Как называются вентиляторы которые вырабатывают энергию

Обновлено: 28.04.2024

Сухая статистика свидетельствует, что больше всего работает горизонтальных ветрогенераторов, чуть отставая, за ними идут вертикальные ветряки. На долю нестандартных и футуристических проектов приходится не более 5%. Но вообще эти технологии стали активно разрабатываться только в конце 20-го века. Поэтому большая часть из них существует в качестве опытных прототипов. Но есть и готовые к массовому производству проекты.

Систематизация нестандартных проектов

Очень условно можно допустить такую систематизацию ветряков, которые обходят типовые представления о генераторах на альтернативных источниках энергии:

Горизонтальные турбины;
Вертикальные турбины;
Безлопастные ветрогенераторы;
Воздушные ветрогенераторы (летающие);

Такая приближённость вызвана чрезвычайно широким разбросом идей у изобретателей ветряков. Некоторые системы кажутся настолько футуристическими, что поверить в их реализацию на практике невозможно. Но реальность 21-го века показывает что если рациональный и разумный мир может сойти с ума от коронавирусной паники, так и безумные проекты могут успешно реализовываться в работающие прототипы. И некоторые из них даже готовы к коммерческому выпуску.

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.

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.

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.

Необычные вертикальные ветрогенераторы

В 2018 году двое британцев предложили странную концепцию O-Wind, которая у них возникла после переработки модели ветрохода. Вообще, сама идея ветрохода не совсем понятна – зачем он нужен? И саму форму этого чуда, O-Wind, сложно описать.

Но за неё им дали премию Дайсона в 2018 году, а одна из английских фирм преступила к испытаниям.

Безлопастные ветрогенераторы

Немного поразмыслив, изобретатели пришли к выводу, что в принципе то, ветрогенератор может быть без лопастей! Идея абсурдная! Ну как может быть без лопастей ветряная мельница? А ведь именно она была прародительницей ветряков. Однако были придуманы, изготовлены и протестированы прототипы таких моделей. А некоторые из них даже готовы к коммерческому выпуску.

Эту систему решили поставить горизонтально, чтобы капли воды переносились ветром. Преимущество перед обычным ветрогенератором в том, что ионная модель:

абсолютно бесшумна;
в ней ничего не движется;
она только собирает электростатический заряд с капелек воды.

Может быть побудительным мотивом именно голландских рационализаторов стало легальное посещение легендарных кафе-шопов в Амстердаме, ведь там тоже очень тихо, и ничего не движется. Однако они сделали несколько работающих прототипов ионных ветрогенераторов, которые установили в Роттердаме. Один даже встроили в буквы О на крыше здания

После того как Испания пошла по голландскому пути в области либерализации человеческих пороков, их изобретатели стали шагать такими широкими шагами, что полёт фантазии за ними не поспевает.

Вот например та старушка на заднем фоне, явно думает что обнимает сувенир из секс-шопа, но это ошибка! Это инновационные ветрогенератор Vortex Tacoma.

Хотя более правильно было бы его назвать ветровибратор.

По задумке инженеров фирмы Vortex Bladeless SL, этот упругий стержень будет колебаться на ветру, и благодаря хитроумному устройству на неодимовых магнитах, сможет вырабатывать электричество.

Они построили несколько реальных прототипов, протестировали их в городских условиях и сельской местности, результаты оказались двоякими.

С одной стороны, модель Vortex Tacoma высотой 2,75 м, выдаёт мощность всего 100 Вт. Но там нечему ломаться, не нужна настройка и ориентация по ветру, работает это чудо бесшумно. В общем, стоит, дрожит на ветру, и генерирует, генерирует, генерирует…

Прототип прошёл испытания, и в 2020 году намечается старт коммерческих продаж. Наиболее эффективная модель Vortex Atlantis.

Высота этого ветро-виброгенератора 10-12 м, выдаваемая мощность 1 КВт.

У французов тоже есть подобный проект, в котором ничему вертеться, но работает он от ветра, а значит это ветрогенератор. Называется проект Saphonian.

Можно условно её сравнить с испанским проектом. Только в Saphonian ветер улавливается рабочей поверхностью в форме специально сконструированной тарелки.

Она непрерывно изменяет угол наклона, а генератор расположенный на тыльной стороне, преобразует эти колебательные движения в электроэнергию.

О мощности и времени выхода на рынок французы умалчивают, но они надеются с такой моделью уйти от ограничений закона Бетца, ведь в их проекте не предусмотрены лопасти.

Воздушные ветрогенераторы

После Второй Мировой Войны, итальянец Массимо Ипполито задумал обуздать энергию ветра через воздушных змеев. Но технологий для этого ещё не было, и идея отправилась в долгий ящик. А вот ближе к концу 20-го века, она начала приобретать свое реальное воплощение. К этому времени, была создана карта высотных ветров Земли, и оказалось что именно над Европой, и над Патагонией, на высотах от 0,8 до 10 км, всегда есть мощные воздушные потоки.

Итальянский магистр технических наук Л. Фоджано написал диссертацию о возможностях системы ветрогенерации Kitegen.

Из расчётов следовало, что если построить кольцевой генератор диаметром 1,6 км, и запустить 6 дюжин высотных автоматических кайтов, то они смогут крутить это гигантское колесо со скоростью 15 об/час. Что даёт возможность генерировать 1 ГВт электроэнергии, т.е. мощность сравнимая с атомной электростанцией.

Но пока сосредоточились на малых проектах, мощность до 300 МВТ,

Разработка его закончена, и небольшие прототипы производительность 150-200 КВт, уже прошли испытания в итальянской Сардинии.

В сравнении с обычными ветрогенераторами аналогичной мощности, итальянский проект Kitegen обходит конкурентов на порядок.

Однако не отстают и американцы. Они разработали свой проект X Development LLC, который уже представляет собой цельнометаллический планер.

Для запуска требуется энергия, которая передаётся по кабелю совмещённому с тросом, но после достижения расчётной высоты, он начинает парить как воздушный змей в набегающих потоках воздуха.

А небольшие генераторы на крыльях вырабатывают электроэнергию, которую и передают по кабелю на базу. Она (база) может быть как наземного, так и морского размещения.

Прототип уже проходит тестирование с 2018 года. Особых сложностей не замечено, расчётные мощности генерации достигнуты.

Принцип работы EnerKítes циклический, двухэтапный:

Полный цикл занимает около минуты. На первый этап требуется около 7-12% полученной энергии. В отличие от классических летающих ветряных турбин, электрическая энергия вырабатывается на земле. Оттуда также контролируется крыло, так что в воздухе движется только то, что принадлежит воздуху. Вся работа выполняется автоматически.

Секрет генерации в запатентованном барабане для намотки троса.

Это ещё не всё из новинок альтернативной энергетики

Множество проектов остались за бортом, как не вписывающиеся в область ветроэнергетики на 100% или же они слишком малы, или просто находятся на бумаге (в чертежах). Например, разработка проекты Windbelt и Windbeam тоже относятся к безлопастным ветрогенераторам.

В них колеблется струна от набегающего воздушного потока. Но КПД этих моделей не превышает 2%, и мощность настолько мала, что её хватает только на 3-4 светодиода.

А другие летающие модели, как например ветрогенератор Buoyant Airborne Turbine (BAT), с 2014 года не ушёл дальше пробного полёта.

Но мы ещё поищем что-то интересное.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Спасибо, что дочитали до конца!

Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.

• преобразования кинетической энергии потоков воздуха во вращение вала ветряного двигателя;

• передача вращения ротору генератора;

• выработка генератором постоянного электрического тока для подзаряда комплекта аккумуляторов;

• использование энергии аккумуляторов специальными устройствами – инверторами, которые из 12 вольт постоянного напряжения создают переменный синусоидальный ток с напряжением 220 вольт для питания бытовых электроприборов.

Исследованиями и созданием ветряных двигателей человечество занимается уже много столетий, создав конструкции с:

• расположением оси вращения ветряного колеса в горизонтальной или вертикальной плоскости;

• формами лопаток вентилятора в виде прямой плоскости, паруса, вогнутой и выпуклой криволинейной поверхности и их комбинаций из различных материалов;

• различным количеством лопастей для вентиляторов с расположением их под разными углами.

Подбирать конструкцию ветрогенератора для дома следует с учетом местной среднегодовой скорости ветров, а также требуемой мощности источника тока. Точный учет потребностей месячной электроэнергии в киловатт-часах всем известен по результатам ежемесячных платежей. Использование энергосберегающих технологий поможет его снизить.

Среднегодовую величину скорости ветра в конкретном месте установки конструкции могут приблизительно указать сотрудники ближайшей метеостанции (или же воспользуйтесь справочными данными для вашего региона). А сведения о направлении (розе) ветров не потребуются: современный ветрогенератор способен поворачиваться в нужном направлении.

Монтировать ветряную электрическую установку (ВЭУ) лучше на открытой площадке или на вершине холма. Наличие строений, деревьев и расположение рядом с домом требуют подъема вентилятора на высоту. Чем выше, тем больше прирост энергии. Установка оборудования на высоте требует создания надежной мачты на прочном фундаменте, способной противостоять ветровым нагрузкам и раскачиванию без падений. Использование растяжек повышает устойчивость, но подвижность грунтов требует периодической регулировки их натяжения.

Монтаж ветряков на крыше дома, как и крепление мачты к стене здания возможно, но не желательно из-за увеличения уровня шумов в помещениях и возникновения раскачивающих конструкцию нагрузок. Наибольшим кпд обладают вентиляторы с криволинейными поверхностями лопастей, расположенных под острым углом в направлении обдуваемого потока воздуха. Они, как и у летательных аппаратов, создают подъемную силу.

У вертикальных осевых конструкций эффективность ниже, чем у устройств с горизонтально расположенной осью. Способность ветряков вырабатывать электричество сильно зависит от обдуваемой потоком площади лопастей. Для нормального электроснабжения одноквартирного дома требуются лопасти, описывающие круг с минимальным диаметром в 2,5 метра. Конструкции с меньшими габаритами по элементарным законам физики просто не способны вырабатывать требуемую мощность, хотя отдельные продавцы их рекламируют.

Ветры до 3 м/с обладают малой энергией. ВЭУ не способны воспринимать ее эффективно. Поэтому рекламные утверждения о конструкциях, работающих на малых оборотах не обоснованны. Подбирая ветрогенератор, стоит понимать, что потребители запитываются от аккумуляторов через инвертор, мощность которого удовлетворяет потребности подключенных приборов.

Генератор только обеспечивает подзаряд АКБ. Обычно мощности генератора в 1кВт достаточно для зарядки аккумуляторов, питающих бытовые приборы через инвертор мощностью около 4-х кВт.

Использовать ветряк для основного обогрева жилища не выгодно, а в широтах средней полосы — бесполезно, из-за больших токов нагрузок нагревателей.

Для областей со слабыми ветрами рекомендуются конструкции с максимальной выработкой электроэнергии, использующие лопасти винтов увеличенных размеров. Применение лопастей с диаметром в 4 м вместо 2,5 для генератора в 1кВт повышает выработку электричества для условий центральной России более чем в два раза.

Большие скорости ветров на основной территории России дуют редко, не чаще 1 дня в месяц, ориентироваться на них при выборе модели не стоит.

Количество лопастей вентилятора влияет на скорость его вращения, однолопастные конструкции с противовесом наиболее быстроходны и лучше. Сложная конструкция передачи электричества от вращающегося вокруг оси мачты генератора не требуется. Обычного запаса по длине гибкого кабеля в 20 оборотов вокруг мачты вполне достаточно. Без ветра генератор бездействует, и для дома потребуются дополнительные источники энергии.

В статье рассматриваются технологии производства энергии ветра, устройство и принцип работы ветровой электростанции. Так же говорится о безопасности ветроэнергоустановок, применение высококачественных материалов в процессе производства этих установок. Прослеживается сравнительный анализ выработки энергии ветра в разных странах. Подробно приведены различия между ветровой и тепловой электростанциями. Затрагивается вопрос целесообразности приобретения ветроэнергетической установки. На основании рассмотренного, сделан вывод, что сегодня ветроэнергетика переживает новое рождение, т.к. наука не стоит на месте. Ограниченный запас традиционного топлива и возрастающие потребности в энергии создают почву для поиска альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Как один из вариантов решения этой задачи является энергия ветра.

Ветроэнергия - технология применения потов воздуха для производства электрической энергии - представляет собой самый быстрорастущий во всем мире источник электрической энергии. [1] Ветроэнергия производится массивными многолопастными ветротурбинами, монтируемых на самом верху высоких башен и работающими подобно вентиляторам, но в обратном порядке. Вместо того чтобы использовать электроэнергию для получения воздушного потока, турбины используют ветер для получения электричества.

Автономная ветроэнергетика в современных условиях российской действительности – это направление развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в развитии которых так нуждается Россия. Огромная территория Российской федерации с численностью населения более 9 млн. человек не имеет централизованного электроснабжения. Использование предлагаемых технологий позволит снизить не менее чем 50 % потребление органического топлива на дизельных электростанциях. Внедрение таких технологий могло бы значительно снизить энергонапряженность, наблюдаемую в таких районах, как Приморский край, Сахалинская область, Камчатский край, Чукотский автономный округ. [13]

В общих чертах, устройство ветроэлектростанции выглядит следующим образом. Поток воздуха вращает лопасти, а лопасти крутят вал, который соединен с набором зубчатых колес, приводящих в действие электрогенератор. Крупные турбины для электроснабжения могут вырабатывать от 750 киловатт (киловатт = 1 000 ватт) до 1,5 мегаватт (мегаватт 1 миллиону ватт) электроэнергии. Для электроснабжения жилых комплексов, телекоммуникационных станций и в водяных насосов в качестве источника энергии применяются компактные одиночные ветряные турбины мощностью менее 100 киловатт. Это, прежде всего, характерно для отдаленных и труднодоступных районов, в которых отсутствует связь с энергосистемой общего пользования. [2]

В ветровых установках группы турбин связаны вместе, с целью выработки электроэнергии для энергосистем общего пользования. Электричество подается потребителям посредством ЛЭП и распределительных линий.

Так и в нашем обсуждаемом вопросе о ветре. Если бы он дул постоянно с определённой силой и направлением, без порывов и остановок, - была бы идеальная ветроэлектростанция. Рассмотрим светлые и тёмные стороны характеристики этих сооружений.

Такие электростанции по своей конструкции просты и понятны;

Получаем почти бесплатную электроэнергию;

Ветроэлектростанция экологически чистая и бесшумная;

Не требуется много проводов для доставки электроэнергии к месту потребления;

Совершенно безвредная установка для сохранения природного баланса;

Незаменимы в тех районах, где нельзя обеспечить доставку энергии обычным способом.

И досадные недостатки:

Ветер непостоянен и генератор работает неравномерно;

В любой момент, обычно самый неподходящий, может быть прекращена подача энергии;

Мощность ветряной электростанции используется не полностью;

Часто простаивает из-за отсутствия движения воздуха;

Ветроэлектростанции России не могут стать основой для энергопромышленности.

Для размещения ВЭС требуются большие, открытые всем ветрам, территории.

При всём кажущемся балансе плюсов и минусов, перевес всё же заметен в сторону ветряков. Их в России никак нельзя игнорировать.

Современные энергетические и коммунальные компании с целью стабильной работы систем энергообеспечения предпочитают в качестве основного источника выработки тока применять большие ветрогенераторные установки. По этой причине разработчики таких устройств, приложили много усилий, благодаря которым ветряки стали соответствовать не только техническим, но эстетическим и экономическим требованиям заказчиков. [5]

Отметим безопасность мегаватного ВЭУ. Ветрогенератор 1.5 МВатт на 690 Вольт с тремя лопастями и диаметром ветроколеса 70-87 метров относится к устройствам мегаваттного класса. Он был создан с учётом:

· применения всех существующих в настоящее время европейских норм и стандартов проектирования;

· использования строго контроля за качеством в процессе производства;

· норм, ограничивающих возможный шумовой уровень, который в процессе работы такого ВЭУ составляет в пределах 70db.

Полный вес турбины равен 61.500 килограммам. В случае приобретения этой ветряной электростанции в России, она способна будет вырабатывать электрический ток при условии полной безопасности для жизни и здоровью животных и людей. При помощи применения системы обеспечения безопасности возможна автоматическая молния и бурезащита. Такой ветряк не будет создавать помех вредных для работы бытовых устройств и электроприборов. В связи с этим нет необходимости в получении разрешения на его установку и эксплуатацию.

Работа ветряного генератора заключается в следующем. Он функционирует при средней скорости ветра, равной 13.5 м/сек. Если скорость увеличивается более 25 метров в секунду, то в этом случае срабатывают тормозящие лопасти. При скорости ветра меньшей 3,5 м/сек, такая ветровая установка электроэнергию не вырабатывает, потому что её лопасти крутиться не могут. Энергообеспечение строений электричеством в этом случае будет осуществляться при помощи накопленной во время работы мощных аккумуляторов энергии. [11]

Кроме того, такие мега ВЭУ оснащены:

· необходимыми датчиками, при помощи которых осуществляется регулировка скорости и направления движения ветра;

· системой, позволяющей изменить углы установленных лопастей;

· системой управления, которая способна работать при помощи микропроцессоров через сеть компьютеров;

· системой, при помощи которой осуществляется принудительный поворот лопастей в сторону ветра.

Применение в процессе производства таких ВЭУ высококачественных материалов позволяет таким ветряным электростанциям в России проработать по гарантии не менее 5-ти лет и минимум двадцать пять лет в любых условиях.

После установки мега ветрогенератор на 1.5 МВатт на 690 Вольт сможет ежегодно вырабатывать в пределах восьми миллионов кВт-часов электроэнергии при средней скорости ветра более девяти метров в секунду.

За последнее время объемы отрасли по производству электрической энергии из ветра возросли, благодаря проведению правительством политики поддержки этой индустрии и работе, проводимой исследователями в рамках программы МЭ по энергии ветра, в сотрудничестве с партнерами в этой отрасли с целью создания инновационных и менее дорогостоящих технологий, создания внутренней конкуренции и выявлению новых сфер применения энергии ветра. [9]

Рассмотрим различия между ветровой фермой или ветровой электростанцией и тепловыми электростанциями:

Вид используемого топлива. Тепловые электростанции работают на ископаемом топливе типа угля, также в качестве горючего применяется нефть. На атомных электростанциях применяют ядерное топливо, например, уран и торий. Все эти виды горючего очень дорогостоящие, и расходуются в огромных количествах каждый день. Ветровым электростанциям не требуется какого-либо горючего. Они используют доступный в большом количестве и бесплатный атмосферный ветер.

Способ выработки электроэнергии. На тепловых и атомных электростанциях в больших бойлерах топливо превращает воду в пар. Пар в турбинах расширяется, заставляя их вырабатывать электричество. На ветровых фермах устанавливаются ветровые турбины, содержащие вентиляторы. Ветер приводит в движение лопасти вентиляторов, что приводит к вращению вала. Вал направляет свой импульс к другому валу посредством редуктора. Выходной вал редуктора с большой скоростью вращается в генераторе, который производит электричество. На ветровых электростанциях нет нужды в дорогих бойлерах и топливе. Энергия производится за счет ветра. [3]

Ветер - это возобновляемая энергия. На тепловых электростанциях постоянно требуется свежее ископаемое топливо для производства пара. Использованное ископаемое топливо превращается в пепел и гарь, которые нельзя применить повторно. Ветер в ветровых электростанциях - возобновляемый источник энергии. Ветер, который приводит в движение лопасти вентиляторов, возвращается обратно в атмосферу и может быть использован для производства энергии повторно.

Размер электростанции. Тепловые электростанции оправдывают себя только при больших размерах. Ветроэлектростанции подходят как для производства малого, так и большого количества энергии. Чтобы увеличить мощность ветроэлектростанции, достаточно лишь добавить больше ветровых турбин. Увеличение мощности тепловой электростанции - очень недешевое предприятие. По сути, отдельные ветровые турбины можно установить в доме или офисе для выполнения ими своих задач. Но сложно себе представить тепловую электростанцию для бытовых нужд. Можно установить у себя дома ветровую турбину, но никак не тепловую или атомную электростанцию.

Стоимость произведенной энергии. В настоящее время стоимость электричества, произведенного ветряными фермами, составляет 5-10 центов на единицу электричества (один киловатт-час), что немного выше, чем стоимость энергии, вырабатываемой на обычных заводах. Постоянный рост цен на традиционное топливо для ТЭС и снижение себестоимости производства ветрогенераторов привет к тому, что процент электроэнергии полученной при помощи потоков воздуха резко увеличится. [12]

Загрязнение окружающей среды. Одной из главных причин загрязнения атмосферы в наши дни является выброс частиц и гари в результате сжигания ископаемого топлива на тепловых электростанциях. Ежедневно на них сжигаются тонны топлива, что способствует загрязнению окружающей среды в крупных масштабах. Ветер, используемый ветровыми турбинами, - природное топливо, которое не оказывает никакого влияния на окружающую среду, поэтому ветровые электростанции являются безвредным источником энергии. [8]

Хотелось бы вспомнить о конструкции ветрогенератора. Ротор (лопасти ветряной электростанции) - преобразует энергию ветра в энергию вращения. Большинство современных роторов ветровых турбин состоит из трех лопастей.

· Современные лопасти ветряных электростанций в диапазоне 30 метров в длину, как правило, изготовлены из армированного стекловолокном полиэстера или древесно-эпоксидной смолы. Скорость вращения лопастей от 12 до 24 оборотов в минуту на низкой скорости.

· Редуктор повышает скорость вращения вала с низкой скорости (приблизительно от 12 до 24 оборотов в минуту) до высокой скорости вращения (примерно 1000 - 3000 оборотов в минуту), и приводит в движение генератор. Некоторые современные ветряки имеют генератор, подключенный напрямую к лопастям.

· Генератор использует магнитные поля, чтобы преобразовать результирующую вращательную энергию в электрическую энергию.

· Анемометр и флюгер расположены на задней стороне корпуса ветровой турбины и измеряют скорость ветра. Собранная информация используется системой управления для того, чтобы вырабатывать максимальное количество энергии. Данные скорости ветра также используются для контроля работы и позволяют операционной системе начинать и останавливать турбину. Современная ветряная электростанция начинает вырабатывать энергию при скорости ветра от 4 м / с, и, выключается при скорости около 25 м / с. Механизм рыскания поворачивает ротор в преобладающее направление ветра.

· Башня ветрогенератора изготавливается из стальных труб, хотя решетчатые башни до сих пор используются в некоторых странах. Башни для современных ветровых электростанций бывают высотой от 60 метров до 100 метров.

· Трансформатор преобразует напряжение, которое требуется для электрической сети. Трансформатор может быть встроен в башню или расположен у основания башни.

Строительство ветряной электростанции производится следующим путем. Строительство ветряной электростанции может занять от 4 месяцев постройки одной башни ветрогенератора, до 2 лет - большой электростанции, состоящей из 20 и более турбин.

Расчётный срок работы ветрогенератора определен как 20-25 лет. Затем ветрогенераторы или меняются на новые или демонтируются полностью вся установка. Причем в прогрессивных странах демонтаж происходит самым тщательным образом - устраняются все следы человеческого вмешательства в природу, место установки через несколько лет полностью сливается с ландшафтом. [6]

Строительство ветряной электростанции включает следующие этапы:

· Временная строительная площадка - размером примерно 50 х 50 м.

· Из железобетона заливается фундамент ветряной башни. Бетонированная площадка (в том числе для стоянки автотранспорта), прилегающая к турбине - обеспечивает стабильную основу, на которой держится сама башня генератора.

· Здание контроля и управления - площадь примерно 6м х 6м, здание строится для размещения электрических распределительных устройств, приборов учета и т.д.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии пользуются огромной популярностью во всем мире. Стоит отметить, что крупнейшая интернет компания Google, также использует для своего оборудования энергию ветровых электростанций. В Австралии, США, Канаде, Европе энергия воздушных потоков используется на благо цивилизации. Страны, имеющие возможность устанавливать ветрогенераторы, наращивают потенциал ветровой энергии, возможно, что в Европе и Северной Америке в ближайшем будущем основным источником энергии станет сила ветра (сейчас этот показатель составляет от 20 до 40 %). [10]

Ветроэнергетика сохраняет лидирующие позиции в отрасли, по итогам 2009 года ее доля в секторе альтернативной энергетики составила 44%. В 2011 году были введены в эксплуатацию около 41 ГВт новых мощностей, в результате чего совокупная мощность ветряных электростанций в мире увеличилась на 21% и составила 238 ГВт. В настоящее время ветровые энергетические установки инсталлированы в 75 странах мира. Страны - лидеры по развитию ветроэнергетики: Китай (в 2011 году введено в эксплуатацию 62 ГВт мощностей), США, Индия, страны ЕС, Канада. В России за прошлый год было установлено около 6 ГВт генерирующих мощностей. На территории нашей страны в основном используются промышленные ветряные установки. С развитием отрасли появились новые интересные модели ветряных электростанций для дома, а также для группы частных домов. [4]

В каких случаях покупка ветрогенератора в России является экономически выгодным решением?

Рассматривать вопрос о приобретении ветроэнергетической установки целесообразно только тогда, когда средняя скорость ветра в вашем регионе составляет не менее 4 м/c.

Покупка ветряной электростанции для дома - оптимальное решение, если на объекте отсутствует централизованная подача электроэнергии, а стоимость проведения линий электропередач к жилому дому является неоправданно высокой.

Для коттеджных поселков, удаленных от центрального электроснабжения, возможен вариант использования ветроэнергетической установки повышенной мощности, которая сможет удовлетворять энергетические потребности сразу для группы домов.

Также приобретение ветрогенератора оправданно для дачных участков при отсутствии центральных источников энергоснабжения

На основании выше изложенного можно сделать вывод, что сегодня ветроэнергетика переживает новое рождение, т.к. наука не стоит на месте. Ограниченный запас традиционного топлива и возрастающие потребности в энергии создают почву для поиска альтернативных (возобновляемых) источников энергии. Как один из вариантов решения этой задачи является энергия ветра.

Благодаря тому, что Россия имеет огромную территорию и разные климатические зоны, развитию ветроэнергетики способствует большой технический потенциал. Из - за большого расстояния между населенными пунктами больше половины территории в России не имеют централизованного электроснабжения. Как вариант решения этой задачи можно рассматривать ветроэнергетику, перспективы развития которой большие. Возможно, в будущем Россия займет лидирующее положение по переработке энергии ветра.

3. Global Wind Installations Boom, Up 31 % in 2009

4. World Wind Energy Report 2010 (PDF).

7. Design and Operation of Power Systems with Large Amounts of Wind Power", IEA Wind Summary Paper (PDF).

9. Алексеев Б.А. Международная конференция по ветроэнергетике / Электрические станции. 1996. №2.

10. Безруких П.П. Экономические проблемы нетрадиционной энергетики / Энергия: Экон., техн., экол. 1995. №8.

11. Богуславский Э.И., Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Условия эффективности и комплексного использования геотермальной солнечной и ветровой энергии // Международный симпозиум “Топливно-энергетические ресурсы России и др. стран СНГ". Санкт-Петербург, 1995.

12. Соболь Я.Г. "Ветроэнергетика" в условиях рынка (1992-1995 гг.) / Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.

В марте 2020 года первая ветроэлектростанция Росатома – Адыгейская ВЭС – уже начала поставку электроэнергии на российский рынок.

Ветер
и Атом

Человечество тысячелетиями использует энергию ветра – начиная с древних парусных судов и ветряных мельниц и заканчивая колоссальными современными ветропарками. В последние сто лет ветроэнергетика стала по-настоящему завоевывать свое место в мировой энергетике.

В 1931 году под Балаклавой возвели самый мощный на то время ветрогенератор в мире – на 100 кВт. Размах его лопастей достигал 30 метров, а вырабатываемой им электроэнергии хватало на энергоснабжение трамвайной линии Балаклава – Севастополь.

С 1950 по 1955 год в СССР ежегодно выпускалось несколько тысяч ветроустановок единичной мощностью до 30 кВт. Они использовались в том числе и для освоения целины в Казахстане. Но в 60-х годах работы по созданию ВЭС в стране свернули, поскольку Советский Союз сосредоточился на строительстве электростанций иного типа.

В тоже время в 70 – 90-е годы в США и ряде стран Европы были возведены ветроэнергопарки, питавшие электроэнергией десятки тысяч жилых домов. в настоящее время к странам-лидерам в развитии ВЭС присоединились Китай и Индия.

Возрождение ветроэнергетики в нашей стране началось с 1990-х годов . Сегодня в России действует несколько ветроэлектростанций.

В 2016 году Росатом выиграл конкурс на строительство в России ветряных электростанций общей мощностью 610 МВт. Впоследствии портфель проектов был увеличен до 1 ГВт. Проанализировав имеющиеся на рынке технологии, в качестве партнера специалисты корпорации выбрали компанию Lagerwey (группа Enercon). Партнерство подразумевает организацию производства ветряных электроустановок в России и передачу критических технологий, необходимых для строительства ВЭУ.

У атомной госкорпорации современные производственные мощности, позволяющие изготавливать оборудование для ветроустановок на собственной базе. К тому же Росатом знает, как работать на энергорынке, имеет успешный опыт инвестирования и реализации проектов по капитальному строительству.

Идея: ПЕТР РЯЗАНОВ, ДЕНИС БОКОВ

Контент-менеджер: ДМИТРИЙ ПЕТРЕНКО

ТЕКСТ: Андрей Резниченко

Корректор: ВИТАЛИЙ БАЛАШОВ

Аккаунт-менеджер: АННА МУСАТОВА

Продюсер: КАЛЕРИЯ АНДРЕЕВА

Иллюстратор: КСЕНИЯ РЫКОВА

Арт-директор: АНДРЕЙ АЛЬБИКОВ

Ветротурбины отличаются по ориентации оси вращения по отношению к направлению ветра и по типу ветротурбины.

По ориентации оси вращения ветротурбины подразделяются на ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.

Ветротурбины также принципиально отличаются по тому, какую силу они используют для преобразования в механическую – силу давления ветра или подъемную силу. От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго – 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).

Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими подъемную силу крыла. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.

Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток – они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить – или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).

Идея этого ветрогенератора была предложена французским изобретателем Дарье в 1920 году. Но вплотную заниматься разработкой этой идеи начали только в 1970 году. В настоящее время ветрогенератор Дарье считается главным конкурентом ветрогенераторов с обычными ветроколесами.
Его особенность состоит в том, что он использует подъемную силу аэродинамики лопастей, которые в поперечнике имеют форму крыла. Стартовый вращательный момент такого ротора небольшой, а быстроходность высокая. За счет этого его мощность по отношению к собственной массе наибольшая. Это позволяет иметь одну или больше лопастей, и несколько разновидностей формы ротора.
Мощность нынешних ветрогенераторов намного больше, чем у их предшественников – ветряков. Лопасти колес очень легкие и одновременно прочные. Они изготовляются из синтетических материалов или стали. Их производительность зависит не только от скорости ветра, но и способности его улавливать. Увеличение вращения пропеллера вдвое, дает увеличение производства количества электроэнергии в четыре раза.
Конструкция любого вида ветровой электростанции, независимо от мощности, практически одинаковая. Она состоит из мачты, контейнера для генератора и редуктора с ветроулавливателем. Мачта может быть нескольких типов: обычная на растяжках, телескопическая или монолитная. Подвижное крепление контейнера для генератора и ротора позволяет пропеллеру быть постоянно развернутым к фронту ветра.

Вертикально-осевые ветротурбины (ВОВТ), как правило, менее эффективны, чем горизонтально-осевые ветротурбины (ГОВТ), по следующим причинам:

Лопасть испытывает сопротивление при вращении, т.к. на части траектории она должна двигаться противоположно направлению ветра
ВОВТ часто установлены на более низкой высоте (земля или крыша здания), где скорость ветра меньше.
ВОВТ имеют проблемы, связанные с вибрацией, например, шум и более быстрый износ и разрыв опорной конструкции (так как воздушный поток имеет большую турбулентность на низкой высоте).
Нагрузка на электрогенератор от массы ветротурбины, если она установлена на одном валу с электрогенератором.

Важным параметром ветроколеса является быстроходность. Быстроходность – это отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. У ветротурбин, использующих силу давления ветра, быстроходность всегда меньше 1. К таким ветротурбинам относятся карусельные, чашечные и другие аналогичные типы ветротурбин. Ротор Савониуса имеет быстроходность немного больше единицы потому, что кроме силы давления ветра в нем используется еще и реактивная сила. У ветротурбин, использующих подъемную силу крыла, скорость лопасти больше скорости ветра.

Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.

Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходным с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом у них низкий стартовый момент вращения ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 1-2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.

От чего зависит мощность ветротурбины?

Мощность ветротурбины зависит от скорости ветра, площади ометаемой поверхности и эффективности ветротурбины. Это основные факторы, влияющие на вырабатываемую ветротурбиной мощность (и, соответственно, энергию). На выработку также влияет турбулентность ветропотока, плотность воздуха, равномерность распределения скорости ветра по ометаемой площади.

Скорость ветра – важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки. Вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора – это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.

где ρ= 1,22 – плотность воздуха (стандартная), кг/м 3
V – скорость ветра, , м/с
η_г·η_м– коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
C_p – коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А – площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:

где D, м- диаметр ротора,π=3,14.

Скорость ветра увеличивается с высотой над уровнем земли, поэтому чем выше мачта ветротурбины, тем более производительной будет ветроустановка.

Ветроустановка состоит из следующих основных подсистем и узлов:

ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала,
кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора),
генератор и другие электромеханические системы,
башню или мачту, которая поддерживает ротор и кабину,
электрическое и электронное оборудование, такие как панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др.

Как выбрать ветрогенератор?

Распространенная ошибка – выбирать мощность ветроустановки по пиковой мощности нагрузки. Ветрогенератор, также как и солнечные батареи, является источником энергии, а не мощности. Поэтому расчет ветроэнергетической системы ведется в несколько шагов, и желательно, если это сделает специалист.

Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую и среднемесячные скорости ветра в Вашей местности. Последний параметр не всегда возможно определить с достаточной точностью. Даже если вы получите данные по многолетним скоростям ветра от ближайшей метеостанции, не факт, что в месте установки вашей ветротурбины будет именно такая скорость ветра. Поэтому для больших ветростанций необходимо обязательно проводить мониторинг скорости ветра хотя бы в течение одного года, а затем сделать корреляцию полученных данных с данными от ближайшей метеостанции. Для малых ветроустановок такой путь слишком дорог, и очень часто малые ВЭУ устанавливаются на страх и риск хозяина. В таких случаях обычно, если ветра недостаточно, признается, что решение об установке ветротурбины было ошибочным. Если же ветер хороший, то следующим шагом обычно является увеличение мощности малой ветростанции.

Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой ветротурбиной площади или максимального сечения ветротурбины. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника — диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.

Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта:

Р = D 2 V 3 /7000, кВт,

Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие идеализации воздушного потока в трубе. Реальный поток ветра имеет турбулентности, которые существенно ухудшают параметры ветроколеса.

Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но, с усилением ветра, идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.

В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).

Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-ваттный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.

Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами распределения Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.

В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?

Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также – в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.

В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м (на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры – приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств.

Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

По опыту эксплуатации ветропарков, установленных в Российской Федерации, их КИУМ в среднем равен 12%. Как видим, российские ветропарки имеют невысокий КИУМ. Это связано как с невысокой среднегодовой скоростью ветра в местах их установки, так и с большим временем простоя.

Какие нужны документы и разрешения для установки ветрогенератора?

Импортируемые ветроустановки не подлежат сертификации. Вы можете без проблем установить на своей территории для себя ветрогенератор мощностью до 75 кВт и высотой до 30 метров для личного некоммерческого использования. Для этого не нужны никакие документы, справки или разрешения.

Обсуждения по теме с нашего форума

Эта статья прочитана 50355 раз(а)!

Продолжить чтение

В 2001 году Интерсоларцентр совместно с партнерами по ОПЭТ (ETSU и WREAN, Англия) подготовил руководство по применению малых и средних ветроэнергетических установок. Эксперты компании "Ваш Солнечный Дом" принимали участие в подготовке этого Руководства на русском языке. За основу было принято…

Вопросы и ответы по использованию ветрогенераторов

Автономные ветроэлектрические установки Предупреждаем пользователей об обязательном соблюдении законодательства по авторскому праву, в соответствии с которым полученные копии документов разрешается использовать только для научных и образовательных целей. Запрещается тиражировать полученные копии документов, передавать на любой основе копии документов другим лицам…

Ветроэлектрические станции Одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Использование энергии ветра не только помогает решить многие проблемы энергоснабжения удаленных объектов и загородных домов, но и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций. Поставив на своём участке хотя бы…

Читайте также: