Энергоинформ – развитие энергетики и информационных технологий

Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии

Энергоинформ / Опыт профессионалов / Презентация новой ветряной турбины

Презентация новой ветряной турбины

Постиндустриальное общество сделало ставку на возобновляемые источники энергии, в том числе на ветроэнергетику. На сегодня суммарная мощность всех работающих в мире атомных электростанций составляет 400 тыс. МВт, а суммарная мощность ветряных станций уже 500 тыс. МВт! Преобладают ветрогенераторы пропеллерного типа, с горизонтальной осью вращения. Такие генераторы требуют мощных опорных башен с дорогостоящими фундаментами, что увеличивает сроки окупаемости. К тому же, такие агрегаты являются мощными низкочастотными источниками шума. Вращается пропеллерный «ветряк» со скоростью всего 15-30 оборотов в минуту, а после редуктора обороты увеличивается до 1500, в результате с такой же скоростью вращается и вал генератора, который вырабатывает электроэнергию. Эта классическая схема имеет существенные недостатки: редуктор — сложный и дорогой механизм (до 20% от стоимости всего ветрогенератора), требует сезонной замены и очень быстро изнашивается. Эти обстоятельства ограничивают круг покупателей и заставляет искать альтернативу традиционным ветряным электрогенераторам.

Вновь созданная ветровая турбина относится к вертикально — осевым ветряным турбинам (VAWT). Вертикально — осевые ветряные турбины стали современным трендом. Они бесшумны и не требуют больших капитальных затрат, проще и дешевле в обслуживании, нежели горизонтально — осевые турбины.

Ветряные генераторы с горизонтальной осью переводятся в защитный режим авторотации при некоей предельной скорости ветра, превышение которой чревато разрушением конструкции. В таком режиме пропеллер отсоединён от мультипликатора и генератора, электроэнергия не вырабатывается. А роторы с вертикальной осью испытывают значительно меньшие механические напряжения при равной скорости ветра, нежели роторы с горизонтальной осью. К тому же последние требуют дорогостоящих систем ориентации по направлению ветра.

Перспективность вертикально — осевых ветротурбин подтверждается таким фактом как то, что на 8-й Всемирной конференции по ветроэнергетике (Канада, 2008 год) в секции «Конструкция ветроустановок» все доклады (из США, Канады, Саудовской Аравии и др.) были посвящены именно таким ветрогенераторам.

График зависимости мощности от скорости ветра
График зависимости мощности от скорости ветра для VAWT 3 кВт

Общей теории VAWT нет до сих пор. Недостатком этих систем принято считать коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), составляющий примерно треть от энергии ветра в своре ротора. Это относят к якобы наиболее совершенным из них — турбинам Дарье, предложенным ещё в 1926 — м году. За минувший век появились атомные авианосцы, орбитальные беспилотники и умные часы. Но что мешает превзойти турбины покойного месье Дарье? Не те же ли причины, по которым маститые учёные отказывали в праве на существование летательным «аппаратам тяжелее воздуха» в ХIХ веке? Не видно других причин для возникновения этого мнимого тупика в развитии VAWT.

В 2012г. вышла книга российского доктора Д.Н. Горелова «Аэродинамика ветроколёс с вертикальной осью вращения» (Институт математики Сибирского отделения Российской академии наук). С позиций «всезнающей» науки, признающей очевидное только после реализации инженерами (самолёт братьев Райт, ракета ФАУ — 2) в книге Дмитрия Николаевича излагается «ересь»:

«Незыблемым остаётся утверждение, что энергетические характеристики ротора Дарье ограничены предельными характеристиками ветроколеса пропеллерного типа. Такие выводы мне представляются сомнительными».

Далее поясняется, что лопасти вертикальной турбины обтекает пульсирующий поток, аналогичный тому, что создаёт летящая птица. Хотя теория идеального пропеллера создана для стационарного воздушного потока. http://x-vint.ru/index12.html . Ранее это положение было обосновано в работе Горелова Д. Н. «Проблемы аэродинамики ветроколеса Дарье», Теплофизика и аэромеханика. Т. 10. — 2003. — № 1. — С. 47-51.

Если же отбросить в сторону псевдо — парадигму о пределе КИЭВ роторов любого типа в 59,3%, то остаётся признать, что энергетические возможности вертикально — осевых турбин не ограничены тем пределом, который установлен теорией для пропеллерных ветряных генераторов. Исходя из этих резонных соображений, мы пришли к идее VAWT новой «архитектуры». В ней использован принцип природного явления — смерча. Турбина превращает поток ветра в восходящий вихрь, который «наматывается» на многолопастный ротор, как кокон. Лопасти мешают прохождению воздуха напрямую, он спирально обтекает полость ротора, передавая трением ему свою энергию. Поток взаимодействует не только с этими лопастями, но и со связанными с ротором наклонными антикрыльями. С верхом лопастей соединена горизонтальная крыльчатка. Она также взаимодействует с восходящим вихрем.

Одна из моделей турбины
Одна из моделей нашей турбины в масштабе 1:10

Наш инновационный многоплановый подход к конструкции вертикальных ветрогенераторов основан среди прочего и на использовании низко расположенного прочного ротора, на периферии которого закреплено множество парусов — крыльев. Ротор снабжён опорными стойками колёсных шасси, что позволяет ему вращаться вокруг неподвижной оси с устойчивой порой на фундамент за счёт колёс шасси. Множество парусов — крыльев создают за счёт аэродинамических сил большой вращательный момент. Что делает данную конструкцию рекордной по удельной мощности. Диаметр ротора может составлять 10 метров. При этом на таком роторе возможна установка крыльев площадью более 200 квадратных метров, что позволит генерировать до ста киловатт электроэнергии. При этом вес таких агрегатов настолько мал, что его возможно устанавливать на крышах зданий и обеспечивать их за счёт этого автономным электроснабжением. Или же возможно обеспечить электроэнергией объект в горах, куда не проложена линия электропередачи. Увеличение мощности до сколь угодно большой величины достижимо тиражированием таких агрегатов. То есть, ставя много однотипных установок, достигаем нужной мощности.

Что касается технической эффективности. Наш прототип при высоте лопастей 800мм и поперечном габарите 800 мм при скорости ветра 11 м/с развил механическую мощность 225 Вт (при 75 оборотах в минуту). При этом он отстоял от поверхности земли на высоте менее метра. По данным ресурса http://www.rktp-trade.ru сопоставимую мощность (300 Вт) развивает пятилопастной вертикальный ветряк, установленный на шестиметровой мачте, причём он имеет пять 1200 — мм лопастей, установленных на габаритном диаметре 2 000 мм. То есть, если принять ометаемые ветром площади сравниваемых ветряков равными, то получится, что прототип энергоэффективнее известного ветряка в 2,5...3 раза, с учётом того, что у земли ветер слабее из-за близости к граничной поверхности и имеет выраженный турбулентный характер. Из этого, зная, что описанный аналог имеет коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) равный 0,2, можно оценить КИЭВ прототипа как 0,48, что намного выше, чем у VAWT типа «Савониус» и «Дарье» и соответствует лучшим мировым образцам горизонтально — осевых ветрогенераторов. При этом материалоёмкость и себестоимость у прототипа несопоставимо ниже, чем у пропеллерных мачтовых ветряков, имеющих механизмы ориентации на ветер и высоко расположенный энергомодуль с дорогим повышающим редуктором планетарного типа.

Сравнительная оценка эффективности роторов ветровых турбин различных типов приведена ниже в таблице 1.

Таблица1

Тип ротора Расположение оси вращения Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) Источник Примечания
Ротор Савониуса Вертикальное 0,17 Р.А. Янсон. Ветроустановки. Под редакцией М.Ж. Осипова. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007г., стр.23, рис.13 Разработан около восьмидесяти лет назад, схема — рис. 7 (д) на стр.17 упомянутого источника
Ротор Н-Дарье с широко разнесёнными лопастями Вертикальное 0,38 Там же Разработан около века назад, схема — рис. 7 (а) на стр.17 упомянутого источника
Многолопастные сопротивления Вертикальное 0,2 Там же, а также конкретный коммерческий продукт на сайте http://www.rktp-trade.ru К этому типу относится и ротор Болотова.
Двухлопостные пропеллерные Горизонтальное 0,42 Там же Самый распространённый в мире тип ветродвигателей на сегодня
Ротор нашей турбины (формально Н-Дарье, но с плотно сомкнутыми лопастями, на которых установлены наклонные антикрылья и горизонтальная крыльчатка) Вертикальное  0,48...0,5 Натурные замеры скорости ветра анемометром, крутящего момента ротора динамометром, оборотов ротора тахометром

Проект предусматривает конструирование, изготовление и испытание полноразмерного образца VAWT (высота вертикальных лопастей 8м). После чего планируется организовать промышленное производство таких установок после отладки пилотного образца, с оснащением такими установками не электрифицированных районов в сельской местности и зданий в городах.

ВЕТРОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ С БЛОКАМИ МОДУЛЬНЫХ ВЕРТИКАЛЬНО — ОСЕВЫХ ТУРБИН.

Представляем инновационную ветроэлектростанцию (ВЭС) номинальной мощностью 1 мегаватт, состоящая из двадцати четырёх VAWT с высотой вертикальных лопастей 8м (20 основных и 4 резервных блока). При этом турбины расположены на двух верхних этажах трёхэтажного здания.

Эффективность вертикально — осевых турбин (VAWT) повышена путём установки над ними индивидуальных дефлекторов, что искусственно увеличивает исходную скорость ветра, как если бы турбины были подняты на высоту 50 м над землёй. Предпочтительное место расположения этой электростанции — в горах, где дуют сильные и стабильно направленные ветры.

Фундамент для турбины
Площадь фундамента здания составляет 6600 квадратных метра, а габаритная высота (с учётом высоты дефлекторов) — 44,6 м.

По сравнению с обычной ветровой электростанцией достигается снижение затрат на техническое обслуживание. Если горизонтально — осевой ветрогенератор такой мощности выводится из эксплуатации на время устранения неполадок или технического обслуживания, то модульная ВЭС работает непрерывно, отдельные VAWT обслуживаются поочерёдно. Это очень большое преимущество по сравнению с большими горизонтальными ветрогенераторами.

Вертикально — осевые ветротурбины данной ВЭС имеют инновационную конструкцию (см. рисунки ниже). Архитектурное решение ВЭС также является оригинальным и ранее нигде ранее не встречалось.

Модель турбины в масштабе 1:10
Модель турбины в масштабе 1:10
Полноразмерная турбина при слабом ветре
Полноразмерная турбина при слабом ветре
Полноразмерная турбина при слабом ветре, вид сверху
То же, вид сверху
Турбина при сильном ветре
Турбина при сильном ветре
Турбина при сильном ветре, вид сверху
То же, вид сверху

Преимущества данной VAWT:

  • Она вращается в одну и ту же сторону при любом направлении ветра. В то время как гондолы горизонтальных ветрогенераторов требуется ориентировать по ветру, что удорожает конструкцию и снижает ресурс подвижных частей механизма поворота.
  • Генерация электроэнергии в VAWT начинается при скорости ветра от 5 м/с.
  • Турбина имеет высокое аэродинамическое качество лопастей и инновационную архитектуру, позволяющую достичь коэффициента использования энергии ветра не менее 47%.
  • Турбина не нуждается в обслуживании генератора (кольцевой плоский линейный без щеток и подшипников).
  • Наращивание мощности достигается путем установки дополнительных модулей.
  • VAWT не имеет ограничений при установке вблизи жилья, не создаёт недопустимого электромагнитного и акустического излучения. Это позволяет устанавливать турбины в пределах населённых пунктов, в том числе на крышах многоэтажных зданий без ущерба ландшафтным видам.
  • VAWT абсолютно безвредна, может устанавливаться на пути миграции перелетных птиц
  • Турбина устойчива к сильному ветру, способна выдержать даже ураганный ветер. Это достигается механизмом автоматического изменения углов атаки вертикальных лопастей турбины (рисунки приведены выше).
  • VAWT имеет легкие и простые составные части, удобные при транспортировке и монтаже.
  • Турбина защищена от воздействия молний.

На сегодня выполнена полноразмерная 3-d модель механической части турбины (с высотой вертикальных лопастей 8 м), а также выполнены рабочие чертежи деталей и узлов ротора и узла его вращения. Чертежи на электрогенератор и лопасти прорабатываются с учётом максимального соответствия критерию «цена — качество».

БЛИЖАЙШИЕ АНАЛОГИ ИННОВАЦИОННОЙ VAWT

Крупноразмерные аналоги большой мощности в настоящий момент только начинают входить в практику перспективных инноваций, поэтому пока ещё крайне редки.

Единственный действующий аналог промышленно значимой мощности выявлен в Польше. В этом источнике информации говорится, что высота строенной конструкции из девяти модулей в каждой секции равна 30 метрам. При этом заявляется суммарная мощность 0,5 МВт.

Для указанной габаритной высоты и мощности налицо противоречие, если только станция не будет работать при УРАГАННОМ ветре 50м/c, на что абсурдно рассчитывать в условиях Польши. Или же, для скорости ветра 10м/с, мощность должна быть в пять раз меньше (для данного количества модулей из двадцати семи турбин), или же каждая модульная турбина должна иметь высоту не менее чем 4,5 метра и диаметр 5м. Но и в этом случае габаритная высота сооружения составит не 30 м, а немногим мене чем 50м! Но никак не 100метров, как было предположено нашими уважаемыми австрийскими коллегами.

Тем не мене, если предположить, что мощность 0,5 МВт вырабатывают пять сооружений тридцатиметровой высоты, каждое из которых представляет собой описанную в польском источнике информации строенную конструкцию, то выработка пол — мегаваттного количества электроэнергии реальна при описанной конструкции WAWT. Мы не считаем эту конструкцию наиболее совершенной и предлагаем двухъярусную компоновку наших турбин, 24 турбины нашего типа обеспечат при высоте каждой из них мощность 1МВт, при условии, что 20 турбин будут генерировать энергию непрерывно, а 4 турбины будут резервными. Мы уже приводили выше изображение такого сооружения.

Среди небольших многолопастных VAVT карусельного типа выявлены следующие функциональные аналоги:

1. WAWT производства Германии, ротор которой аналогичен по конструкции ранее упомянутому польскому модулю, но имеет вокруг себя статический направляющий аппарат — ветроконцентратор.

Данная турбина не имеет возможности генерировать восходящий вихревой поток, повышающий коэффициент использования энергии ветра, как это предусмотрено конструкцией предлагаемой инновационной ветротурбины.

2. Турбина американской компании Vortexis Energy Solutions, Inc., производящей VAWT для резиденций, заправочных станций электромобилей, а также для Министерства обороны.

При отдалённом внешнем сходстве американской VAWT с объектом данной заявки, имеются следующие принципиальные отличия:

1) У аналога вращается внутренняя часть VAWT. А внешняя часть — это статор (неподвижный направляющий аппарат). У заявляемого объекта вся система — единый ротор.

2) Поскольку мощность зависит от крутящего момента, который прямо пропорционален радиусу ротора, при прочих равных условиях у заявляемого устройства радиус больше (при одних и тех же габаритах).

3) Объект заявки может содержать горизонтальную крыльчатку, в отличие от аналога, которая снимает мощность с восходящего вихря внутри ротора.

4) У аналога нет наклонных антикрыльев. В одном из вариантов действующей модели инновационной турбины их 18. Эти антикрылья, как показало сравнение с моделью, снабжённой девятью антикрыльями, удвоение их количества увеличило мощность турбины на 9 %.

5) Указанная компания не может делать большие VAWT. Наша компания проектирует турбину с высотой вертикальных лопастей 8м мощностью до 50...80 кВт, что многократно превосходит показатели описанного аналога.

Эти функциональные аналоги подтверждают тот факт, что инженеры из стран Восточной и Западной Европы, а также США придают важное значение многолопастным VAWT.

Информационные материалы:
  • Статья «Перспективная вертикально-осевая турбина», формат PDF (96 Кб)
  • Статья в журнале «Энергетика и промышленность России», формат PDF (326 Кб)
  • Листовка, формат JPG (3,5 Мб)

Автор: С.В. Геллер
E-mail: carma555@mail.ru
Тел.: +7 (908) 500-65-20

© 2005–2019 Энергоинформ — альтернативная энергетика, энергосбережение, информационно-компьютерные технологии