Новая роль ветрогенераторных ферм в океане

Состояние, перспективы и новые направления в развитии ветроэнергетики

Как видно из рис. 43, 44 в мире ветроэнергетика находится в состоянии постоянного роста. Суммарная установленная мощность ветроэнергетики в 2016 г. составила 487 ГВт. Наибольшая динамика роста наблюдается в Китае (+23 %). В первые 5 стран по развитию ветроэнергетики входят Китай, США, Германия, Индия и Испания. Учитывая размеры стран, наибольшие успехи в развитии ветроэнергетики имеет Германия (см. рис. 44).

Рис. 43. Тенденция развития мировой ветроэнергетики

Рис. 44. Первые 10 стран в развитии мировой ветроэнергетики

Ветроэнергетика получает свое развитие и в Республике Беларусь. По сведениям Департамента по энергоэффективности на 01.08.2017 г. в стане действует 78 ВЭУ с общей мощностью 75,9 МВт. Запущен в эксплуатацию первый ветропарк в Новогрудском районе, который включает 6 ВЭУ каждая мощностью 1,5 МВт (рис. 45). В 2017 г. введена в эксплуатацию ВЭУ фирмы Vestas мощностью 3,3 МВт (высота мачты – 120 м.).

Рис. 45. Общий вид первого в Республике Беларусь ветропарка мощностью 9 МВт

Можно выделить следующие направления и тренды развития ветроэнергетики:

• увеличение установленной мощности ВЭУ (до 10–20 мВт) (рис. 46);
• расширение строительства офшорных ветропарков;
• совершенствование автономных ветроэнергетических систем;
• разработка новых более эффективных ветротурбин;
• снижение стоимости электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ (рис. 47).

Рис. 46. Тренды в развитии ветроэнергетики

Рис. 47. Тренды в изменении стоимости электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ

Новые конструкции ветроустановок. Аэродинамическая турбина AeroGreen (РФ). Основана на использовании турбинных технологий и оригинальной конструкции, обеспечивающей увеличение коэффициента использования воздушного потока в два раза (рис. 48). Конструкция турбин AeroGreen обеспечивает не только хорошую шумоизоляцию, но исключает опасность попадания посторонних предметов, птиц в плоскость вращения, а также обеспечивает возможность работы аэродинамической турбины даже при самых неблагоприятные погодных условиях (снег с дождем, град, шквалистый ветер, ураган и т. п.).

Рис. 48. Общий вид ветротурбин AeroGreen

Ветроколесо AeroGreen, в отличие от ВЭУ трехлопастной схемы вращается не в вертикальной плоскости, а в горизонтальной, т. е. параллельно земле. Воздушные массы, с любой стороны перемещаются по сужающему корпусу ветроустановки вверх вдоль вертикально установленных ребер и направляются через лопатки ветроколеса в зону разряжения верхнего обтекателя. Эти особенности конструкции позволяют получить ускорение воздушного потока и обеспечивают вращение ветроколеса уже при скорости ветра от 1,5 м/с.

Как видно из рис. 49 ветротурбина AeroGreen по сравнению с обычными ВЭУ с вертикальной и горизонтальной осью вращения имеет преимущества по уровню шума, диапазону ветровых скоростей и стоимости киловатт вырабатываемой электроэнергии.

Рис. 49. Сравнительные характеристики ветротурбин

Перспективным направлением в дальнейшем развитии ветроэнергетики является перепрофилирование выводимых из разработки шахт, рудников и других подземных предприятий в ветроэнергетические станции. Согласно проекту (Украина), в горных выработках закрытых шахт будет размещаться каскад ветроэнергетических установок (турбинные ветрогенераторы). Их будет приводить в действие естественная тяга воздуха, возникающая из-за разности температур, на земной поверхности и в подземных тоннелях.

Просмотров:
266

Ветрогенератор Онипко своими руками

Создание ротора Онипко для своих нужд — достаточно сложная задача. Конструкторы в качестве генератора используют мотор-колесо, что имеется в наличии не у всех. Но основная проблема, встающая перед самодеятельным изготовителем — создание сложных криволинейных поверхностей, их точное соединение и качественная балансировка колеса.

Для создателя подобной конструкции наиболее правильным вариантом станет создание качественного шаблона и создание крыльчатки из стеклопластика. Эта методика позволит изготовить легкое и достаточно точно выполненное колесо. Сами разработчики первые рабочие модели создавали из пенопласта и стеклоткани, поэтому наиболее разумно будет последовать их примеру.

Представляется нерациональным создавать ротор малой площади. Учитывая угол наклона потока по отношению к точкам поверхности лопастей, следует создать достаточно большое колесо, способное развивать мощность, соответствующую потребностям генератора. Использование мотор-колеса, которое применили конструкторы, не обязательно, можно приспособить любой тихоходный образец, не создающий значительной нагрузки на валу ротора.

Практические советы

• Как можно тщательней проанализируйте ветровую обстановку в районе расположения своего существующего или будущего дома. Среднегодовые данные должны быть не менее 3м/сек.
• Изучите предлагаемые конструкции ветрогенераторов. Учтите возможности выработки электроэнергии при слабых ветрах, а также площадь части участка, которую придётся вывести под монтаж ветроустановки.
• Проведите экономический анализ затрат на весь комплект оборудования, входящий в ветровую электростанцию, и его монтаж, с одной стороны. С другой, — стоимость прокладки стационарной электросети до участка. При этом учтите, — стоимость ветровой энергии будет обходиться бесплатно!
• Наиболее практичная конструкция, на наш взгляд, — это ветро-осевой генератор с дополнением солнечными панелями и дизельным мотор-генератором.

Стоит ли придавать этому большое значение

Я никогда не понимал, для чего делают красивой внешнюю часть балкона. Да, ее видят люди, но не все ли равно, как он выглядит со двора, если внутри ничего нет. Если вы имеете желание создать из этой части жилплощади произведение искусства, то начните изнутри.

Деньги, которые вы хотите потратить на облицовку фасада здания, по моему мнению, лучше потратить на новое кресло, журнальный столик или светильник, под которым вы будете читать любимую книгу, попивая чай с мятой, медом и лимоном после тяжелой рабочей недели.

Помните, что любой ремонт нужно делать не только качественно, но и рационально, опираясь на финансовые возможности и основную цель, которую вы преследуете. Не стоит распыляться на мнение других людей, ведь вы все делаете только для себя.

Уверен, что мои советы вам пригодятся, а ремонт совсем скоро подойдет к концу!

Ветрогенераторы будущего

Усиленные исследования в области безлопастных конструкций дают основания предполагать рост производства подобных изделий. Существующие уже сегодня разработки сулят большие перспективы этому направлению, поскольку экономичность и эффективность таких моделей даже на стадии макетирования намного превышают показатели сегодняшних промышленных образцов.

Возможности ветрогенераторов пока не могут полностью решить проблему, но, по мере появления более успешных разработок, неминуемо начнут понемногу занимать место отработавших свой срок службы нынешних энергетических гигантов. Такой процесс будет плавным, резкого перехода не будет, поэтому каких-либо неудобств или потерь никто не почувствует.

Создание бесшумных, не имеющих вращающихся частей установок значительно снизит их себестоимость, что отразится на цене конечного продукта — электроэнергии, увеличит ее доступность, позволит всем без исключения пользоваться энергией ветра.

Ветрогенератор Онипко

Продолжая обговаривать необычные варианты винтов, невозможно не упомянуть ветряк Онипко, который отличается конусообразными лопастями. Главным плюсом этих установок, является способность получения и преобразование в кВт при скорости потока 0,1 м/с. Лопастные, в отличии, начинают обороты на скорости 3 м/с. Онипко бесшумный и полностью безопасен для внешней среды. Он не нашёл массового распространения, но как говорят результаты исследований, он станет отличным вариантом для больших производственных объектов, что ищут альтернативные источники, так как обладает большой мощностью.

В виде панциря улитки. Инновационным прорывом считают изобретение компании Archimedes, которая находиться в Нидерландах. Она предложила вниманию общественности конструкцию бесшумного типа, который можно устанавливать прямо на крыше многоэтажного здания. Согласно исследованиям, агрегат может работать в комплексе с солнечными батареями и свести к нулю зависимость здания от внешней энергосети. Новые генераторы носят название Liam F1. Оборудование имеет вид небольшой турбины диаметр которой 1,5 метра, и вес 100 килограмм.

По своей форме установка напоминает панцирь улитки. Турбина разворачивается по направлению захватывая воздушный поток. Агустин Отегу изобретатель всемирно известной спиралевидной турбины Nano Skin, видит будущее человечества не в громадных солнечных батареях и турбинах с большим размахом винтов. Он рекомендует монтировать их в наружных частях зданий. Турбины начнут вращаться ветром и создадут энергию, которая будет передаваться непосредственно в электросеть здания.

Увеличение мощности установки

Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.

Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.

Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.

Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора

Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки. Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем. Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.

Российские вертикальные ветровые генераторы

Российские компании выпускают вертикальные ветровые генераторы различной мощности и типов ротора.

OOO «ГРЦ-Вертикаль» (Челябинская обл., г. Миасс) выпускает ветрогенераторы вертикального типа мощностью от 1,5 до 30 кВт, рассмотрим некоторые из них:

1. Ветроустановка ВЭУ-1.5 мощностью 1,5 кВт.

Портативная установка, может транспортироваться любым видом транспорта, проста в монтаже и эксплуатации.

Технические характеристики:

Номинальная мощность – 1,5 кВт;

Выходное напряжение — 48 В;

Рабочий диапазон скоростей ветра — от 2,5 до 25 м/с;

Номинальная скорость ветра 10,0 м/с;

Диаметр ротора 2,8 м;

Температура при эксплуатации — от -50 до +50ºС;

Срок эксплуатации — 20 лет;

Межремонтный цикл — 5 лет;

Масса установки — 75,0 кг;

Стоимость установки – от 100000,00 рублей.

1. Ветроустановка ВЭУ-3(6), 6-и лопастная, мощностью 3,0 кВт.

Предназначена для автономного электроснабжения потребителей малой мощности (жилой дом, коттедж). Преимущества – удобство и простота монтажа, при установке дополнительного оборудования (аккумуляторов и инвертора), возможно увеличение мощности установки до 6,0 кВт.

Технические характеристики:

• Номинальная мощность – 3,0 кВт;
• Выходное напряжение — 48 В;
• Рабочий диапазон скоростей ветра — от 4 до 30 м/с;
• Номинальная скорость ветра 10,4 м/с;
• Диаметр ротора 3,4 м;
• Высота ротора 4,2 м;
• Число лопастей — 6 шт.;
• Частота вращения ротора – от 60 до 180 об/мин;
• Температура при эксплуатации — от -50 до +50ºС;
• Срок эксплуатации — 20 лет;
• Межремонтный цикл — 5 лет;
• Масса установки — 620 кг;
• Стоимость установки – от 300000,00 рублей.

1. Ветроустановка ВЭУ-30 мощностью 30 кВт.

Предназначена для электроснабжения большого дома, либо группы домов.

Технические характеристики:

• Номинальная мощность – 30,0 кВт;
• Выходное напряжение – 96 — 400 В;
• Рабочий диапазон скоростей ветра — от 4 до 60 м/с;
• Номинальная скорость ветра 10,4 м/с;
• Диаметр ротора 9,2 м;
• Высота ротора 12,0 м;
• Число лопастей — 6 шт.;
• Частота вращения ротора – от 25 до 65 об/мин;
• Температура при эксплуатации — от -50 до +40ºС;
• Срок эксплуатации — 20 лет;
• Межремонтный цикл — 5 лет;
• Масса установки — 5100 кг;
• Стоимость установки – от 1250000,00 рублей.

Принцип работы

Принцип действия ротора Онипко основан на классических аэродинамических посылках. Изменения коснулись самой идеи вращающихся лопастей. Они превращены в сплошное полотно, не имеющее разрывов в плане, но вытянутое в боковом сечении в конус. В результате получается крыльчатка, максимально эффективно контактирующая с потоком ветра.

Площадь контакта имеет наиболее высокую величину из возможных, что позволяет получить высокочувствительный ротор. Параметры спирали оптимальным образом взаимодействуют с потоком, позволяя получить устойчивое вращение при слабых ветрах и вполне уверенно чувствовать себя при скорости ветра, близкой к 40 м/с.

В остальном ветрогенератор Онипко не отличается от обычных устройств подобного типа — крыльчатка воздействует на генератор, который заряжает аккумуляторные батареи. Заряд батарей через инвертор подается на приборы потребления. Единственным дополнением является электронный блок, установленный перед выпрямителем и преобразующий частоту в более удобные для аппаратуры 50-100 Гц. Стандартные параметры тока — 220 В 50 Гц — достигаются при скорости вращения в 150 об/мин.

По утверждениям разработчиков, каждый типоразмер проходит специальные испытания в аэродинамической трубе и корректируется по итогам испытаний. Это свидетельствует о том, что точной математической модели установки еще не существует, приходится уточнять параметры на практике.

Тем не менее, созданные образцы демонстрируют высокие показатели, признанные всеми специалистами в этой области, что дает основания предполагать скорое теоретическое обоснование и описание формы лопастей. Такое обоснование необходимо для производства, иначе изменение размеров может стать причиной ухудшения аэродинамики ротора.

Популярные модели

Прежде чем рассмотреть популярные модели ветровых генераторов, необходимо определиться с критериями выбора этих устройств, такими являются:

1. Электрическая мощность агрегата;
2. Количество вырабатываемой электрической энергией в месяц;
3. Минимальная скорость воздушного потока;
4. Условия эксплуатации;
5. Система защиты от перегрузок;
6. Срок службы;
7. Стоимость.

В настоящее время ветровые генераторы выпускаются как в нашей стране, так и за ее пределами.

В России подобные агрегаты выпускают: ООО «СКБ Искра», ООО «ГРЦ-Вертикаль», ЗАО «Ветроэнергетическая компания», ЛМВ «Ветроэнергетика», ЗАО «Агрегат-Привод», и еще несколько компаний.

Наиболее известными зарубежными производителями ветровых генераторов являются немецкие, датские, бельгийский и китайские компании.

Наиболее востребованы и надежны в эксплуатации ветровые генераторы выпускаемые фирмой Blue Planet Wind (Бельгия) и «Guangzhou Sunning Windpower Generator Co., Ltd.» (Китай).

В линейке выпускаемых ветровых генераторов EnergyWind компании Blue Planet Wind присутствуют модели различной мощности от 1,0 до 10,0 кВт, которые отличаются по стоимости и комплектности оборудования.

В линейке китайской компании представлены ветровые генераторы мощность от 0,6 кВт до 5,0 кВт, различные по конструкции и вариантам монтажа.

Разнообразие горизонтальных ветрогенераторов

Улучшать стандартные установки начали через манипуляцию с количеством лопастей. Привычные три лопасти, в середине 80-х годов, немцы заменили на две. Таких двухлопастные ветрогенераторы работали несколько лет в экспериментальном режиме, но энергию вырабатывали исправно. Некоторые модели оставили, какие-то демонтировали. А в местах с сильным ветром, например на побережье Великобритании, они работают до сих пор.

Причина была в экономии материалов. Именно с этой целью первую такую установку спроектировал американец Путнэм ещё в 1941 году. Она установила рекорд мощности и высоты ветрогенераторов, удерживая его до середины 70-х годов. Производила она 1,25 мВт. Хотя работала с перерывами только до 1946 года.

Однако голландские рационализаторы пошли дальше. Они решили, что если ветрогенератор работает с двумя лопастями, то будет работать и с одной! Кроме них такими моделями заинтересовались в Италии, где в сельской местности несколько однолопастных ветряков работают до сих пор.

В середине 70-х годов, на фоне роста цен на энергоносители, НАСА получило задание разработать наиболее эффективные ветрогенераторы. За несколько лет они воплотили в полигонах 6 концепций разных горизонтальных ветрогенераторов. Все они проходили под индексом MOD, серий от 0А до 5В, и WTS 4.

Янки изголялись по крупному. Все модели были двухлопастные, часть из них ставили против ветра, т.е. воздушный поток сначала обтекал гондолу, а уже потом раскручивал лопасти. Проект WTS 4 удерживал рекорд мощности в течении 20 лет с генератором 4 МВт. А аналогичную модель с генератором на 3 МВт, построили в Швеции, под индексом WTS 3.

Наклонную конструкцию MOD 5A не решились строить, она осталась на бумаге. А MOD 5B работала на Гавайях с 86 по 97 годы.

Отец и сын Болле во Франции, ещё в конце 19-го века запатентовали ветряк, который качал воду. Он мог бы генерировать электричество, но вода была нужнее.

Устройство было чудное, но коммерчески успешное. Часть из них сохранилась до сих пор, а некоторые даже работают.

Уникальность ветряка Болле была в том, что у него было два ряда лопастей. Причём один из них был статором, он имел больше лопаток и находился с наветренной стороны. То есть, ветер сначала обдувал его, а потом уже крутил ротор.

В конец 20-го века эта конструкция получила новый импульс развития, и стала называться концепцией DAWT (Diffuser-Augmented Wind Turbines) или Ветротурбина с увеличенным диффузором.

С помощью этой конструкции изобретатели надеются обойти закон немецкого физика Бетца, который сто лет назад доказал, что из ветра можно извлечь не более 16/27 энергии (примерно 59%).

Несколько экспериментальных моделей ветрогенераторов DAWT были установлены на побережье Японии и в других странах с сильными ветрами.

Было отмечено что мощность установки вырастает, но и нагрузки на конструкцию тоже становятся критическими. Из положительных эффектов отмечают резкое уменьшение шумности и снижение радиолокационных помех.

Только на этом не успокоились голландцы, фирма SheerWind придумала и даже воплотила проект INVELOX, в котором реально проявлялся эффект Вентури.

Согласно этому постулату, скорость упругого потока увеличивается, если он протекает через узкое место. Несколько подобных устройств испытываются в США и Голландии.

В определённый момент было замечено, что за вращающимися лопастями ветряка возникает возмущение воздушного потока. Это очень плохо сказывается на прочности всей конструкции. И в 1992 году запатентовали ветрогенератор с двумя лопастями, вращающимися в противоположные стороны.

Важным преимуществом такой конструкции было в гашении симпатических вибраций. С этим явлением знакомы музыканты, например, струна A на частоте 440 Гц вызовет резонанс струны E на частоте 330 Гц, поскольку они имеют обертон 1320 Гц (3-я гармоника A и 4-я гармоника E). Но несмотря на свою привлекательность, коммерческих продаж этих ветрогенераторов ещё нет.

Однако лет 15 назад инженер Дуглас из США решил разнести лопасти подальше от гондолы с генератором.

А ещё лет через 10, индиец и китаец, тоже инженеры НАСА, пришли к выводу, что можно размещать не два ряда лопастей, а гораздо больше!

В 2018 году они продемонстрировали рабочую установку длиной 12 м, на которой было 12 рядов с лопастями. Причём все они крутили общий ротор. КПД значительно увеличился, и запускаться ветрогенератор стал при меньшей скорости ветра.

А ещё беспокойные умы пытаются экспериментировать с формой лопастей. Из множества чудных форм, наибольшего внимания заслуживает скрученно-завёрнутая лопасть , представленная в 2010 г.,  на выставке инноваций ветроэнергетики, во Франции.

Виды, их преимущества и недостатки

Классификация ветряных электростанций основана наследующих критериях.

1. Количество лопастей. В настоящее время в продаже можно встретить однолопастной, малолопастной, многолопастной ветряки. Чем меньше лопастей у генератора, тем выше будут обороты его двигателя.
2. Показатель номинальной мощности. Бытовые станции вырабатывают до 15 кВт, полупромышленные – до 100, а промышленные – более 100 кВт.
3. Направление оси. Ветрогенераторы могут быть как вертикальными, так и горизонтальными, у каждого из видов есть свои плюсы и минусы.

Желающие обзавестись альтернативным источником энергии могут купить ветрогенератор с ротором, кинетический, вихревой, парусный, мобильный.

Также существует классификация генераторов электроэнергии из ветра согласно месту их расположения. На сегодня выделяют 3 типа агрегатов.

1. Наземные. Такие ветряки считаются самыми распространенными, их монтируют на холмах, возвышенностях, подготовленных заблаговременно площадках. Монтаж таких установок происходит с использованием дорогой техники, так как элементы конструкций требуется фиксировать на большой высоте.
2. Прибрежные станции строят в прибережной части моря, океана. На работу генератора оказывает влияние морской бриз, за счет него роторное устройство производит энергию круглосуточно.
3. Шельфовые. Ветрогенераторы данного типа устанавливают в море, обычно на дистанции около 10 метров от берега. Такие устройства создают энергию из регулярного морского ветра. В последующем энергия к берегу попадает по специальному кабелю.

Вертикальные

Вертикальные ветрогенераторы характеризуются вертикальным расположением оси вращения относительно земли. Это устройство, в свою очередь, делится на 3 вида.

С ротором Савоуниса. В составе конструкции имеется несколько полуцилиндрических элементов. Вращение оси агрегата происходит постоянно и не зависит от силы и направления ветра. Преимуществами данного генератора можно назвать высокий уровень технологичности, качественный пусковой крутящий момент, а также способность функционировать даже при незначительной силе ветра. Недостатки устройства: низкоэффективная работа лопастей, потребность в большом количестве материалов в процессе изготовления.

Горизонтальные

Ось горизонтального ротора в данном устройстве располагается параллельно земной поверхности. Они бывают однолопастными, двулопастными, трехлопастными, а также многолопастными, в которых количество лопастей достигает 50 штук. Преимуществами данного вида ветрогенератора является высокий КПД. Недостатки агрегата заключаются в следующем:

• необходимость в ориентации согласно направлению потоков воздуха;
• надобности монтажа высоких конструкций – чем выше установка, тем она будет мощнее;
• необходимости в устройстве фундамента для последующего монтажа мачты (это способствует увеличению стоимости процесса);
• высокой шумности;
• опасности для пролетающих мимо птиц.

Лопастные

Лопастные генераторы энергии имеют вид пропеллера. В данном случае лопасти принимают энергию потока воздуха и перерабатывают ее во вращательное движение.

У горизонтальных ветрогенераторов имеются крыльчатки с лопастями, которых может быть определенное количество. Обычно их 3 штуки. В зависимости от количества лопастей, мощность устройства может как увеличиваться, так и снижаться. Явным преимуществом данного вида ветряка является равномерность распределения нагрузок на опорный подшипник. Недостаток агрегата состоит в том, что для установки такой конструкции требуется много дополнительных материалов и трудовых затрат.

Турбинные

Турбинные ветрогенераторы в настоящее время считаются наиболее эффективными. Причиной этого является оптимальное сочетание лопастных площадей с их конфигурацией. Преимуществами безлопастной конструкции можно назвать высокий уровень КПД, низкую шумность, что вызвано небольшими габаритами устройства. Ко всему прочему данные агрегаты не разрушаются при сильном ветре и не создают опасности для окружающих и птиц.

Ветряк турбинного типа используют в городах и поселках, с его помощью можно обеспечить освещением частный дом и дачу. Недостатков у такого генератора практически не имеется.