Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Вертикальные ветрогенераторы: преимущества и перспективы использования

Какие основные преимущества имеют ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Почему вертикальные ветряки могут быть эффективнее горизонтальных. Как вертикальные турбины решают проблемы традиционных ветрогенераторов.

Принцип работы и особенности конструкции вертикальных ветрогенераторов

Вертикальные ветрогенераторы имеют ось вращения, расположенную перпендикулярно направлению ветра и поверхности земли. Их лопасти вращаются вокруг вертикальной оси, напоминая карусель. Существует несколько основных типов вертикальных турбин:

• Ротор Савониуса — простейшая конструкция из двух или более изогнутых лопастей
• Ротор Дарье — несколько узких изогнутых лопастей с аэродинамическим профилем
• H-образный ротор — прямые вертикальные лопасти, соединенные с центральным валом
• Геликоидный ротор — лопасти закручены по спирали вокруг оси

Вертикальная компоновка позволяет турбине улавливать ветер с любого направления без необходимости ориентации на ветер. Это значительно упрощает конструкцию по сравнению с горизонтальными ветрогенераторами.

Ключевые преимущества вертикальных ветрогенераторов

Вертикальные ветряные турбины обладают рядом важных преимуществ по сравнению с традиционными горизонтальными:

• Работают при низких скоростях ветра от 1 м/с
• Не требуют механизмов ориентации на ветер
• Бесшумны в работе
• Компактны и могут устанавливаться на крышах зданий
• Безопасны для птиц и летающих животных
• Просты в обслуживании
• Устойчивы к сильным порывистым ветрам

Эти особенности делают вертикальные турбины привлекательным решением для использования в городских условиях и малой распределенной энергетике.

Эффективность вертикальных ветрогенераторов

Долгое время считалось, что вертикальные турбины уступают по эффективности горизонтальным. Однако недавние исследования показали, что при правильном расположении вертикальные ветрогенераторы могут быть даже эффективнее. Чем это обусловлено?

• Вертикальные турбины создают меньшую турбулентность
• Они могут располагаться ближе друг к другу
• При групповой работе их КПД повышается на 15-20%
• Оптимальное расположение — на расстоянии 3 диаметров под углом 60°

За счет этого вертикальные ветропарки могут вырабатывать больше энергии на единицу площади, чем традиционные горизонтальные.

Перспективы использования вертикальных ветрогенераторов

Вертикальные ветряные турбины имеют большой потенциал применения в следующих областях:

• Распределенная и автономная энергетика
• Электроснабжение удаленных объектов
• Городская ветроэнергетика
• Морские ветропарки
• Гибридные солнечно-ветровые станции

Их компактность и бесшумность делают возможным широкое внедрение в городскую среду. А устойчивость к сильным ветрам позволяет эффективно использовать в прибрежных зонах.

Решение проблем традиционных ветропарков

Вертикальные ветрогенераторы способны решить ряд существенных проблем, свойственных крупным горизонтальным турбинам:

• Снижение эффективности из-за эффекта следа
• Необходимость большой площади для размещения
• Шумовое загрязнение
• Визуальное воздействие на ландшафт
• Угроза для птиц

За счет компактности и возможности плотного размещения вертикальные ветропарки могут занимать в 100 раз меньшую площадь при той же мощности. Это особенно актуально для прибрежных зон и островных территорий.

Экономические аспекты использования вертикальных ветрогенераторов

Вертикальные ветряные турбины имеют ряд экономических преимуществ:

• Более низкая стоимость производства и установки
• Меньшие затраты на обслуживание
• Возможность размещения ближе к потребителям
• Снижение потерь при передаче энергии
• Более быстрая окупаемость инвестиций

Эти факторы делают вертикальные ветрогенераторы привлекательными для инвесторов и разработчиков проектов возобновляемой энергетики. Особенно в сфере распределенной генерации и малой энергетики.

Технологические инновации и перспективы развития

Вертикальные ветрогенераторы активно совершенствуются. Ключевые направления технологического развития:

• Оптимизация формы лопастей для повышения КПД
• Использование новых композитных материалов
• Разработка эффективных низкоскоростных генераторов
• Создание «умных» систем управления группой турбин
• Интеграция с системами хранения энергии

Эксперты прогнозируют, что в ближайшие годы эффективность вертикальных ветрогенераторов может достичь 50% и даже превысить этот показатель. Это сделает их еще более конкурентоспособными на рынке возобновляемой энергетики.

Роторные ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Содержание

• Кто за вертикаль? Кто против?
• Ветер – на деньги!

Кто за вертикаль? Кто против?

Если бы мы оказались на собрании специалистов, спорящих какие ветряки выгоднее поставить возле загородного дома или котеджном посёлке – ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, или горизонтальные, то предстала бы такая атмосфера, выдающая плюсы-минусы этих видов ветроустановок. Сначала о преимуществах вертикального ветряка:

• почти бесшумный при самых сильных порывах ветра;
• обеспечивает оптимальный КПД при любых ветровых капризах;
• ловит любые направления движения воздуха;
• неприхотлив;
• отсутствие токосъёмных щёток не требует их замены;
• берёт старт при минимальном дуновении ветерка до 1 м/сек;
• в его конструкции используется лишь один подшипник за счёт левитации оси;
• его можно располагать вблизи дома, или на крыше;
• не требует дополнительных приборов для запуска;
• совершенно безобиден для птиц, пчёл, окружающей среды;
• не боится мокрых снегопадов и обледенений.

А те, кто предпочтение отдаёт горизонтальным ветрякам, отмечают один из немногих, но существенных недостатков вертикалок:

• не эффективно используют ветровую энергию по сравнению с горизонталками;
• больше уходит материала на их сборку;
• заметная разница цен в сторону завышения.

Их оппоненты не сдаются: ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, возражают они, неприхотливы к порывам ветра при любых направлениях (вихреобразных), что даёт возможность устанавливать их в местах с небольшими пространствами. Кроме того, им безразличны разрушительные ураганы, так как при увеличивающейся скорости вращения повышается устойчивость оси с крыльчаткой. В довершение преимуществ вертикалок перед традиционными горизонтальными ветроустановками является то, что их можно использовать где угодно: на крышах домов, на платформах, вышках, таёжных бытовках, вагончиках.

Хотя, как бы ни спорили о плюсах-минусах той или иной установки, а перевешивают аргументы практики. Они дают возможность оценивать достоинства, недостатки любой ветрогенераторной установки при конкретных условиях работы.

Да, горизонтальный ветряк дешевле, зато вертикальный не потребует больших средств при монтаже и установке. Да, горизонтальный ветрогенератор имеет более высокий КПД, зато роторный ветрогенератор не требует поднятия на большую высоту, чем упрощает его эксплуатацию. Да, горизонтальный ветряк требует меньше материала на крыльчатку, зато его собрат более устойчив к ураганным ветрам.

Как говорится, кто куда, а я в сберкассу. Кто за что, а большинство за вертикальные ветряки. Тем более, с каждым годом изобретатели усовершенствуют эту установку и она скоро выйдет в число лидеров по спросу.

Ветер – на деньги!

Стоп! Вы не ошиблись, случаем, в смысле заголовка? Не поменять ли слова местами? – можешь спросить уважаемый читатель. Нет, когда речь идёт о том, как роторный ветрогенератор победно шествует по нашей планете, уверенно занимает место под солнцем, — такое словосочетание вполне приемлемо.

Для доказательства данного утверждения можно привести один пример из тысячи вариантов. Возьмём подобное детище конструктора Александра Сергеевича Абрамова. На просторах России именно ему принадлежит идея выгодного использования роторного ветрогенератора. Потому что при главном достоинстве этой установки работать при малейшем дуновении воздуха, при любом его направлении, такой ветрогенератор как нельзя лучше пригоден для слабых российских ветров.

Кто будет спорить с тем, что выгоднее иметь подле своего дома более чувствительную ветроустановку, чем ту, которая согласна работать только при довольно сильных ветрах. А где такие найдёшь на бескрайних просторах России?

Именно Абрамову впервые в России пришла мысль перейти на производство, а также на внедрение таких ветрогенераторов. Что самое ценное в этой идее – при вечном дефиците материалов для строительства ветряка, да плюс при знаменитой выдумке русского народа – такую установку может смастерить даже самый ленивый сельский мужичок. Не верите?

Подобный ветрогенератор без особого труда можно сконструировать из самых подручных материалов, валяющихся буквально под ногами: из больших, 3-х литровых пластиковых бутылок, из жестяной банки, фанеры или текстолита, стальной оси, бросового электромотора. Схема вертикального простейшего ветродвигателя из консервной банки (см. на рис).

Достаточно разрезать бутылку пополам, скрепить её вогнутыми сторонами в противоположные стороны, а по центру смастерить ось вращения, которая должна быть связана с генератором. Всё. Ветряк готов к работе. Можете брать его в походы. Он осветит вашу таёжную, походную палатку, зарядит батарейку телефона, ноутбука.

Здесь необходимо пару слов сказать о самом Абрамове. Александр Сергеевич – старейший приверженец мастеровитости, ни одного дня не представляющий себя без технического творчества. В его мозгах, а потом на бумаге, появлялись всё новые модели двигателей, которые работают за счёт немыслимых, для поверхностного взгляда, источников энергии. До самых своих последних дней (а прожил он 96 лет), Александра Сергеевича интересовали роторные ветрогенераторы, которым он предсказывал большое будущее. Изобретатель был глубоко убеждённым в том, что из ветра-таки можно делать деньги. Причём, легко.

Известно пренебрежение конструкторов к роторным ветрогенераторам. Якобы, они по сравнению с горизонтальными ветряками малоэффективны в использовании энергии ветра. Александр Сергеевич Абрамов не возражал своим оппонентам. Он просто молча сделал, опробовал несколько моделей собственной конструкции вертикальных ветрогенераторов. Все его конструкции продемонстрировали безукоризненную эффективность при любых напорах воздушного потока, начиная от лёгкого дуновения до ураганного ветра. Это главнейшее отличие их от своих горизонтальных собратьев говорит о многом. Бесполезное дело – сотрясать воздух спорами, криками, лучше сделать. Показать.

Вот ещё наглядный пример самостартующегося ветрогенератора с вертикальной осью при скорости ветра меньше 1 м/сек. В этом видео показан экспериментальный образец вертикального ветряка, который начинает вращаться в условиях совсем незначительного движения воздуха. Даже ветки деревьев неподвижны, а ветряк медленно вращает свои крылья, радуя глаз изобретателя.

В заключение необходимо добавить, что роторные ветрогенераторы мало того, что бесшумны, способны работать при любых ветрах. Сегодня они выпускаются с двух и трёх – ярусными роторами применительно к мощности установки и господствующим в данной местности ветрам.

В.Ильин

Ветрогенераторы с горизонтальной и вертикальной осью Статьи о ветряных установках

Ветрогенераторы с горизонтальной и вертикальной осью Статьи о ветряных установках

Главная   Статьи   Типы ветрогенераторов

« Назад Классификация установок с приводом от ветра Классификация типов ветрогенераторов начинается с положения их оси: Установки с горизонтальной осью или горизонтальные. Высокая скорость вращения обеспечивает достаточно высокий к.п.д. Большинство энергетических генераторов строят по этой схеме. Бывают несколько разновидностей. Все используют лопасти с поперечным профилем, аналогичным профилю крыла. Однолопастные – вместо второй лопасти установлен небольшой обтекаемый противовес. Могут развивать высокую скорость и за счет этого уменьшить вес и габариты установки. Двухлопастные – от предыдущих почти не отличаются. Трехлопастные – подавляющее большинство промышленных мощных установок. Мощность может достигать 5 – 8 МВт. Многолопастные – до 50 лопастей. Тихоходные, с большой силой вращения. В ХХ веке использовались для водяных насосов. Установки требуют флюгерный механизм. На сильном ветре нужно торможение или флюгирование лопасти, т. е. ее поворота для уменьшения скорости. С вертикальной осью, т. е. вертикальные ветрогенераторы. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения Вращение начинается при малейшем движении ветра. Его направление не имеет значения. Наиболее известные конструкции ветрогенераторов с вертикальной осью вращения: С роторами Савониуса. Роторы по горизонтали имеют S-образную форму. Характеризуются небольшой скоростью и большим моментом. Бывают двух- и многолопастные конструкции.Разновидностью является щелевой ротор Савониуса, в котором между лопастями в зоне оси механизма имеется щелевой зазор, который увеличивает эффективность вращения. С ротором Дарье. Несколько узких лопастей полукруглой или треугольной формы с профилем крыла. Малый момент в начале движения компенсируется большой скоростью. Удельная мощность по отношению к массе достаточно велика. С ротором на эффекте Магнуса. Подъемная сила возникает при вращении цилиндра. Разновидностями являются роторы Флетшера и Мадараса. При обтекании цилиндра потоком воздуха и его вращении возникает сила, перпендикулярная направлению потока. Ортогональные ветродвигатели или малые ветрогенераторы. Несколько лопастей параллельных оси установки, размещенных на небольшом расстоянии от оси. Эффективность снижается движением лопастей против ветра на нерабочей части. Число лопаток – от трех до десятка. Многолопастные роторные ветрогенераторы с направляющим аппаратом. Снаружи установлено несколько неподвижных поворачивающихся плоскостей, направляющих поток воздуха на вращающиеся лопасти. Поток воздуха подается под самым оптимальным углом, повышая энергоэффективность устройства.

Ветряные турбины с вертикальной осью производят безопасную, экономичную и чистую энергию

Преимущества VAWT по сравнению с HAWT

Во-первых, давайте опишем, как работает ветряная турбина с горизонтальной осью (HAWT). В системе HAWT используются асимметричные лопасти аэродинамического профиля, которые регулярно регулируются для улавливания ветра. HAWT требует механизмов для регулировки шага лопастей и вращения турбины против ветра. Для этого
также требуется редуктор для регулировки скорости вращения вала генератора. Все эти элементы увеличивают неэффективность и техническое обслуживание. Тот ремонт, кстати, находится на вершине 80-метрового столба.

Ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT) имеет совершенно другой профиль. Лопасти симметричны и ориентированы вертикально. Это означает, что они всегда ловят лучший ветер, и их не нужно искусственно ориентировать на максимальное производство электроэнергии.

Механическая сложность VAWT намного меньше, чем у HAWT, что снижает необходимость и сложность обслуживания. Большинство работ по техническому обслуживанию можно проводить на уровне земли. Поскольку лопасти соединены с обоих концов, они испытывают меньшую усталостную нагрузку. У VAWT есть ряд других преимуществ, о которых мы упомянем чуть позже.

Ветроэнергетика с вертикальной осью

в цифрах

Исторические проблемы VAWT решены

До появления ArborWind PT180 VAWT не использовались в той же степени, что и HAWT, из-за проблем с долговечностью и надежностью. У них также был немного более низкий теоретический коэффициент производительности, чем у HAWT. Но самая большая проблема (до PT180) заключалась в том, что традиционные ветряные турбины с вертикальной осью всегда пытались развалиться. Эти две проблемы являются наиболее вескими причинами того, что ветряные турбины с вертикальной осью не получили всеобщего признания в коммерческом мире. Это также две проблемы, которые ArborWind решила с помощью своей запатентованной технологии. Узнайте больше о нашей технологии здесь.

Узнать больше

Почему VAWT имеет смысл для коммунальных предприятий, инвесторов и разработчиков

Все перечисленные выше причины делают систему VAWT превосходной в большинстве приложений, представляющих интерес для коммерческих и промышленных разработчиков, инвесторов и коммунальных предприятий. Система VAWT и, в частности, ArborWind PT180 обеспечивают больше электроэнергии при заданной скорости ветра. Он имеет более низкие производственные затраты и, следовательно, более низкие затраты на покупку. Реальность такова, что с VAWT связано меньше затрат на техническое обслуживание и эксплуатацию. Для инвесторов это означает более быструю окупаемость инвестиций.

В Соединенных Штатах ветряные электростанции коммунального масштаба начали немного сопротивляться, поскольку они вторгаются во что угодно, кроме самых отдаленных районов. Мерцание теней, ритмичный шум и угроза дикой природе используются, чтобы обойти попытки внедрить это мощное решение во многие области. VAWT отвечает на каждую из этих проблем и даже на многие другие, которые здесь не упомянуты. Это то, что делает вертикальную конструкцию, такую ​​как PT180, идеальной для самого широкого спектра приложений. От сельской местности до города, от коммерческих зданий до правительственных зданий — это решение, меняющее мир.

Запрос об инвестициях

Opportunities

VAWT и солнечная энергия

Поскольку ветровая и солнечная энергия имеют разное время пиковой выработки, концепция объединения этих двух возобновляемых источников энергии имеет смысл для увеличения объема ежедневного производства в одном месте. VAWT по сравнению с HAWT работают лучше в этом сценарии по целому ряду причин.

Во-первых, меньшая площадь VAWT, такой как PT180, означает больше места для производства солнечной энергии. Во-вторых, для технического обслуживания не потребуется доступ к огромным кранам, которым потребуются собственные смещения. Наконец, в смешанном учреждении также следует учитывать меньшее затенение VAWT по сравнению с HAWT.

Быстрый рост распределенной генерации

Называйте это как хотите — распределенная энергия или распределенная генерация — концепция та же: размещение генератора электроэнергии в точке потребления или рядом с ней. Распределенная генерация (DG) имеет ряд преимуществ, заключающихся в снижении потерь энергии на длинных линиях электропередачи, снижении нагрузки на эти линии электропередачи и альтернативном производстве электроэнергии там, где линии электропередачи отсутствуют или невозможны. Распределенная энергия ветра бывает всех форм и размеров. Согласно исследованию Министерства энергетики США, количество мест, где распределенный ветер технически возможно, составляет чуть менее 50 миллионов жилых, коммерческих или промышленных объектов.

Свяжитесь с нами

Вертикальные ветряные турбины обещают более высокую эффективность

Будь то на суше или на море, у ветряных турбин есть проблема. Как признал в 2019 году Ørsted, крупнейший в мире разработчик оффшорных ветряных электростанций, турбины с горизонтальной осью создают огромный след, достаточный для того, чтобы компании пришлось резко изменить свои оценки производства энергии. Если одна турбина имеет КПД около 50 процентов, это число может снизиться до 40 процентов, если эта же турбина стоит второй в очереди на ветровой электростанции. Чтобы избежать турбулентности турбины против ветра (мощностью 10 МВт с размахом лопастей 150 метров), турбина ниже по потоку должна быть удалена примерно на три километра. Получится довольно массивная ферма.

«Просто сказать: «Хорошо, у нас есть эффект следа, и мы ничего не можем с этим поделать», — это неподходящий путь вперед», — сказал Яковос Цанакис, профессор инженерных материалов в Оксфордском университете Брукса. Цанакис и студент бакалавриата Йоахим Тофтегор Хансен знали, что должен быть лучший способ. Поэтому они начали рассматривать ветряные турбины с вертикальной осью в качестве альтернативы.

С перпендикулярными к земле лопастями, которые вращаются вокруг башни — в стиле карусели — одиночная турбина с вертикальной осью собирает энергию ветра иначе, но не более эффективно, чем ее горизонтальные собратья. Одна вертикальная турбина имеет эффективность в диапазоне от 35 до 40 процентов (хотя исследователи вертикальных турбин уверены, что это число скоро достигнет 50). Но, как продемонстрировали Цанакис и Хансен в статье, опубликованной в Renewable Energy в июне 2021 года, при совместной работе и правильном расположении турбины с вертикальной осью могут затмить горизонтальные турбины.

Повышенная эффективность

Цанакис и Хансен провели около 11 500 часов компьютерного моделирования 30 с лишним конфигураций вертикальных турбин. Они обнаружили, что оптимальное расположение турбин с вертикальной осью оказывается при наличии турбин на расстоянии трех диаметров друг от друга, смещенных на 60 градусов. Эта установка повысила эффективность турбин на 15 процентов. Это также означало, что турбины можно было бы более плотно сгруппировать на ферме гораздо меньшего размера, чем это позволяли бы горизонтальные турбины.

Прослушайте подкаст: Создание цепочки поставок оффшорной ветроэнергетики в США

Повышенная эффективность достигается за счет того, как они получают энергию от ветра.

«Они всасывают воздух, затем выдувают воздух», — сказал Цанакис.

Там, где турбины с горизонтальной осью создают воронкообразный след, который тянется как инверсионный след, ветер становится менее турбулентным после прохождения турбин с вертикальной осью. Цанакис сравнивает эффект с игрой в ветряной футбол или, может быть, в настольный футбол. «Это похоже на передачу воздушного мяча между игроками — каким-то образом это работает гармонично, и у вас есть общая эффективность».

Морские ветряные электростанции

Благодаря меньшей занимаемой площади, меньшей высоте и большей эффективности при совместной работе вертикальные турбины могут стать идеальным решением для морских ветровых электростанций.

Смотрите видео по теме: Следующая задача Wind Power

В Греции, например, существует большая напряженность между правительством и островитянами. Граждане, зависящие от туризма, опасаются, что горизонтальные ветряные электростанции, которые правительство надеется построить, испортят горизонт, поставив бизнес в упадок.

«Если вы разрушите это побережье, этот красивый пейзаж — голубое море и голубое небо — это может повлиять на туристическую индустрию», — сказал Цанакис. «Турбины с вертикальной осью были бы отличным решением для этих островов. На тот же мегаватт они меньше по высоте и их не так легко увидеть с берега».

Они могут занимать в 100 раз меньше места.