью

1.3.1 Несмотря на отличие от HAWT, основной технологией VAWT остается конструкция ветряной мельницы с лопастями. После выбора профиля необходимо рассчитать ориентацию вогнутости, угол, ширину и количество, поскольку каждый из этих факторов определяет характеристики VAWT.
Итак, первый шаг — выбрать низкоскоростной профиль. На втором этапе вогнутая ориентация устанавливается наружу, на третьем этапе выбирается небольшой угол лезвия (хорошо подходит 8 °) и подходящая ширина лезвия. Лучшее количество лезвий — пять.И тут важен способ подключения лезвия. Лучше всего использовать структуру гнезда для облегчения установки и уменьшения силы сопротивления. Эти факторы определяют производительность VAWT по выработке электроэнергии.
1.3.2 Турбина HAWT должна отклоняться от курса — перенаправляться по ветру — но VAWT не требуется. Таким образом, VAWT использует «регулировку положительного угла атаки по высоте». Эта функция использует центробежную силу для управления углом лезвия, когда скорость вращения превышает номинальную.

1.3.3 Хорошая ветряная мельница с вертикальной осью должна оставаться стабильной во время вращения.В противном случае турбина будет «качать головой» при вращении ротора. Это сократит срок службы турбины и вызовет другие проблемы, такие как шум и механический износ. Поэтому лучшим решением будет использование коаксиальной конструкции для ветряной мельницы и генератора. Коаксиальное расположение ветряной мельницы и генератора обеспечивает надежное уплотнение, безопасность и стабильность, отсутствие механического шума, приемлемый подшипник для ветряной мельницы и длительный срок службы.
1.3.4 Ветровые турбины могут быть повреждены, если скорость ветра превышает 25 м / с.Поэтому ветряной турбине с вертикальной осью нужна автоматическая тормозная система. Когда ветряная турбина начинает тормозить, она должна преодолеть инерцию вращения и движущую силу ветра. Таким образом, при хорошей конструкции крутящий момент в роторе рассчитывается при скорости выживания ветра и выбирается подходящий дисковый тормоз для такого количества энергии.

2. Средние и крупные технологии VAWT

Хотя многие другие производители турбин разрабатывают средние и большие VAWT, они переняли конструктивный подход от малых VAWT, просто пропорционально увеличив маленькую турбину, чтобы она стала «средней или большой VAWT».Они не совсем понимают характеристики VAWT.

Хорошо известно, что VAWT работает тихо, безопасно и не требует высокой башни. Однако, несмотря на усилия бесчисленных инженеров, практически не было запущено ни одного коммерческого VAWT. Причины очевидны: остаются нерешенными проблемы аэродинамической эффективности, самозапуска, устойчивости конструкции и безопасного торможения. Проблемы должны решаться для любого типа ветряной турбины.

Эти три проблемы решаются с помощью технологий «активного регулирования угла атаки по тангажу в реальном времени» и «вала ферменной конструкции».

2.1 Технология «активного регулирования угла атаки по тангажу в реальном времени»

Ядром этой технологии является регулировка угла наклона лопастей вращающейся турбины. Устройство было испытано на VAWT высотой 1 м и шириной 1,36 м в аэродинамической трубе при скорости ветра 2 м / с. Измеренный крутящий момент составлял от 0,9 до 1 Нм при 44 об / мин. Коэффициент преобразования энергии ветра в механическую достигает 68%, что превышает предел в 59,3% по закону Беца. Это не значит, что закон Беца неверен. Согласно этой теории, HAWT использует один диск, вращающийся в двумерном пространстве, а VAWT — это вращение нескольких дисков в трехмерном пространстве.Это делает VAWT эквивалентом двух HAWT.

Испытания в аэродинамической трубе показали полезный крутящий момент при ветре 2 м / с.

2.2 Ферменная конструкция для главного вала большого VAWT

Изгибающий момент ветряной мельницы может быть очень большим, если диаметр ротора достаточно большой. Это означает, что главный вал должен иметь большой и прочный диаметр, что затрудняет коммерциализацию. В нашем решении полая ферма используется в качестве главного вала внутри, поскольку конструкция фермы прочная и относительно легкая, отвечающая требованиям к главному валу на средних и больших VAWT, а также спросу на коммерческое использование.

Потенциал ветра: принцип Бернулли применим к парусным лодкам

Vestas Sailrocket 2 установил мировой рекорд для парусных лодок в Уолфиш-Бей в Намибии в 2012 году. Судно достигло 64,78 узлов (119,95 км / ч) при ветре всего 25 узлов (46,3 км / ч). Его средняя скорость плавания достигла 59,23 узла (109,65 км / ч) по прямому каналу длиной 500 м. Эта парусная лодка приводилась в движение подъемной силой, вытекающей из принципа Бернулли.

3.1 Проблемы с традиционным дизайном

Некоторые будут утверждать, что болевые точки традиционной отрасли ветряных турбин включают:

  • Часто более высокая стоимость производства электроэнергии, чем традиционная энергия
  • Производство комплексное
  • Большие детали трудно транспортировать
  • Фундамент, требующий большого объема
    бетона и арматуры.
  • Для установки требуются сложные и дорогостоящие краны
  • Шумовое загрязнение
  • Ущерб экосистеме
  • Возможно химическое загрязнение
  • Высокое напряжение генерирует электромагнитное излучение и помехи


Решение: Супер Турбина и принцип ее работы

Более десяти лет исследований и разработок в отрасли VAWT привели к созданию Super Turbine, типа большой ветряной турбины.Super Turbine, разработанная к 2014 году, отличается низкими затратами на производство электроэнергии, а также простотой установки и обслуживания. В его основе лежит расширение технологии «активного регулирования угла атаки по тангажу в реальном времени», которая была проверена экспериментально. Мы думаем, что это может привести к революции в современной крупной отрасли ветроэнергетики.

На верхнем изображении показан общий вид супертурбины. На нижних изображениях представлены подробности.

  • Для выработки мощности сотни лопастей перемещаются по рельсовому пути под действием подъемной силы и передаются по цепи для приведения в действие сотен генераторов, закрепленных на круговой рельсе.
  • Активная технология регулировки угла наклона в реальном времени контролирует направление ветра, скорость и положение каждой лопасти на гусенице. Затем он регулирует углы лопастей, чтобы получить максимальную подъемную силу. Таким образом, Super Turbine может повысить коэффициент преобразования энергии ветра и обеспечить выработку высокой мощности.
  • Отдельная супер турбина может быть спроектирована в соответствии с условиями ветряной электростанции и требованиями заказчика. Мощность турбины может составлять от 7 до 50 МВт.

3.3 Технологии, проверенные испытаниями в аэродинамической трубе

Конструкция является расширением и дальнейшим применением технологии «активного регулирования угла атаки в реальном времени». На круговой орбите, движимой ветром, лопасти в разных местах будут создавать движущую силу с разной величиной и направлением.
У модифицированной гусеницы есть дополнительные преимущества. Например, там, где движущая сила наибольшая, разрежьте круговую дорожку в этом месте и продолжите ее до прямой линии, которая является прототипом супертурбины.Как и парусная лодка, она самая быстрая по прямой.

Супертурбина может иметь круглую, длинную или даже треугольную форму, но радиус поворота будет одинаковым в зависимости от условий суши и ветра.

Несколько дополнительных деталей по дизайну.

3.4 Характеристики супер турбины

В конструкции всех деталей используются современные зрелые технологии. Основные компоненты включают:

3,6 Снижение затрат на оборудование

  • Super Turbine использует современные и отработанные технологии, такие как управление движением, гидравликой, гусеницами и движущей силой.Так производителю будет легко.
  • Общая стоимость супертурбины мощностью 40 МВт для пользователя составляет 15 миллионов долларов, или 0,38 доллара за ватт.

подпись

Благодаря этим преимуществам, конструкция изменит облик современной индустрии крупных ветряных турбин. Конструкция упрощает производство больших ветряных турбин, поскольку не требует больших лопастей, больших коробок передач, больших генераторов или огромных башен.

Вертикальные ветряки для дома

Вертикальные ветряные турбины для дома

4 комментария

———— Рекламные ссылки ————

———— Рекламные ссылки ————

Ветровые турбины с вертикальной осью, или VAWT, , как их часто называют, представляют собой ветряные турбины, у которых вал ротора расположен вертикально, а не горизонтально.Вместо того, чтобы устанавливаться горизонтально на большом основании, как ветряные турбины с горизонтальной осью ( HAWT, ), VAWT устанавливаются вертикально — лопасти турбины стоят вертикально вверх и вниз. Многие домашние ветроэнергетические установки состоят из VAWT, так как в настоящее время многие производители делают небольшие ветряные турбины для домашнего использования. У меня были проблемы с отслеживанием, какая компания была какой!

Ранее в этом году я писал о постройке собственного ветряка с вертикальной осью дома.Энергия ветра на заднем дворе, которая раньше была просто хобби для избранных немногих самодостаточных людей, стала крупным бизнесом, поскольку жители ищут возобновляемые источники энергии для питания своих домов и малого бизнеса. Существует несколько типов вертикальных ветряных турбин, а также их преимущества и недостатки, о которых потенциальные покупатели должны знать, прежде чем принимать какое-либо решение.

Типы вертикальных ветряных турбин

В настоящее время используются три типа вертикальных ветряных турбин, в зависимости от области применения.

Ветряная турбина Савониуса была изобретена Сигурдом Дж. Савониусом в 1922 году. Эта турбина обычно выглядит как две противоположные половины бочки или шара, вращающегося вокруг центрального ротора. Эти две половинки создают воздушные совки, которые улавливают ветер и, в свою очередь, вращают турбину, генерируя энергию. Это наименее эффективное из НОЖС.

Ветряная турбина Darrieus выглядит как взбиватель для яиц, который можно найти на любой кухне по всему миру. Простой по конструкции, Дарье был изобретен Жоржем Дарье в 1931 году.Он работает с использованием крыльев, что похоже на принцип, по которому движущийся самолет остается в воздухе, когда воздух проходит над крыльями и под ними.

Винтовая ветряная турбина представляет собой немного более сложную версию турбины Дарье, состоящую из трех вертикальных лопастей с аэродинамическим профилем, вращающихся по спирали друг вокруг друга. Это новейший и самый эффективный дизайн для VAWT.

Преимущества ветряных турбин с вертикальной осью

Использование турбины с вертикальной осью по сравнению с горизонтальной турбиной имеет несколько преимуществ.Во-первых, они намного меньше по размеру; не так много людей (или их соседей) хотят установить на своем заднем дворе гигантский ветряк высотой 100 футов. Я знаю, что не хочу, чтобы одна из них возвышалась над моим домом! Еще несколько преимуществ:

  • Для выработки энергии турбине не обязательно быть обращенной к ветру. Нет необходимости в рыскании (часть, которая помогает наклонять пропеллеры типичной ветряной турбины против ветра), поскольку блоку не нужно двигаться против ветра, чтобы вращаться.
  • Любое оборудование, связанное с работой турбины, можно разместить на земле, где к нему будет легче добраться и обслуживать в случае неисправности. Запрещается подниматься по крутой металлической лестнице на вершину горизонтальной турбины.
  • Могут быть установлены на дачных крышах с меньшими разрешительными проблемами и не задев соседей.
  • Вертикальные ветряные турбины более доступны по цене, чем типичные ветряные турбины HAWT для создания энергии в домашних условиях.
  • Эти вертикальные агрегаты не должны отключаться при сильном ветре
  • Бытовые потребители в настоящее время имеют право на 30% -ную федеральную налоговую скидку на покупку и установку небольшого ветряного генератора в дополнение к любым государственным льготам.

Недостатки ветроэнергетических установок с вертикальной осью

Хотя преимущества VAWT намного перевешивают любые недостатки, есть несколько вещей, о которых следует знать тем, кто интересуется производством энергии ветра, в том числе:

  • VAWT может быть до 50% менее эффективным, чем HAWT, из-за их меньшей высоты и подверженности более сильным ветрам
  • Каким бы ни был спиннинг, они производят меньше энергии, а это означает, что вам может потребоваться их больше для удовлетворения ваших потребностей в энергии.
  • Эти устройства могут создавать больше вибраций на земле и прилегающих территориях при сильном ветре, что может привести к шумам и созданию некомфортной среды обитания, если они находятся рядом (или на) вашего дома.
  • VAWT требуют оттяжек, прикрепленных к турбине и земле, чтобы удерживать все и не дать им улететь!

Вертикальные ветряные турбины

Если вы ищете вертикальную ветряную турбину для домашних нужд, удачи — существует бесконечное количество компаний, желающих продать вам свою последнюю и лучшую турбину. Чтобы сузить круг вопросов, я поискал некоторых из наиболее популярных, хорошо известных производителей ветряных турбин с вертикальной осью, чтобы вы могли их проверить:

В то время как солнечная энергия, кажется, первое, о чем люди думают, размышляя о том, чтобы сделать дома экологически чистыми с помощью возобновляемых источников энергии, домашние ветряные турбины определенно уступают .Конструкция вертикальных ветряных турбин постоянно развивается и становится все более распространенной и доступной, поэтому мы можем предположить, что население в целом будет продолжать использовать энергию ветра в качестве надежного источника чистой энергии.

Я знаю, что планирую установить ветряную турбину на своей территории, чтобы дополнить энергию, которую я получаю от солнечных панелей, и с падением цен и повышением эффективности устройств, я знаю, что VAWT повысит ценность моего дома, уменьшив при этом мою полезность счета.

Фотографии любезно предоставлены OiMax и Элл Браун

———— Рекламные ссылки ————

———— Рекламные ссылки ————

ветряные турбины с вертикальной осью | Symscape

Хотя группы ветряных турбин с горизонтальной осью являются нашим основным оружием в войне за сокращение выбросов парниковых газов и спасение планеты от последствий глобального потепления, существуют и другие интересные конструкции ветряных турбин.Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) бывают разных форм и размеров для тех, кто стремится выбрать менее продвинутый путь.

Ветряная турбина Дарье с вертикальной осью Изображение предоставлено FloWind

CFD для вашей ветряной турбины

Готовы ли вы к 30-дневной бесплатной пробной версии Caedium Professional?

Основным преимуществом ветряной турбины с вертикальной осью перед ветровой турбиной с горизонтальной осью является ее нечувствительность к направлению ветра и турбулентности. Таким образом, ветряк с вертикальной осью можно установить ближе к земле, что сделает его более безопасным и дешевым в строительстве и обслуживании.Тем не менее, ему все еще нужен доступ к хорошему ветру. Основным недостатком ветряной турбины с вертикальной осью является неэффективность оттягивания каждой лопасти назад через ветер при каждом полувращении. Удачно расположенная ветряная турбина с горизонтальной осью непрерывно приводится в движение ветром после выравнивания и может быть в два раза эффективнее, чем идеально расположенная ветряная турбина с вертикальной осью. Тем не менее, простота и разнообразие ветряных турбин с вертикальной осью представляет интерес для чтения, как показано ниже.

Дарье

Жорж Дарье был французским изобретателем ветряной турбины Дарье с вертикальной осью или «ветряной мельницы для взбивания яиц» в 1931 году, изготовленной FloWind (больше не продаваемой) для североамериканских клиентов.Darrieus — это высокоскоростная машина с низким крутящим моментом, подходящая для выработки электроэнергии переменного тока. Устройство развивает подъемную силу от двух или трех лопастей в форме буквы «С». Дарье не может запускаться самостоятельно, что требует либо ручного толчка, либо более сложного механизма запуска.

Giromill

Giromill (также известный как «мельница для взбивания яиц») использует тот же принцип, что и Darrieus, для улавливания энергии ветра, но использует 2 или 3 прямых лезвия, прикрепленных к вертикальной оси по отдельности.

Giromill Vertical-Axis Wind Turbine Лицензия: GNU Free Documentation License, Stahlkocher

Винтовые лезвия

Заменяя лопасти Giromill спиральными лопастями, намотанными вокруг вертикальной оси (в ДНК-подобной структуре), можно свести к минимуму пульсирующий крутящий момент, который может привести к выходу из строя основных подшипников в конструкциях, разработанных Дарье.

Ветряная турбина со спиральными лопастями и вертикальной осью Дизайн Quietrevolution

Первоначальная идея этой ветряной турбины была вдохновлена ​​спиральной водяной турбиной Горлова, которая, в свою очередь, изначально была вдохновлена ​​конструкцией ветряной турбины Дарье.

Циклотурбина

Еще одна вариация Darrieus — Cycloturbine, которая по сути представляет собой Giromill с лезвиями с изменяемым углом атаки. Изменяя угол наклона лопасти по мере ее вращения против ветра, сопротивление лопасти сводится к минимуму. Эта модификация улучшает общую эффективность устройства, но также увеличивает его сложность. Кроме того, изменение угла лопасти во время запуска снижает требуемый пусковой крутящий момент и устраняет необходимость в стартере.

Савониус

Вертикально-осевая ветряная турбина Savonius — это медленно вращающаяся машина с высоким крутящим моментом, которая идеально подходит для привода насосов.В то время как большинство ветряных турбин используют подъемную силу, создаваемую лопастями в форме аэродинамического профиля для приведения в движение ротора, Savonius использует сопротивление и поэтому не может вращаться быстрее, чем скорость приближающегося ветра.

Savonius Vertical-Axis Wind Turbine Лицензия: CC BY 2.0, OiMax

Для питания электросети необходимо настроить относительно низкую скорость Savonius для выработки частот переменного тока, что увеличивает стоимость и снижает общую эффективность.

Несколько ветряных турбин с вертикальной осью, если таковые имеются, можно купить в готовом виде для личного использования.Тем не менее, это не препятствие для тех, кто готов создать собственную ветряную турбину с вертикальной осью — попробуйте.

Прорывное исследование в области испытаний и компоновки ветряных турбин с вертикальной осью

Ветряная электростанция Shepherds Flat Wind Farm — это ветряная электростанция мощностью 845 МВт в американском штате Орегон. Предоставлено: Стив Уилсон / Википедия.

Вид пропеллероподобных вращающихся лопастей, расположенных высоко на полюсе высокой ветряной турбины с горизонтальной осью (HAWT), может быть знаком многим.Часто объединенные в ветряные электростанции, HAWT обеспечивают значительный объем энергии для местных сообществ. Одним из недостатков HAWT является то, что они занимают большое пространство, и их необходимо размещать на большом расстоянии друг от друга. Если их расположить слишком близко друг к другу, турбулентность и дефицит скорости ветра, вызванные одним HAWT, могут значительно снизить мощность соседнего HAWT.

Чтобы решить эту проблему, исследователи изучают ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT), которые могут быть организованы в группы или размещены внутри массивов HAWT.VAWT имеет в целом цилиндрическую форму, с лопастями, выровненными параллельно полюсу, на котором установлен ротор, и вращающимся вокруг него. Эти VAWT «взбивания яиц» имеют тенденцию быть намного меньше, чем HAWT «гребного винта», обычно примерно в 10 раз короче по высоте и вырабатывают лишь примерно 0,1 процента мощности на одну турбину.

Анна Крейг, докторант в области машиностроения из Стэнфордского университета, и ее исследовательская группа недавно изучали моделирование систем VAWT, результаты которых они сообщают на этой неделе в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy .

Хотя одно VAWT не производит столько энергии, как индивидуальное HAWT, синергия ветрового потока, создаваемая близкорасположенным массивом VAWT, потенциально может генерировать до 10 раз больше энергии на единицу площади суши, чем массив широко разнесенных HAWTs.

«Что касается ветряных турбин с вертикальной осью, то вы получаете, особенно если размещаете их в непосредственной поперечной близости друг от друга, — это то, что они действительно могут положительно взаимодействовать», — сказал Крейг. «Хотя это все еще активная область исследований, мы думаем, что VAWT могут иметь эффекты блокировки, вызывающие ускорение вращения вокруг турбин, что помогает расположенным ниже по потоку турбинам.Они также могут иметь вертикальное перемешивание ветра в зоне следа турбины, что способствует восстановлению скорости ветра ».

Крейг сказал, что исследователи согласны с тем, что необходимо провести дополнительные исследования по VAWT, прежде чем они смогут быть развернуты в масштабе энергетического сектора. Тем не менее, Крейг и ее коллеги представили важную информацию об одной центральной проблеме VAWT: как исследовать, тестировать и развивать идеи для эффективных схем массивов. Они сделали это в лабораторных экспериментах, потому что полевые испытания в настоящее время очень дороги, а компьютерное моделирование еще недостаточно усовершенствовано или требует слишком больших вычислительных затрат.

«В настоящее время большинство численных моделей либо полностью двумерны, либо трехмерны, но при этом используются сильно упрощенные, по сути двумерные модели турбин. Ни один из подходов не может уловить вертикальные потоки, которые критически важны для энергетики. динамика системы VAWT «, — сказал Крейг.

Крейг и ее коллеги считают, что этот лабораторный эксперимент и аналогичные последующие действия предлагают важные возможности как для организации работы в полевых условиях, так и для уточнения численного моделирования.Они провели эксперимент в большом водотоке Лаборатории механики жидкостей в окружающей среде на улице Боба и Норма в отделе гражданской и экологической инженерии в Стэнфорде, при этом поток воды в системе эффективно представлял поток ветра.

Крейг установил между пластинами примерно 1300 1-дюймовых шестерен, которые можно было изменить во время эксперимента. На вершине этих шестерен находилось примерно 300 вращающихся цилиндров, установленных для создания массива длиной 10 футов, при этом цилиндры фактически представляли VAWT.Всего они протестировали 10 различных массивов с разными конфигурациями.

«Три переменные, на которые я смотрел, — это пространственная конфигурация, конфигурация вращения и конфигурация высоты элементов», — сказал Крейг. «Я хотел узнать, как взаимодействия между элементами могут создавать более масштабные модели потоков».

Эксперимент осветил усредненный по пространству-времени вертикальный поток VAWT, который важен для турбин.

«Я увидел чистый вертикальный поток сверху над массивом, вниз в массив и по сторонам массива, что было несколько неожиданно.- сказал Крейг. — Эти чистые вертикальные и поперечные потоки устраняют горизонтальную однородность внутри массива и вводят новый механизм, с помощью которого можно пополнить энергетический ресурс внутри массива ».

Для будущих исследований Крейг сказал, что этот эксперимент предлагает важные идеи как для численных, так и для полевых испытаний.

«Трехмерность потока через массив критически важна для понимания динамики энергии системы», — сказал Крейг. «Эта статья действительно нацелена на то, чтобы позволить нам разработать соответствующие численные и экспериментальные исследования.«

Крейг с оптимизмом смотрит на технологию VAWT и ее потенциальное использование, отмечая, что в будущем она может быть размещена в массивах HAWT и доставлена ​​в места, которые не поддаются гораздо более крупным HAWT, такие как острова и города. Она говорит, что VAWT потенциально может быть менее вредным для окружающей среды, чем HAWT.

«Мы должны рассмотреть численные или даже полевые эксперименты с большим количеством VAWT, потому что лабораторные эксперименты показали, что существуют физические механизмы для работы этих больших массивов турбин», — сказал Крейг.


Улучшенная ветряная турбина Savonius улавливает ветер в городах
Дополнительная информация: «Физические модели низшего порядка ветряных турбин с вертикальной осью» Возобновляемая и устойчивая энергия , фев.28, 2017. DOI: 10.1063 / 1.4976983 Предоставлено Американский институт физики

Ссылка : Прорывное исследование для испытаний и компоновки ветряных турбин с вертикальной осью (2017, 28 февраля) получено 21 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2017-02-breakthrough-vertical-axis-turbines.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Лучшая эффективная ветряная турбина — Выгодные предложения на эффективную ветряную турбину от мировых продавцов эффективных ветряных турбин

Отличные новости !!! Вы попали в нужное место для поиска эффективных ветряных турбин.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок наряду с небольшими независимыми продавцами со скидками, каждый из которых предлагает быструю доставку и надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку эта высокоэффективная ветряная турбина вскоре станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели эффективную ветряную турбину на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в эффективности ветряной турбины и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам разобраться, стоит ли доплачивать за высококачественную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.И, если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

А если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести эффективную ветряную турбину по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *