Вертикальные ветровые турбины

Если в настоящее время существует множество более продвинутых способов получения энергии, то раньше практически всюду использовались ветровые турбины. Конечно, они используются и сейчас, но число значительно сократилось. Чтобы понять принцип их работы, важно знать, что ветер - это форма солнечной энергии.

Общее описание

Ветровые турбины работают, используя потоки ветра. Но почему именно ветер способен дать электроэнергию? Это явление возникает из-за того, что происходит неравномерный нагрев атмосферы земли, структура поверхности планеты нерегулярна, а также потому, что она вращается. Ветровые турбины, или ветрогенераторы, способны преобразовать кинетическую энергию ветра в механическую, которую впоследствии можно использовать для некоторых других задач.

Как именно эти устройства производят электрическую энергию, используя обычный ветер? На самом деле все довольно просто. Принцип работы такой турбины прямо противоположен работе вентилятора. Под действием силы ветра, у ветровой турбины поворачиваются лопасти, которые, в свою очередь, заставляют вращаться вал, соединенный с генератором, производящим электрическую энергию.

Типы турбин

Существует несколько типов разнообразных турбин. Инженеры выделяют две основные категории, использующиеся в данное время. Первая категория - горизонтально-осевые, а вторая категория - вертикально-осевые. Первый вид ветровых турбин имеет самую обычную конструкцию, включающую в себя две или три лопасти. Агрегаты с тремя лопастями работают по принципу "против ветра". Сами же элементы установлены так, что смотрят на ветер.

Одна из наиболее крупных турбин во всем мире - это GE Wind Energy. Мощность этого устройства - 3,6 мегаватта. Тут стоит отметить, что чем больше турбина, тем она эффективнее. К тому же соотношение пользы и цены также улучшается с увеличением размера агрегата.

Общие показатели турбин

Первый показатель, по которому выбирается устройство, - это мощность. Если брать "сервисные" турбины, то их мощность может начинаться от 100 кВт и достигать нескольких мВт. Также важно отметить, что и вертикальные ветровые турбины, и горизонтальные могут быть собраны в группы. Такие группы чаще всего называют ветряными фермами. Предназначение таких участков - это оптовая поставка электроэнергии к нужному объекту.

Если говорить о небольших одиночных турбинах, мощность которых ниже чем 100 кВт, то используются они чаще всего для снабжения электричеством частных домов, телекоммуникационных антенн или же для подачи энергии на водоперекачивающие насосы. Стоит отметить, что небольшие по своим размерам турбины также могут использоваться в комплекте с дизельными генераторами, аккумуляторами или солнечными батареями. Такая система получила название гибридной. Используются они в тех местах, где нет другой возможности для подключения к электрической сети.

Преимущества вертикальных турбин

В настоящее время намного чаще используется именно вертикальный тип устройств. Это обосновано тем, что вертикальный тип обладает рядом преимуществ перед горизонтальными.

На вышки вертикального типа нагрузка будет действовать более равномерно, что дает такую возможность, как более простое создание большей, по своим габаритам, конструкции. К тому же для установки ротора на такой тип турбины нет необходимости в дополнительном оборудовании. Важным преимуществом, повышающим эффективность работы, стало то, что лопасти вертикальных турбин можно сделать закрученными - в виде спирали. Это очень важно, так как в этом случае энергия ветра будет воздействовать на них и на входе, и на выходе, что, конечно же, увеличивает эффективность установки.

Одним из важнейших преимуществ вертикальных турбин стало то, что при их установке нет смысла в настройке оси на поток ветра. Такой тип устройств будет работать при потоке ветра, дующем с любой из сторон.

Ветровая роторная турбина Болотова

Данная установка выделяется на фоне остальных устройств. Для нормальной работы турбины нет нужды в приспособлении ее к разного рода погодным условиям. Ветросиловой элемент этой конструкции способен воспринимать ветер с любой из сторон, без проведения каких-либо настроечных операций. К тому же такой тип станции не требует поворота башни при изменении направления ветра. Еще одно преимущество вертикальных ветровых турбин (VAWT - ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора) в том, что они обладают специальной конструкцией, позволяющей работать с ветряными потоками любой мощности. Возможна работа даже при штормовых порывах. Есть возможность выбора количества установочных модулей. От их количества будет зависеть выходная мощность турбины. То есть, изменяя количество модулей, можно изменять мощность агрегата, что очень удобно. Еще одно из преимуществ заключается в том, что ветросиловой элемент конструкции собран таким образом, что позволяет проводить преобразование с высоким КПД кинетической энергии в механическую.

Размеры ветровой турбины Бирюкова и Блинова

Данное устройство обладает двухэтажным ротором с диаметром 0,75 м. Высота этого элемента - 2 м. При действии свежего ветра, такой ротор был способен полностью раскрутить ротор асинхронного вала с мощностью до 1,2 кВт. Турбина могла выдерживать силу ветра без поломок до 30 м/с.

Стоит рассказать о том, почему ветровая установка считается достижением двух ученых. Все дело в том, что в 60-х гг. в СССР ученый Бирюков запатентовал карусельный ветровой генератор с КИЭВ 46%. Однако несколько позже инженер Блинов смог использовать ту же самую конструкцию, но уже с показателем 58% КИЭВ.

Турбины гиперболоидного вида

В основу ветровых турбин гиперболоидного типа легли идеи такого инженера, как Шухов Владимир Григорьевич.

К особенностям этого типа турбины можно отнести то, что она обладает большей рабочей зоной ветрового потока. Если сравнивать этот показатель с другими категориями устройств, то гиперболоидный тип показывает результаты на 7-8% лучше, если считать от ометаемой площади. Этот показатель справедлив для тех типов, у которых рабочая зона ветрового потока крыльчатая. Если сравнивать такой тип, к примеру, с турбинами Дарье и Савониуса, то разница будет в 40-45%.

К особым свойствам этой категории агрегатов также стоит отнести и то, что они способны работать и с восходящими потоками воздуха. Это очень продуктивно, если установить генератор возле озера, болота, на склоне холма и т. д.

К плюсам таких турбин относится и то, что линия контакта активного слоя воздуха, который омывает гиперболоид, будет длиннее в 1,6 раза, чем у аналогичного цилиндра, вращающегося как ветрогенератор роторного типа. Естественно, отсюда вывод, что коэффициент полезного действия будет больше во столько же раз.

Недостатки

Несмотря на множество плюсов и особенностей этих турбин, у них имеется и ряд некоторых недостатков.

К отрицательным факторам стоит отнести то, что при вращении лопастей генератора против ветряных потоков, этот тип генератора будет нести существенные потери, что, в свою очередь, приведет к снижению эффективности работы примерно в два раза. Снижение этого показателя очень заметно, если сравнивать вертикальные турбины с горизонтальными, которые таких потерь не имеют.

Еще одним недостатком станет и то, что вертикальный ветрогенератор должен быть очень длинным. Если расположить его близко к земле, где скорость ветра значительно ниже, чем на большой высоте, то могут быть проблемы с запуском ротора, которому нужен толчок для начала работы. Сам по себе он никак не запускается. Можно, конечно, устанавливать специальные башни, чтобы поднять лопасти выше, однако нижняя часть ротора все равно будет находиться слишком низко.

К другим недостаткам можно отнести то, что зимой на лопастях ветрогенераторов будут образовываться сосульки. Также стоит отметить большое количество шума, который издают турбины при работе. Некоторые из установок даже способны производить при своей работе вредный инфразвук. Он вызывает вибрацию, из-за чего могут дребезжать стекла, окна, посуда.

Интересный факт: ветровые турбины в RimWorld использовались как источник энергии.