Вертикальні вітрові турбіни

Якщо в даний час існує безліч більш просунутих способів отримання енергії, то раніше практично всюди використовувалися вітрові турбіни. Звичайно, вони використовуються і зараз, але кількість значно скоротилася. Щоб зрозуміти принцип їх роботи, важливо знати, що вітер - це форма сонячної енергії.

Загальний опис

Вітрові турбіни працюють, використовуючи потоки вітру. Але чому саме вітер здатний дати електроенергію? Це явище виникає з-за того, що відбувається нерівномірне нагрівання атмосфери землі, структура поверхні планети нерегулярна, а також тому, що вона обертається. Вітрові турбіни, або вітрогенератори, здатні перетворювати кінетичну енергію вітру в механічну, яку згодом можна використовувати для деяких інших завдань.


Саме ці пристрої виробляють електричну енергію, використовуючи звичайний вітер? Насправді все досить просто. Принцип роботи такий турбіни прямо протилежний роботі вентилятора. Під дією сили вітру, вітрової турбіни обертаються лопаті, які, в свою чергу, змушують обертатися вал, з'єднаний з генератором, що виробляє електричну енергію.

Типи турбін

Існує декілька різноманітних типів турбін. Інженери виділяють дві основні категорії, що використовуються в даний час. Перша категорія - горизонтально-осьові, а друга категорія - вертикально-осьові. Перший вид вітрових турбін має саму звичайну конструкцію, що включає в себе дві або три лопаті. Агрегати з трьома лопатями працюють за принципом "проти вітру". Самі ж елементи встановлені так, що дивляться на вітер.


Одна з найбільш великих турбін у всьому світі - це GE Wind Energy. Потужність цього пристрою - 36 мвт. Тут варто зазначити, що чим більше турбіна, тим вона ефективніше. До того ж співвідношення користі і ціни також покращується із збільшенням розміру агрегату.

Загальні показники турбін

Перший показник, за яким вибирається пристрій, - це потужність. Якщо брати "сервісні" турбіни, то їх потужність може починатися від 100 кВт і досягати декількох мВт. Також важливо відзначити, що і вертикальні вітрові турбіни, і горизонтальні можуть бути зібрані в групи. Такі групи найчастіше називають вітряними фермами. Призначення таких ділянок - це оптова поставка електроенергії до потрібного об'єкту. Якщо говорити про невеликих поодиноких турбінах, потужність яких менша ніж 100 кВт, то вони використовуються найчастіше для постачання електрикою приватних будинків, телекомунікаційних антен або ж для подачі енергії на водоперекачивающие насоси. Варто відзначити, що невеликі за своїми розмірами турбіни також можуть використовуватися у комплекті з дизельними генераторами, акумуляторами або сонячними батареями. Така система отримала назву гібридної. Використовуються вони в тих місцях, де немає іншої можливості для підключення до електричної мережі.

Переваги вертикальних турбін

В даний час набагато частіше використовується саме вертикальний тип пристроїв. Це обґрунтовано тим, що вертикальний тип володіє рядом переваг перед горизонтальними.
На вишки вертикального типу навантаження буде діяти більш рівномірно, що дає таку можливість, як більш просте створення більшої, по своїм габаритам, конструкції. До того ж для встановлення ротора на такий тип турбіни немає необхідності в додатковому обладнанні. Важливою перевагою, що підвищує ефективність роботи, стало те, що лопаті вертикальних турбін можна зробити закрученими - у вигляді спіралі. Це дуже важливо, так як в цьому випадку енергія вітру буде впливати і на вході, і на виході, що, звичайно ж, збільшує ефективність установки. Одним з найважливіших переваг вертикальних турбін стало те, що при їх установці немає сенсу в налаштуванні осі на потік вітру. Такий тип пристроїв буде працювати при потоці вітру, дующем з будь-якою з сторін.

Вітрова роторна турбіна Болотова

Дана установка виділяється на тлі інших пристроїв. Для нормальної роботи турбіни немає потреби у пристосуванні її до різного роду погодних умов. Вітросилові елемент цієї конструкції здатний сприймати вітер з будь-якої із сторін, без проведення будь-яких настроювальних операцій. До того ж, такий тип станції не вимагає повороту башти при зміні напрямку вітру. Ще одна перевага вертикальних вітрових турбін (VAWT - вітроелектростанція з вертикально розташованим валом генератора) у тому, що вони володіють спеціальною конструкцією, що дозволяє працювати з вітряними потоками будь-якої потужності. Можлива робота при штормових поривів. Є можливість вибору кількості завантажувальних модулів. Від їх кількості буде залежати вихідна потужність турбіни. Тобто, змінюючи кількість модулів, можна змінювати потужність агрегату, що дуже зручно. Ще одна з переваг полягає в тому, що вітросилові елемент конструкції зібраний таким чином, що дозволяє проводити перетворення з високим ККД кінетичної енергії в механічну.

Розміри вітрової турбіни Бірюкова і Блінова

Даний пристрій володіє двоповерховим ротором з діаметром 075 м. Висота цього елемента - 2 м. При дії свіжого вітру, такий ротор був здатний повністю розкрутити ротор асинхронного валу з потужністю до 12 кВт. Турбіна могла витримувати силу вітру без поломок до 30 м/с.
Варто розповісти про те, чому вітрова установка вважається досягненням двох вчених. Вся справа в тому, що в 60-х рр. в СРСР вчений Бірюков запатентував карусельний вітровий генератор з КВЕВ 46%. Однак дещо пізніше інженер Млинців зміг використовувати ту ж саму конструкцію, але вже з показником 58% КВЕВ.

Турбіни гіперболоїдних виду

В основу вітрових турбін гіперболоїдних типу лягли ідеї такого інженера, як Володимир Григорович Шухов. До особливостей цього типу турбіни можна віднести те, що вона володіє більшою робочою зоною вітрового потоку. Якщо порівнювати цей показник з іншими категоріями пристроїв, то гіперболоїдних тип показує результати на 7-8% краще, якщо рахувати від ометаєму площі. Цей показник справедливий для тих типів, у яких робоча зона вітрового потоку крыльчатая. Якщо порівнювати такий тип, наприклад, з турбінами Дар'є та Савоніуса, то різниця буде в 40-45%. До особливим властивостям цієї категорії агрегатів також варто віднести і те, що вони здатні працювати і з висхідними потоками повітря. Це дуже продуктивно, якщо встановити генератор біля озера, болота, на схилі пагорба і т. д. До плюсів таких турбін відноситься і те, що лінія контакту активного шару повітря, який омиває гіперболоїд, буде довшим в 16 рази, ніж у аналогічного циліндра, що обертається як вітрогенератор роторного типу. Природно, звідси висновок, що коефіцієнт корисної дії буде більше у стільки ж разів.

Недоліки

Незважаючи на безліч плюсів і особливостей цих турбін, у них є і ряд деяких недоліків. До негативних факторів варто віднести те, що при обертанні лопатей генератора проти вітряних потоків, цей тип генератора буде нести істотні втрати, що, в свою чергу, призведе до зниження ефективності роботи приблизно в два рази. Зниження цього показника дуже помітно, якщо порівнювати вертикальні турбіни з горизонтальними, які таких втрат не мають. Ще одним недоліком стане і те, що вертикальний вітрогенератор повинен бути дуже довгим. Якщо розташувати його близько до землі, де швидкість вітру значно нижче, ніж на великій висоті, то можуть бути проблеми з запуском ротора, якому потрібен поштовх для початку роботи. Сам по собі він ніяк не запускається. Можна, звичайно, встановлювати спеціальні вежі, щоб підняти лопаті вище, однак нижня частина ротора все одно буде перебувати занадто низько. До інших недоліків можна віднести те, що взимку на лопатях вітрогенераторів будуть утворюватися бурульки. Також варто відзначити велику кількість шуму, який видають турбіни при роботі. Деякі з установок навіть здатні виробляти при своїй роботі шкідливий інфразвук. Він викликає вібрацію, з-за чого можуть деренчати скла, вікна, посуд. Цікавий факт: вітрові турбіни в RimWorld використовувалися як джерело енергії.