Безлопастные ветрогенераторы: Безлопастные ветрогенераторы / Хабр

Безлопастные ветрогенераторы / Хабр

Технологическая стартап-компания Vortex Bladeless из Испании разработала метод выработки возобновляемой электроэнергии при помощи ветрогенераторов Skybrators, лишённых лопастей и сопряжённого с ними негативного воздействия на окружающую среду.

Огромные белые лопасти ветровых турбин принято считать неотъемлемым атрибутом ветроэнергетики, однако Давид Яньес и его небольшая команда компании Vortex Bladeless решила переосмыслить существующие технологии добычи электроэнергии из силы ветра. Испанцы предложили миру дизайн турбин Skybrators, которым не нужны лопасти, высокие башни ветрогенераторов и даже высокий среднегодовой уровень ветра.

Устройство

Внешний столб вибрирует от силы ветра, без ограничений в амплитуде. Его основание прочно зафиксировано в земле блоком в форме цилиндра. Устройство собрано с использованием смол, укрепленных углеродом и стекловолокном. Это обеспечивает высокую прочность без потери КПД. Конструкция ветрового устройства сильно отличается от обычного ветряка. Вместо привычной башни с лопастями есть только мачта из очень прочных и легких материалов.

Такая конструкция снижает издержки на производство и упрощает монтаж. Со стороны они отчасти напоминают автомобильную игрушку в виде собаки с качающейся головой: «турбина» едва заметно покачивается из стороны в сторону. В действительности же генерирование электроэнергии происходит за счёт аэродинамического эффекта вихреобразования. Устройство улавливает энергию ветра благодаря аэродинамике вихревого потока. Если углубляться в гидромеханику, то когда ветер проходит через мачту столба, поток видоизменяется в круговые вихри. Как только их частота становится ближе к частоте мачты, столб начинает колебаться и взаимодействовать с ветром. Это называется Вихревая Индуцированная Вибрация (VIV).

Как правило, в инженерном и архитектурном проектировании специалисты всячески избегают возникновения феномена VIV (Vortex Induced Vibration). Однако именно он обеспечивает эффективность дизайна ветрогенераторов Skybrators. Более того, их «мачты» спроектированы таким образом, чтобы достигать максимальной частоты вибраций при средней силе ветра. К тому же они способны легко адаптироваться к изменениям направления ветра и возникновению турбулентных потоков, которые нередко встречаются в городской среде. Обычные ветряные турбины с пропеллерами должны быть расположены далеко друг от друга, чтобы не мешать друг другу аэродинамически. Безлопастным ветрогенераторам не страшно влияние спутной струи. Более того, подобное взаимодействие может повысить эффективность «турбин» Skybrators.

По словам Давида Яньеса, его стартап не выступает против традиционных ветгрогенераторов. Он считает, что Skybrators могут восполнить пробелы ветроэнергетики, недоступные гигантам с лопастями. К примеру, подобные безлопастные устройства смогут преобразовывать энергию ветра в непосредственной близости от жилых зон, где размещение целой ветровой фермы не представляется возможным, а малое количество турбин будет неэффективным. В Vortex Bladeless считают, что безлопастные ветрогенераторы отлично уживутся в нише мелкомасштабных электростанций, которые обеспечивают энергией домашние хозяйства и небольшие производства. Главные достоинства технологии – уменьшение влияния ветроэнергетики на окружающую среду, минимальное изменение внешнего вида места установки подобных ветрогенераторов и сокращение расходов на их обслуживание. Имеющийся дизайн рассчитан на производство небольших объёмов электроэнергии, однако в будущем Vortex Bladeless также планируют создать промышленный вариант ветрогенераторов Skybrators высотой до 140 метров с энергетической мощностью до 1 мегаватта.

К 2030 году все дома в Великобритании будут работать на энергии ветра

Рынком для продажи турбин Skybrators могут стать такие страны как Великобритания. Руководство туманного Альбиона пообещало, что к 2030 году весь жилой сектор в стране будет обеспечиваться энергией ветра.

Премьер-министр Борис Джонсон планирует инвестировать 95 миллионов фунтов стерлингов (110,9 миллионов евро) в новые ветряные порты в Хамбере и Тиссайде. Комплексный проект он назвал «зеленой промышленной революцией».

А значит у ребят из Vortex Bladeless есть все шансы стать крупными промышленными игроками в Великобритании и не только в течение следующих нескольких десятилетий.

принцип работы необычного ветряка будущего

Содержание

1. Ветряки необычных конструкций
2. Ветрогенератор без лопастей
3. Как устроены безлопастные ветряки?
4. Принцип работы
5. Ветрогенераторы будущего
6. Рекомендуемые товары

Ветроэнергетика прочно заняла свою нишу среди других способов производства электроэнергии. Доля произведенного промышленными ветрогенераторами электротока от общего количества потребляемой энергии, например, в Дании, составляет 36%. Возможности этого метода еще не изучены полностью, а обилие новых разработок, постоянно появляющихся и демонстрируемых конструкторами, говорит о перспективности этого направления.

Слишком заманчиво производить энергию из ветра, который достается совершенно бесплатно и в неограниченном количестве. Энергия есть, ее много, надо только суметь получить.

Ветряки необычных конструкций

Согласно расчетным данным, максимально возможный КПД ветрогенератора составляет 59,3%. Причина этого кроется в особенностях конструкции ветряков и в большом количестве потерь на трение, передачу вращения и прочих тонких эффектах, в сумме отбирающих половину (а то и больше) эффективности устройств. Ограниченные возможности существующих ныне ветрогенераторов стали причиной активного поиска более удачных конструкций, работающих на иных принципах и способных к более интенсивному приему энергии ветра.

Наиболее привлекательна идея отказаться от привычных лопастей и пойти по пути использования более простых конструкций. Это позволит снизить расходы на производство и обслуживание, увеличит срок службы, снизит уровень шума и опасность для птиц и животных. Разработки, уже имеющиеся в этом направлении, сулят большие перспективы в случае их широкого распространения.

Ветрогенератор без лопастей

Безлопастные ветрогенераторы разрабатываются уже довольно давно, но дальше предложенных проектов пока дело не заходило. Наконец, испанская компания Vortex представила полноценную рабочую конструкцию ветротурбины, полностью лишенной лопастей.

Вариант, предложенный Vortex, вызвал немалый интерес среди представителей научных и деловых кругов. Учитывая скептицизм, который принято испытывать по отношению к различным «непонятным» конструкциям, подобное отношение наглядно демонстрирует наличие проблемы и существование серьезной заинтересованности в ее решении.

Существуют и другие безлопастные конструкции, например, парусные ветряки, не имеющие вращающихся частей, а использующие силу давления ветра на сплошное полотно. Поток, взаимодействующий с парусом, используется полностью, но велики потери при передаче энергии на систему поршней, от которых приводится во вращение генератор. Кроме того, сильный порыв ветра создает большую нагрузку на полотно, что создает угрозу разрушения или опрокидывания мачты с ветряком.

Все имеющиеся до сего времени варианты конструкции безлопастных ветрогенераторов имели общий недостаток — они использовали для производства энергии обычные тихоходные генераторы, нуждающиеся во вращении. Поэтому любая разработка имела один и тот же проблемный узел — участок преобразования полученной энергии во вращательное движение.

Специалисты Vortex, похоже, нащупали способ решения проблемы, отказавшись от традиционных генераторов.

Как устроены безлопастные ветряки?

Конструкция, которую вынесли на суд общественности инженеры Vortex, по их заверениям, имеет большую эффективность, экономичность, экологическую чистоту. Внешне устройство выглядит необычно и несколько футуристически — ветряк представляет собой вытянутый конус, установленный на вершину.

Определить на вид предназначение такого сооружения невозможно, если заранее не иметь о нем никакого представления. При работе никакого вращения нет, устройство лишь слегка раскачивается под действием ветра. Компания планирует начинать массовое производство с небольших моделей, имеющих вес 10 кг, высоту 3 м и развивающих мощность 100 Вт. Параллельно разработана более солидная установка на 4 кВт, имеющая 13 м высоты и вес 100 кг.

В ближайшее время предстоит тестовый запуск станции из 100 столбов, которые будут обеспечивать электроэнергией 300 частных домов в Шотландии. В планах компании проект создания мегаваттной установки, способной обеспечивать энергией серьезные количества потребителей в масштабе больших городов, крупных промышленных предприятий. Проект получил широкую поддержку экологических организаций и общественных движений.

Принцип работы

Действие генератора основано на образовании воздушных завихрений, которые создаются при обтекании потоками ветра цилиндрических препятствий. Конусообразная форма устройства способствует раскачиванию, чувствительность к нарушению равновесия является важным показателем работы ветряка.

Образующиеся вихри создают достаточно сильную вибрацию, приводящую в движение всю конструкцию столба, на изменение положения реагируют чувствительные магниты, создающие сильное поле. Эффект образования завихрений, создающих цепочки возмущений потока, известен уже более 100 лет. Он впервые описан и рассчитан Теодором фон Карманом в 1912 году, но на пользу его никто не пытался обратить.

Воздушные завихрения, использованные в основе конструкции, до сих пор считались вредными паразитными проявлениями. Их влияние способно к серьезным воздействиям на конструкцию, что наглядно продемонстрировал мост Такома-Нарроуз в Америке, который разрушился из-за таких колебаний. Подобных примеров, приведших к сильной раскачке мостовых конструкций, можно привести достаточно много. Ветрогенератор, предложенный компанией Vortex, является первой попыткой направить эти силы на пользу.

Испытания, проведенные специалистами, показали, что наилучшие показатели достигаются при использовании нескольких установок, расположенных неподалеку друг от друга. Колебания, инициированные первым столбом, улавливаются второй конструкцией, усиливаются и направляются дальше — нарастающей. Такая способность натолкнула конструкторов на мысль о необходимости использовать не отдельные устройства, а комплекты, дающие сильный эффект, производящие большее количество энергии.

Ветрогенераторы будущего

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

Исследователи, конструкторы не хотят мириться с недоступностью дармовой, неисчерпаемой энергии ветра, использование которой позволяет отказаться от опасных или вредных для окружающей природы атомных или гидроэлектростанций.

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

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

Рекомендуемые товары

Как вам статья?

Хорошие вибрации: безлопастные турбины могут принести энергию ветра в ваш дом | Возобновляемая энергия

Гигантские ветряные электростанции, расположенные вдоль холмов и береговых линий, — не единственный способ использовать силу ветра, говорят пионеры зеленой энергетики, которые планируют заново изобрести энергию ветра, отказавшись от турбинных башен, лопастей и даже ветра.

«Мы не против традиционных ветряных электростанций, — говорит Дэвид Яньес, изобретатель Vortex Bladeless. Его стартап из шести человек, базирующийся недалеко от Мадрида, впервые разработал конструкцию турбины, которая может использовать энергию ветра без широких белых лопастей, которые считаются синонимом энергии ветра.

Проект недавно получил одобрение норвежской государственной энергетической компании Equinor, которая включила Vortex в список 10 самых интересных стартапов в энергетическом секторе. Equinor также предложит поддержку в разработке стартапов в рамках своей программы акселерации технологий.

Безлопастные турбины высотой 3 метра представляют собой цилиндр с изогнутой вершиной, закрепленный вертикально эластичным стержнем. Неискушенному глазу кажется, что он покачивается взад-вперед, мало чем отличаясь от игрушки на приборной панели автомобиля. На самом деле он предназначен для колебаний в диапазоне ветра и выработки электроэнергии за счет вибрации.

Это уже вызвало удивление на форуме сайта Reddit, где турбину сравнили с гигантской вибрирующей секс-игрушкой или «скайбратором». Безошибочно узнаваемый фаллический дизайн привлек более 94 000 оценок и 3 500 комментариев на сайте. Комментарий с самым высоким рейтингом предполагает, что подобное устройство можно найти в ящике комода вашей матери. Он получил 20 000 положительных оценок от пользователей Reddit.

«Наша технология имеет различные характеристики, которые могут помочь заполнить пробелы, где традиционные ветряные электростанции могут быть неуместны», — говорит Яньес.

Эти пробелы могут включать городские и жилые районы, где влияние ветряной электростанции будет слишком велико, а место для ее строительства будет слишком маленьким. Это связано с той же тенденцией к установке небольших электростанций на месте, что помогло домам и компаниям по всей стране сэкономить на счетах за электроэнергию.

Это может быть ответом энергии ветра на домашнюю солнечную панель, говорит Яньес.

«Они хорошо дополняют друг друга, потому что солнечные батареи производят электричество днем, а ночью скорость ветра выше», — говорит он. «Но главное преимущество технологии заключается в снижении ее воздействия на окружающую среду, визуальное воздействие и стоимость эксплуатации и обслуживания турбины».

Турбина не представляет опасности для миграции птиц или диких животных, особенно при использовании в городских условиях. Для людей, живущих или работающих поблизости, турбина будет создавать шум на частоте, практически незаметной для человека.

«Сегодня турбина маленькая и вырабатывает небольшое количество электроэнергии. Но мы ищем промышленного партнера, чтобы расширить наши планы до 140-метровой турбины мощностью 1 мегаватт», — говорит Яньес.

Vortex — не единственный стартап, надеющийся заново изобрести энергию ветра. Alpha 311, которая началась в садовом сарае в Уитстабле, Кент, начала производство небольшой вертикальной ветряной турбины, которая, как утверждается, может генерировать электричество без ветра.

Двухметровая турбина, изготовленная из переработанного пластика, предназначена для установки на существующих уличных фонарях и вырабатывает электроэнергию, поскольку проезжающие автомобили вытесняют воздух. Независимое исследование, проведенное по заказу компании, показало, что каждая турбина, установленная вдоль автомагистрали, может генерировать столько же электроэнергии, сколько 20 кв. м солнечных батарей, что более чем достаточно для поддержания работы уличного освещения и питания местной энергосистемы.

Уменьшенная версия турбины высотой менее 1 метра будет установлена ​​на O2 Arena в Лондоне, где она поможет вырабатывать чистую электроэнергию для 9миллионов человек, которые посещают развлекательное заведение в обычный год.

«Хотя наши турбины можно разместить где угодно, оптимальное расположение — рядом с шоссе, где их можно установить на существующей инфраструктуре. Нет необходимости что-либо выкапывать, поскольку их можно прикрепить к уже имеющимся осветительным колоннам и использовать существующие кабели для подачи непосредственно в сеть», — говорит Майк Шоу, представитель компании. «Территория небольшая, а автомагистрали не совсем красивые места».

Возможно, самое амбициозное отклонение от стандартной ветровой турбины появилось у немецкого стартапа SkySails, который надеется использовать воздушную конструкцию для использования энергии ветра прямо с неба.

SkySails производит большие полностью автоматизированные воздушные змеи, предназначенные для полетов на высоте 400 метров, чтобы поймать силу высотного ветра. Во время всплытия кайт тянет за веревку, привязанную к лебедке и генератору на земле. Воздушный змей вырабатывает электричество, когда поднимается в небо, и, когда он полностью раскручен, использует лишь часть выработанного электричества, чтобы лебедкой вернуться к земле.

Стефан Рэйдж, исполнительный директор SkySails, говорит, что бортовые ветроэнергетические системы означают, что «воздействие на людей и окружающую среду минимально… Системы работают очень тихо, практически не влияют на ландшафт и едва отбрасывают тень». он добавляет.

Сегодня проект может генерировать максимальную мощность от 100 до 200 киловатт, но новое партнерство с немецкой энергетической компанией RWE может увеличить потенциальную мощность с киловатт до мегаватт. Представитель RWE сказал, что в настоящее время пара ищет идеальное место для запуска воздушных змеев в сельской местности Германии.

Нет лезвий! Ветряная турбина в форме шеста Vortex Bladeless вырабатывает энергию за счет тряски.| 2022 Bridgestone World Solar Challenge

Vortex Bladeless, безлопастная ветряная турбина в форме полюса, была разработана испанским стартапом Vortex Bladeless Ltd. Высокотехнологичный генератор простой формы защищен шестью семействами зарегистрированных патентов.

В настоящее время компания занимается созданием прототипа для коммерциализации во второй половине 2020 года по цене около 200 евро (около 25 000 иен). Генератор предназначен для использования на сельскохозяйственных угодьях и в жилых районах.

Генерация энергии с помощью явления завихрения

Вихрь Bladeless вибрирует, используя энергию, содержащуюся в его вихрях, которые генерируются, когда ветер обходит конструкцию и преобразует механическую энергию в электричество.

Начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра 3 м/с, типичной для городских районов. Когда скорость ветра составляет 6 м/с или достаточно, чтобы поднять пыль и раскачивать небольшие ветки, он может генерировать достаточную мощность. Поскольку он работает при низких и средних скоростях ветра, он энергоэффективен, производя такое же количество энергии при стоимости на 45% ниже, чем у обычного 3-лопастного ветряка.

Ветрогенератор дополнительно оснащен предохранительным устройством для автоматического прекращения работы при скорости ветра выше 30-35 м/с, максимальной скорости, с которой может работать генератор.

Простая форма для экономичности, безвредности для дикой природы и низкого уровня шума

Vortex Bladeless разработан для решения проблем традиционных ветряных турбин, таких как эксплуатационные расходы, шум и воздействие на птиц. Благодаря простой форме и малому весу (15 кг) снижаются материальные затраты. Для него не требуется гондола или лопасти, которые являются самыми дорогими частями обычного ветряного двигателя, а производственные затраты оцениваются примерно в 53% от стоимости производства обычного ветряного двигателя.

Поскольку лопастей нет, турбина не издает слышимого шума (частота ниже 20 Гц), нет шансов зацепить летящие предметы в плохую погоду или убить птиц и летучих мышей лопастями.

Еще одна замечательная особенность заключается в том, что магниты, размещенные в цилиндре, отталкиваются друг от друга, а движущиеся части не касаются друг друга. Таким образом, почти нет повреждений, вызванных износом и трением, что снижает затраты на техническое обслуживание. По расчетам компании, срок службы генератора составляет от 32 до 9 часов.6 лет.

Три модели в разработке

Vortex Bladeless в настоящее время разрабатывается для трех разных моделей, два из этих прототипов уже находятся в эксплуатации.

Первый в эксплуатации Vortex Nano. При высоте 1 м и выходной мощности 3 Вт эта небольшая модель эффективно вырабатывает электроэнергию, работая от солнечных батарей. Второй — Вортекс Такома. Модель высотой 2,75 м с выходной мощностью 100 Вт предназначена для использования в жилых и сельскохозяйственных угодьях.

Vortex Atlantis/Grand, находящийся на стадии прототипа, имеет высоту от 9 до 13 м и выходную мощность около 1 кВт. Модель предназначена для бытового/сельского самостоятельного производства и установки на заводах.

Разработка продукта на основе видеоролика

Компания Vortex Bladeless Ltd. была основана в 2012 году Давидом Яньесом и Раулем Мартином. Видео вдохновило их на разработку генератора.

Это было видео моста Такома-Нарроуз в США, который рухнул в 1940, показывающий, как частота моста резонировала с частотой вихрей, вызванных высокоскоростным ветром, что привело к его обрушению. Дэвиду пришла в голову идея сделать устройство, которое вырабатывает энергию, используя энергию, содержащуюся в вихрях.

Его идея была высоко оценена и привлекла государственное финансирование Центра развития промышленных технологий (CDTI). Компания начала сотрудничество с Массачусетским технологическим институтом и Гарвардским университетом. В июне 2015 года они запустили успешную краудфандинговую кампанию по найму инженеров, необходимых для продвижения проекта.