135-метровый ветряк с вертикальной осью вращения мощностью 1 МВт установят у берегов Норвегии
Шведская компания SeaTwirl подписала контракт с оператором Westcon на строительство и развёртывание у берегов Норвегии своей первой плавучей ветряной турбины с вертикально ориентированной осью вращения мощностью 1 МВт.
SeaTwirl описывает свою конструкцию как простую и надежную. Это ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT), вращающийся цилиндр, который отличается от ветряных турбин с горизонтальной осью (HAWT), которые обычно используются сегодня. VAWT являются многообещающей технологией по нескольким причинам.
Во-первых, они могут принимать и использовать ветер со всех направлений, поэтому им не нужны тяжелые и дорогие системы, чтобы направлять их на ветер, как это делают HAWT. Во-вторых, генераторы могут устанавливаться на уровне или ниже ватерлинии. Для обычных ветряков HAWT необходимо устанавливать это тяжелое снаряжение прямо на вершину опорных башен, где находится главная ось, создавая конструкцию с тяжелым верхом, которая требует чрезвычайной прочности башни и огромных противовесов под поверхностью, чтобы удерживать их в вертикальном положении. Это означает больше материалов и больше затрат.
В-третьих, их можно размещать гораздо ближе друг к другу, чем HAWT, поскольку они создают минимальный кильватерный след по ветру. HAWT должны быть расположены дальше друг от друга, что снижает прибыльность конкретной площади.
В конструкции SeaTwirl три лопасти VAWT жестко закреплены на длинном плавучем шесте с низким центром тяжести и тяжелой массой внизу, которая выступает в роли киля. Вся опора вращается, приводимая в движение лопастями, которые ловят ветер, а генератор собирает энергию и отправляет ее обратно на берег по кабелям.
Поскольку сама главная башня находится на плаву и держится более или менее вертикально за счет киля, подшипники генератора не должны воспринимать вес всей конструкции. Таким образом, они могут быть меньше, легче и дешевле. Как и в случае с другими конструкциями VAWT, техническое обслуживание должно быть намного проще и дешевле, чем с HAWT, потому что части, которые требуют работы, располагаются на уровне моря, а не на вершине огромных башен. Таким образом, их можно обслуживать без необходимости использования дорогих кранов.
В настоящее время SeaTwirl готовится к созданию своей первой версии мощностью 1 МВт. Она построит свою первую турбину модели S2x недалеко от Бока в Норвегии. Ожидается, что он будет введен в эксплуатацию в 2023 году с испытательным периодом около пяти лет.
S2x будет примерно в 30 раз больше, чем первый прототип S1. Он достигнет высоты около 55 м над поверхностью, а его утяжеленный центральный стержень погрузится на глубину 80 м. Устанавливать такие ветряки планируют в местах с глубиной не менее 100 м. Ветряк отключит питание, если скорость ветра превысит 25 м/с (90 км/ч), но он выдержит даже экстремальные скорости ветра до 50 м/с (180 км/ч). Компания заявляет, что срок службы должен составлять около 25-30 лет.
Обещанная SeaTwirl нормированная стоимость электроэнергии (англ. Levelised Cost of Energy, LCOE) 1-МВт плавучей турбины будет ниже $50 за МВт·ч, что примерно соответствует современному положению дел в наземной ветряной генерации
История Ветроэнергетики
История ветроэнергетики начинается сотни лет назад, когда люди начали строить ветряные мельницы для того, чтобы накачать воду для орошения сельскохозяйственных культур и превратить зерно в муку.
Археологи утверждают, что первые ветряные мельницы были построены на территории Ближнего Востока примерно в IX веке на границах между современным Афганистаном и Ираном. Это были мельницы с вертикально ориентированной осью, вертикальными валами и лопастями прямоугольной формы, на которые была натянута плотная ткань. Функцией таких мельниц были помол зерна и насосная подача воды . Более поздние свидетельства использования энергии ветра ученые находят на Ближнем Востоке и Средней Азии, в Китае и Индии.
На территории современной Европы ветряные мельницы появились значительно позже: примерно в Х II веке . «Европейский вариант» с горизонтальной осью отличается принципиально от «восточного» с вертикальной. Это аргумент в пользу европейской изобретательности. Другая же версия — это опыт, полученный в крестовых походах, где европейцы могли видеть восточные образцы. Распространению ветряков в Европе способствовало замерзание рек зимой, когда водяные мельницы переставали работать.
Первую ветроэнергетическую установку построил в 1887 году шотландский профессор Джеймс Блайт . Десятиметровый ветряк, установленный на участке его
загородного дома, использовался для зарядки аккумуляторов , от которых коттедж питался электроэнергией. Это был первый в мире дом, обеспеченный электричеством с помощью ветра. Блайт предложил использовать излишек своего электричества для освещения главной улицы деревни, однако никто не согласился, считая электричество «силой дьявола». Позже он построил ветроэнергетическую установку как резервный источник питания для психиатрической больницы, лазарета и амбулатории, однако изобретение никогда не воспринималось как экономически жизнеспособная технология.
Более сложный и крупный ветряк для выработки электроэнергии был построен в конце 1800-х годов в Кливленде, штат Огайо.
Чарльз Браш спроектировал и построил ветряную турбину на восемнадцатиметровой опорной башне, с ротором 17 метров в диаметре, состоящим из 144 деревянных лопастей. Этот гигант выдавал 12 кВт электроэнергии и прослужил верой и правдой с 1886г. до 1900 года. До тех самых пор, пока в Кливленде не построили теплоэлектростанцию.
Самое динамичное развитие ветровой энергетики в 20м веке наблюдалось в Дании. Так, к 1908 году уже было построено 72 ветряка мощностью от 5 до 25 кВт. Конструкция легкого ветряка с тремя лопастями и направлением на ветер, характерная для этой ветреной страны, теперь стала классикой!
1931 год — год рождения ветрогенератора с вертикальной остью. Французский изобретатель Дарье своим инженерным решением убил сразу двух зайцев: теперь ветряк мог работать при любом направлении ветра, а тяжелый редуктор и генератор теперь можно было размещать на земле. Это позволило сэкономить на материалах и обслуживании ветроустановки .
Предшественником современных ветряков был советский ветряной двигатель около Ялты, работавший с 1931 по 1942 год. Он обладал мощностью 100 кВт и был подсоединен к местной распределительной системе напряжением 6,3 кВ. Следует отметить, что его годовой коэффициент нагрузки был 32%, что весьма близко к показателям современных установок.
Перенесемся ближе к нашему времени. 17 октября 1973 год. Страны ОПЕК прекратили поставки нефти странам поддерживающим Израиль в Войне Судного дня. В течение следующего года цена на нефть поднялась с трёх до двенадцати долларов за баррель. Это дало новый толчок для развития энергии ветра. США и Европейские страны резко увеличили финансирование исследований и производства оборудования для альтернативной энергетики.
Результатом этого стали многочисленные технологии сооружения ветряков, мощность которых исчисляется мегаваттами. Сюда можно отнести использование генераторов с регулируемой частотой вращения, составные материалы для лопастей, аэродинамическое и акустическое проектирование. С этого момента стало возможным использование энергии ветра в крупных масштабах.
В настоящее время, мы можем видеть ветровы е турбин ы в о многих местах, прибрежные районы очень подходят для таких машин, и даже морские районы являются хорош им место м , чтобы использовать силу ветра.
В последнее время , появился новый вид ветроустановок : плавающи е ветровы е турбин ы . Э ти машины созданы для использования в отдаленных районах, где рядом нет источника энерги и. Такие инженерные решения могут предложить подключение к Интернету для этих удаленных и изолированных район ов.
Ветровые ресурсы нашей страны еще предстоит освоить! Наличие пока дешевого газа и электроэнергии на сегодня делает экономически нецелесообразным развитие альтернативной энергетики. Тем не менее, в районах, где преобладает ветреная погода, а доступ к энергосети затруднен, использование ветроустановок — это верное решение!
Колоссальная энергия ветра, как и дикий необъезженный мустанг неуправляемы
Ветер и дикий мустанг при колоссальной энергии абсолютно непредсказуемы. Дикого жеребца можно обуздать, а вертикальный ветрогенератор своеобразный аналог такой упряжи –он будет вырабатывать энергию вне зависимости от направления воздушного потока. А КПД вертикальных ветряков на 40% выше, чем у горизонтальных ветрогенераторов
Вертикальный ветрогенератор
Среди всех альтернативных источников энергии есть один особый, который присутствует везде и всегда. Он и в пустыне и в море, он и днём и ночью – это ветер. Казалось бы ветрогенератор идеальное устройство чтобы обеспечить свой дом бесплатным электричеством, но именно для ветра характерна онтологическая дихотомия – он одновременно и постоянен, и непредсказуем.
Зол — повелитель ветров у греков
Двуликая энергия ветра
На Земле нет такого места, где никогда не дуют ветра. Они могут быть слабые, а в какие-то периоды может быть полный штиль, но это издержки атмосферных явлений. В глобальном представлении ветер есть всегда. Однако его направление абсолютно непредсказуемо!
Обычные горизонтальные ветрогенераторы нуждаются в сложной системе ориентации «по ветру». Они или поворачиваются целиком, или же у них лопасти меняют угол наклона. Но это усложнение конструкции прямо сказывается на стоимости и надёжности.
Однако есть вертикальные ветрогенераторы, для которых этой проблемы не существует в принципе! Им абсолютно без разницы направление ветра, главное чтобы он был. И что особенно привлекательно – работать вертикальный ветрогенератор начинает при меньшей скорости воздушного потока.
Преимущества и недостатки вертикальных ветрогенераторов
Придумать и нарисовать схему на бумаге, это совсем не то же самое, что воплотить её в реальность. На практике вылезают некоторые изъяны, которые приходится как-то нивелировать. Например, поток воздуха оказывает отрицательное давление на лопатки турбины. С одной стороны ветер их закручивает, а когда они возвращаются в исходное положение, то этот поток оказывает сопротивление.
Если горизонтальный ветрогенератор можно заглушить при штормовом ветре простым поворотом лопастей, то в вертикальной конструкцией этого проделать невозможно.
Именно эти недостатки на начальном этапе развития альтернативной энергетики, сделали вертикальные ветрогенераторы аутсайдерами в своём сегменте.
Сейчас положение кардинально изменилось! В 2008 году, исследователи из Калифорнийского технического университета доказали, что при скрупулёзном проектировании и использовании современных композитных материалов, имея одинаковые размеры, вертикальный ветрогенератор даёт в 10 раз больше энергии, чем его горизонтальный конкурент.
Основные преимущества вертикальных ветряков следующие:
- Не требуется ориентация по направлению ветра;
- Выдерживает вдвое большую скорость воздушного потока;
- Начинают работать при меньших скоростях ветра;
- Оснащаются более простым и надёжным редуктором;
- Не нуждаются в высоких мачтах;
- Центровка конструкции надёжная, так как вся система находится на одной центральной оси, а центр тяжести смещён вниз. Поэтому возведение вертикального ветрогенератора обходится дешевле;
- Блок управления находится внизу, поэтому обслуживание и ремонт выполнить гораздо проще;
- Требуют площадку меньших размеров;
Принимая в расчёт, что изготовление вертикальных ветрогенераторов обходится дешевле, многие энтузиасты альтернативной энергетики сходятся во мнении, что есть явные признаки картельного сговора. Поэтому на рынке уже 15 лет выпускаются мини- и микромодели таких генераторов, ориентированные на частный сектор.
Спиральный ротор Дарье
Эволюция вертикальных ветрогенераторов
Первые вертикальные мельницы появились в Китае, почти 2000 лет назад. Через тысячу лет их заново изобрели в Персии. Но приспосабливать такие конструкции для выработки электроэнергии начали в самом конце 19-го века.
Чертежи из австрийского патента Савониуса 1925
Попытки устранить базовые изъяны были направлены на конструкцию и форму лопастей. За 130 лет появилось несколько модификаций, которые не поддаются безальтернативной систематизации. Поэтому начать их описание надо с наиболее лёгких в изготовлении, пусть даже они не такие эффективные как современные разработки.
Модель Савониуса
Изобрёл лопасти такого типа финский инженере сто лет назад.
В изготовлении она чрезвычайно проста и в эксплуатации надёжна. Но так как лопасти работают только за счёт разности давления, то эффективность оставляет желать лучшего.
В частном секторе, именно ветрогенераторы Савониуса чаще используются как стартовая модель. Важно только не упустить особенность расположения лопастей относительно друг друга, и оставить небольшой просвет между ними.
Базовый изъян ветрогенератора Савониуса кроется в переменных нагрузках на лопасти, которые вызваны эффектом Магнуса. Поэтому в Голландии модернизировали конструкцию, путём закручивания лопастей в спирали.
Называется такой вертикальный ветрогенератор Windwokkel (Обтекатель Ветра) .
Модель Дарье
В конце 20-х годов прошлого века, французский лётчик Дарье додумался использовать подъёмную силу крыла, для увеличения эффективность вертикального ветрогенератора. Симбиоз чрезвычайно эффективен, и даже сейчас ещё не существует реальных математических моделей, описывающих физические процессы в таком ветрогенераторе! Достаточно сказать, что в 2010 году, в Новосибирском отделении РАН было проведено полномасштабное исследование ветрогенератора Дарье, и ученые чётко обосновали следующий факт: коэффициент энергопреобразования в идеально спроектированной конструкции вертикального ветрогенератора Дарье – 0,72.
Чтобы понять глубину этого факта, надо вспомнить, что теоретически доказанный предел эффективности для любых типов горизонтальных ветрогенераторов, не может превышать 0,593. А на практике, он даже не достигает 0,45.
Причина такого качественного скачка в том, что кроме разницы давлений ветра на лопасти, в конструкции Дарье задействован эффект аэродинамической подъёмной силы крыла. Поэтому скорость вращения вертикальной турбины Дарье может превышать скорость набегающего воздушного потока в 3-4 раза!
Существует несколько разновидностей ветротурбины Дарье:
- Н-тип (Giro Mill);
- Спиральная турбина Горлова.
Идеальный проект предполагает три лопасти. Так как при двух лопастях затруднён автозапуск, а четыре и более лопасти снижают производительность.В некоторых конструкциях, для автозапуска используют гибридную систему, для этого ветрогенератор Савониуса интегрируют внутрь конструкции Дарье .
Экзотические системы вертикальных ветрогенераторов
Около 12 лет назад, французский изобретатель Дьедонне , придумал ни на что не похожий вертикальный ветрогенератор и назвал его Panemon.
Система очень оригинальная, и кустари одиночки воспроизводили её в своих частных домах.
В Хорватии установили более серьёзный прототип.
В Голландии придумали и запустили в мелкосерийное производство «Энергетический шар».
Это чудовищная химера вертикального и горизонтального ветрогенератора, вырабатывает около 700 вт уже при 1,5 м/с. Кроме обычных динамических сил описанных выше, в данной конструкции был учтён эффект Вентури. Это частное ответвление от эффекта Бернулли, которое проявляется в падении давления при протекании воздуха через узкое пространство.
Сенсация альтернативной энергетики
Одним из самых слабых мест у вертикальных ветрогенераторов является опорный подшипник. Масса всей конструкции давит на опору вызывая её усталостную деструкцию, а механическое трения снижает производительность. Чтобы обойти этот изъян, один китайско-немецкий консорциум предложил использовать магнитные подшипники с эффектом левитации.
Формы лопаток турбины могут быть различные, но центральный вал в этих моделях держится на магнитном подшипнике – левитирует. Проверка работоспособности конструкции вертикального ветрогенератора на магнитом подшипнике, продемонстрировала высокую эффективность в изменяющихся ветровых условиях по сравнению с аналогичной системой без такой опоры
Феномен маглева (магнитной левитации) основан на отталкивании одноименных полюсов постоянных магнитов. Использование пары постоянных неодимовых магнитов, с реальной поддержкой магнитной левитации, достаточно легко испытывается на практике. Два кольцевых магнита обращённых друг к другу одинаковыми полюсами демонстрирую достаточно сильное отталкивание, чтобы держать обе поверхности на расстоянии друг от друга. Сила, создаваемая в результате этого отталкивания, используется для подвески и является достаточно мощной, чтобы уравновесить вес объекта в зависимости от мощности магнитного поля.
В этом проекте удалось реализовать технологию достижения вертикальной ориентации с помощью роторов, а также генератора осевого потока. Однако есть нюансы, которые действительно отличают систему, работающую на постоянных магнитах, от электромагнитов.
В конструкции ветряка с осевым потоком, работоспособность основана на генераторах с постоянными магнитами. В них концепция магнитов и магнитных полей является доминирующим фактором в этой форме работы. Эти генераторы имеют воздушный зазор, перпендикулярный оси вращения. Одновременно, воздушный зазор создает магнитные потоки, параллельные оси.
Технология maglev, служит эффективной заменой шарикоподшипников, используемых в типовой ветротурбине, и обычно реализуется с постоянными магнитами.
Левитация используется между вращающимся валом турбины и основанием всей системы ветряка. При наличии соответствующих механизмов удаётся использовать очень слабые ветра для выработки электроэнергии. Правильно размещённые магниты формирует магнитное поле, а медные катушки будут способствовать захвату напряжения из-за изменения этого магнитного поля.
Такая система может работать при скорости ветра от 1 м/с, и поддерживает генерацию до шквальных порывов в 55 м/с. Согласно исследованию, генерирующая мощность ветровой турбины Маглева выше на 20% по сравнению с обычными ветряными турбинами, а эксплуатационные расходы на 50% ниже.
Ветрогенераторы МагЛев производятся и продаются в США с 2014 года.
В комментариях прикрикриплен Прайс лист чисто для ознакомления с разновидность турбин Маглева,и дополнительную полезную информацию:
Характеристики ротора Дарье
Разработка ветрогенератора с вертикальной осью
Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:
Спасибо, что дочитали до конца!
Если статья Вам понравилась!
Делитесь с друзьями, оставляйте ваши комментарии
Следите за нами в твиттере: https://twitter.com/Alter2201
Добавляйтесь в нашу группу в ВК:
и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее.
Источник https://www.ixbt.com/news/2022/09/14/135metrovyj-vetrjak-s-vertikalnoj-osju-vrashenija-moshnostju-1-mvt-ustanovjat-u-beregov-norvegii.html
Источник https://ekoproekt-energo.ru/news/2018/10/03/%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F-%D0%B2%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%8D%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B8/
Источник https://alter220.ru/veter/vertikalnyj-vetrogenerator-2.html
