Нетрадиционные ветряные турбины
Нетрадиционные ветряные турбины — это те, которые существенно отличаются от наиболее распространенных в использовании типов.
По состоянию на 2012 год [update], наиболее распространенным типом ветряной турбины является трехлопастная ветряная турбина с горизонтальной осью, направленная против ветра (HAWT), где ротор турбины находится в передней части гондолы и обращен к ветру вверх по потоку от опорной башни турбины . Вторым основным типом агрегатов является ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT) с лопастями, направленными вверх и поддерживаемыми вращающейся рамой.
В связи с бурным развитием ветроэнергетической отрасли существует множество конструкций ветряных турбин , которые находятся в разработке или были предложены. Разнообразие конструкций отражает постоянный коммерческий, технологический и изобретательский интерес к более эффективному и большему использованию ветровых ресурсов.
Некоторые нетрадиционные конструкции вошли в коммерческое использование, тогда как другие только были продемонстрированы или представляют собой лишь теоретические концепции. Нетрадиционные конструкции охватывают широкий спектр инноваций, включая различные типы роторов, базовые функции, несущие конструкции и форм-факторы.
Горизонтальная ось
[ редактировать ]Двухлопастной ротор
[ редактировать ]Почти во всех современных ветряных турбинах используются роторы с тремя лопастями, но в некоторых используются только две лопасти. Этот тип использовался в Кайзер-Вильгельм-Коог , Германия, где с 1983 по 1987 год эксплуатировалась большая экспериментальная двухлопастная установка — GROWIAN , или Große Windkraftanlage (большая ветряная турбина). Другие прототипы и типы ветряных турбин были изготовлены компанией НедВинд. в Ветряной парк Эммердейк Зеволде , Нидерланды, использует только двухлопастные турбины. Ветровые турбины с двумя лопастями производят компании Windflow Technology , Mingyang Wind Power , GC China Turbine Corp и Nordic Windpower . [1] Каждая из ветряных турбин НАСА (1975–1996 гг.) имела двухлопастные роторы, производившие ту же энергию с меньшими затратами, чем конструкции трехлопастных роторов.
Подветренный ротор
[ редактировать ]Почти все ветряные турбины размещают ротор перед гондолой, когда дует ветер (конструкция против ветра). В некоторых турбинах ротор размещается за гондолой (конструкция с подветренной стороны). Преимущество этой конструкции заключается в том, что турбину можно пассивно выравнивать по ветру, что снижает затраты. Основным недостатком является то, что нагрузка на лопатки меняется по мере прохождения за башней, увеличивая усталостную нагрузку и потенциально вызывая резонансы в других конструкциях турбины.
Канальный ротор
[ редактировать ]Исследовательский проект, [2] Ротор с каналом состоит из турбины внутри канала, расширяющегося сзади. Их также называют ветряными турбинами с диффузором (т.е. DAWT). Его главное преимущество заключается в том, что он может работать в широком диапазоне ветров и генерировать более высокую мощность на единицу площади ротора. Еще одним преимуществом является то, что генератор работает с высокой скоростью вращения, поэтому ему не требуется громоздкий редуктор , что позволяет сделать механическую часть меньше и легче. Недостатком является то, что (кроме редуктора) он сложнее некорпусного несущего винта и вес воздуховода увеличивает вес башни. Эолиенн Болле является примером DAWT.
Коаксиальный, мультироторный
[ редактировать ]Два или более ротора могут быть установлены на один приводной вал, при этом их совместное вращение вместе вращает один и тот же генератор: свежий ветер подается на каждый ротор за счет достаточного расстояния между роторами в сочетании с углом смещения (альфа) от направления ветра. Завихренность следа восстанавливается, когда верхняя часть следа достигает нижней части следующего ротора. Мощность была увеличена в несколько раз с использованием коаксиальных многороторных турбин в ходе испытаний, проведенных изобретателем и исследователем Дугласом Селсамом в 2004 году. Первой коммерчески доступной коаксиальной многороторной турбиной является запатентованная двухроторная американская супертурбина от Selsam Innovations в Калифорнии. с двумя гребными винтами, разделенными 12 футами. Это самая мощная из имеющихся турбин диаметром 7 футов (2,1 м) из-за наличия дополнительного ротора. В 2015 году аэрокосмические инженеры Университета штата Айова Хуэй Ху и Анупам Шарма оптимизировали конструкции многороторных систем, включая коаксиальную двухроторную модель с горизонтальной осью. В дополнение к обычному трехлопастному ротору он имеет вторичный трехлопастной ротор меньшего размера, закрывающий приосевую область, которую обычно собирают неэффективно. Предварительные результаты показали прирост на 10–20%, что менее эффективно, чем заявлено в существующих конструкциях с противоположным вращением. [3]
Противовращающаяся горизонтальная ось
[ редактировать ]Когда система выталкивает или ускоряет массу в одном направлении, ускоренная масса оказывает на эту систему пропорциональную, но противоположную силу. Вращающаяся лопасть однороторной ветряной турбины вызывает значительный тангенциальный или вращательный поток воздуха. Энергия этого тангенциального потока воздуха тратится впустую в конструкции однороторного винта. Чтобы использовать эти напрасные усилия, размещение второго ротора позади первого позволяет воспользоваться нарушенным воздушным потоком и может получить до 40% больше энергии с заданной омываемой площади по сравнению с одним ротором. Другие преимущества встречного вращения включают отсутствие коробок передач и автоцентрирование по ветру (не требуются двигатели/механизмы отклонения от курса). Существует заявка на патент от 1992 года, основанная на работе, проделанной с Trimblemill. [4]
Когда турбины встречного вращения находятся на одной стороне башни, передние лопасти слегка наклонены вперед, чтобы не задевать задние. Если лопасти турбины находятся на противоположных сторонах башни, лучше всего, чтобы лопасти сзади были меньше, чем лопасти спереди, и были настроены на остановку при более высокой скорости ветра. Это позволяет генератору работать в более широком диапазоне скоростей ветра, чем однотурбинный генератор для данной башни. Чтобы уменьшить симпатические вибрации , две турбины должны вращаться со скоростями, кратными нескольким общим числам, например передаточное число 7:3. [ нужна ссылка ]
Когда площадь суши или моря для второй ветряной турбины не имеет большого значения, выигрыш в 40% от второго ротора необходимо сравнивать со 100% выигрышем за счет затрат на отдельный фундамент и башню с кабелями для второй турбины. Общий коэффициент мощности ветряной турбины с горизонтальной осью встречного вращения может зависеть от осевого и радиального смещения роторов. [5] и по размеру роторов. [6] По состоянию на 2005 год [update]Большие HAWT, вращающиеся в противоположных направлениях, на коммерческой основе не продаются.
Скручивание хвоста и скручивание лезвий
[ редактировать ]Помимо лопастей с изменяемым шагом, ветряные турбины имеют закручивающиеся хвосты и скручивающиеся лопасти. Подобно лопастям с изменяемым шагом, они также могут значительно повысить эффективность и использоваться в строительстве «сделай сам». [7]
Стиль ветряной мельницы
[ редактировать ]Нолет — ветряная турбина в Схидаме, замаскированная под ветряную мельницу .
Архимедов винт
[ редактировать ]Вместо лопастей крыла, напоминающих самолетные, конструкция напоминает винтовую турбину Архимеда — спиральную трубу, использовавшуюся в Древней Греции для перекачивания воды из более глубокого источника. [8] [9]
Безлезвийный
[ редактировать ]Пограничный слой
[ редактировать ]Пограничный слой или турбина Тесла использует пограничные слои вместо лопастей.
Одной из современных версий является турбина Фуллера. [10] Концепция аналогична стопке дисков на центральном валу, разделенных небольшим воздушным зазором. Поверхностное натяжение воздуха в небольших зазорах создает трение, вращающее диски вокруг вала. Лопасти направляют воздух для повышения производительности, поэтому он не является строго безлопастным.
Безлопастной ионный ветрогенератор
[ редактировать ]Безлопастной ионный ветрогенератор — это теоретическое устройство, которое производит электрическую энергию, используя ветер для перемещения электрического заряда от одного электрода к другому.
Пьезоэлектрический
[ редактировать ]Пьезоэлектрические ветряные турбины работают за счет изгиба пьезоэлектрических кристаллов при вращении, что достаточно для питания небольших электронных устройств. Они работают с диаметром в 10 сантиметров. [11]
Солнечная восходящая башня
[ редактировать ]Ветровые турбины могут использоваться в сочетании с солнечным коллектором для извлечения энергии из воздуха, нагретого солнцем и поднимающегося через большую вертикальную башню с восходящим потоком.
Вихрь
[ редактировать ]Устройство Vortex Bladeless максимизирует образование вихрей , используя завихренность ветра для трепетания легкого вертикального шеста, который передает эту энергию генератору в нижней части шеста. [12] [13] [14] [15] Эту конструкцию критиковали за ее эффективность в 40% по сравнению с 70% у традиционных конструкций. [16] Однако отдельные полюса можно разместить более близко друг к другу, чтобы компенсировать потери. В конструкции отсутствуют механические компоненты, что снижает затраты. Система также не угрожает жизни птиц и работает бесшумно. [17]
Сафонский
[ редактировать ]В конструкции Saphonian используется колеблющаяся тарелка, приводящая в движение поршень, который затем соединяется с генератором. [18] [19]
Луч ветра
[ редактировать ]Генератор Windbeam состоит из балки, подвешенной на пружинах внутри внешней рамы. Балка быстро колеблется под воздействием потока воздуха из-за многочисленных явлений потока жидкости. Линейный генератор переменного тока преобразует движение луча. Отсутствие подшипников и шестерен устраняет неэффективность трения и шум. Генератор может работать в условиях низкой освещенности, непригодной для установки солнечных батарей (например, в воздуховодах HVAC ). Затраты низкие благодаря дешевизне компонентов и простой конструкции. [20]
Ветровой пояс
[ редактировать ]Виндбелт представляет собой гибкий, натянутый ремень, который вибрирует от проходящего потока воздуха, за счет аэроупругого флаттера. Магнит, установленный на одном конце ремня, колеблется внутри и снаружи витков, производя электричество. Изобретатель — Шон Фрейн. [21] [22]
Воздушный
[ редактировать ]
Воздушные ветряные турбины могут работать на малых или больших высотах; они являются частью более широкого класса бортовых ветроэнергетических систем (AWES), в которых используются энергии высотного ветра и воздушного змея при боковом ветре . Ветровые турбины можно было бы запускать при высокоскоростном ветре, используя тактику высотного ветра , используя преимущества ветра на большой высоте.
Когда генератор находится на земле, привязному самолету не требуется нести массу генератора или иметь проводящий трос. Когда генератор находится наверху, то проводящий трос будет использоваться для передачи энергии на землю или использоваться наверху или передаваться на приемники с помощью микроволновой печи или лазера.
Например, система привязанных воздушных змеев [23] может улавливать энергию высотных ветров. Другая концепция использует гелиевый шар с прикрепленными к нему парусами для создания давления и вращения вокруг горизонтальной оси. Круговое движение веревок передает кинетическую энергию наземному генератору. [24]
Вертикальный
[ редактировать ]
Горлов
[ редактировать ]Винтовая турбина Горлова (GHT) представляет собой модификацию конструкции турбины Дарье , в которой используются винтовые лопатки/фольги. [25] [26]
Закрытые лезвия
[ редактировать ]В одной конструкции для запуска генератора используется множество нейлоновых лезвий. Его постоянные магниты находятся на кончиках лопастей, а статор представляет собой кольцо снаружи лопастей. [27]
H-ротор
[ редактировать ]Гиромельница представляет собой турбину с вертикальной осью, которая вращает одну лопасть в одном направлении, а другую - в противоположном. Следовательно, одновременно работает только одно лезвие. Его эффективность низкая. [28]
Ветряная турбина с вращающимся крылом VAWT
[ редактировать ]Ветровые турбины с вращающимся крылом или ветряные турбины с вращающимся крылом представляют собой новую категорию ветровых турбин с вертикальной осью подъемного типа (VAWT), в которых используется 1 вертикально стоящий неспиралевидный аэродинамический профиль для создания вращения на 360 градусов вокруг вертикального вала, проходящего через центр ветротурбины. аэродинамический профиль.
O-Ветровая турбина
[ редактировать ]Всенаправленная турбина, использующая принцип Бернулли для выработки энергии с использованием ветра любого направления. Конструкция сферическая с множеством каналов по поверхности, перепад давления вызывает вращение. Дизайн получил премию Джеймса Дайсона 2018. [29] [30]
Вращающееся лезвие
[ редактировать ]Airloom разрабатывает турбину, в которой используются вертикальные лопасти, которые движутся по овальной дорожке. Высота системы 25 метров. Система является модульной: можно добавлять отвалы и соответствующим образом регулировать длину гусеницы. Поставщик заявил, что приведенная стоимость электроэнергии составляет треть стоимости обычных турбин. Конструкция представляет собой наземный эквивалент воздушной турбины с фиксированной траекторией. Система может быть установлена и введена в эксплуатацию в течение одного дня. [31]
Компоненты
[ редактировать ]ИНВЕЛОКС
[ редактировать ]Технология INVELOX компании SheerWind была разработана доктором Дариушем Аллаи. Изобретение улавливает и подает ветер в турбину. В каком-то смысле INVELOX — это система впрыска топлива, очень похожая на систему впрыска топлива в автомобилях. Он работает за счет ускорения ветра. Большой воздухозаборник улавливает ветер и направляет его в концентратор, который заканчивается секцией Вентури и, наконец, ветер выходит из диффузора. Турбина(ы) размещаются внутри секции Вентури INVELOX. Внутри Вентури динамическое давление высокое, а статическое давление низкое. Турбина преобразует динамическое давление или кинетическую энергию в механическое вращение и, следовательно, в электрическую энергию с помощью генератора. [32] [33] Устройство было построено и протестировано, но подверглось критике за недостаточную эффективность. [34] По состоянию на 2017 год [update], устанавливаются прототипы. [35] [36]
Приложения
[ редактировать ]Крыша
[ редактировать ]Ветровые турбины могут быть установлены на крышах зданий. Примеры включают Мартален Ланди-Сило в Швейцарии, Дом Совета 2 в Мельбурне , Австралия . Ridgeblade в Великобритании представляет собой вертикальную ветряную турбину, установленную на боку на вершине скатной крыши. Еще один пример, установленный во Франции, — Aeolta AeroCube. Discovery Tower — офисное здание в Хьюстоне , штат Техас , в котором расположены 10 ветряных турбин.
Музей науки в Бостоне, штат Массачусетс, начал строительство лаборатории ветряных турбин на крыше в 2009 году. [37] Лаборатория тестирует девять ветряных турбин пяти разных производителей. Ветряные турбины на крыше могут страдать от турбулентности, особенно в городах, что снижает выходную мощность и ускоряет износ турбины. [38] Лаборатория стремится решить проблему общего отсутствия данных о производительности городских ветряных турбин. [37]
Из-за структурных ограничений зданий, ограниченного пространства в городских районах и соображений безопасности строительные турбины обычно имеют небольшие размеры (мощностью всего несколько киловатт ). Исключением является Всемирный торговый центр Бахрейна с тремя ветряными турбинами мощностью 225 кВт, установленными между небоскребами-близнецами.
Движимый трафиком
[ редактировать ]
Предложения призывают к выработке электроэнергии из энергии тяги, создаваемой движением транспорта. [39] [40]
Образование
[ редактировать ]Некоторые объекты установили центры для посетителей на основаниях турбин или предоставили смотровые площадки. [41] Сами ветряные турбины, как правило, имеют традиционную конструкцию, но выполняют нетрадиционные функции демонстрации технологий, связей с общественностью и образования.
См. также
[ редактировать ]- ЭВИКОН
- Компактная ветроускорительная турбина
- Мощность воздушного змея при боковом ветре
- Ветряная турбина Савониуса
- Ветряная турбина с вертикальной осью
- Ветровая линза
- Нетрадиционная нефть
- Нетрадиционный газ
Ссылки
[ редактировать ]- ^ NedWind Rhenen bV NW 43/500 (Турбина). Архивировано 7 марта 2013 г. на веб-сайте Wayback Machine , Nedwind. Проверено 27 января 2013 г.
- ^ «Сайт Uni-Stuttgart.de» . Архивировано из оригинала 25 октября 2006 года.
- ^ «Инженеры штата Айова изучают преимущества добавления второго ротора меньшего размера к ветряным турбинам – Служба новостей – Университет штата Айова» . www.news.iastate.edu .
- ^ (WO1992012343) Ветряная турбина , веб-сайт Patentscope, 1992.
- ^ Хэтьей, Чаба; Шливка, Ференц (30 апреля 2021 г.). «Оптимизация компоновки двухроторной ветряной турбины встречного вращения» . Акта Политехника . 61 (2): 342–349. дои : 10.14311/AP.2021.61.0342 . hdl : 10467/98345 . ISSN 1805-2363 .
- ^ Хэтьей, Чаба; Шливка, Ференц (20 декабря 2020 г.). «Оптимизация размера ротора двухроторной ветряной турбины встречного вращения» . Обзор наук о безопасности и защищенности . 2 (4): 89–104. ISSN 2676-9042 .
- ^ Ветряные турбины с закручивающимся хвостом (стр. 18) PDF
- ^ «Является ли эта странная на вид ветряная турбина самой эффективной, которую вы можете купить?» . Вашингтон Пост . Проверено 19 февраля 2022 г.
- ^ «StarWind, ветряная турбина, монтируемая на крыше» . Ютуб . Проверено 19 февраля 2022 г.
- ^ «Практически бесшумные, полностью закрытые, безлопастные ветряные турбины уже в пути» . newatlas.com . 7 мая 2010 г.
- ^ «Описание нескольких типов ветряных турбин – в том числе пьезоэлектрических» . Архивировано из оригинала 14 мая 2008 г. Проверено 5 марта 2008 г.
- ^ Сэм Дэвис. «Ветрогенератор без лопастей» .2015.
- ^ Фил МакКенна. «Безлопастные ветряные турбины могут предложить больше формы, чем функции» .2015.
- ^ Лиз Стинсон. «Будущее ветряных турбин? Никаких лопастей» .2015.
- ^ Кларк, Крис (15 мая 2015 г.). «Наверное, вам следует скептически относиться к этой безлопастной ветряной турбине» . КСЭТ .
- ^ Маккенна, Фил (15 мая 2015 г.). «Почему у безлопастной ветряной турбины есть скептики» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 28 февраля 2019 г.
- ^ Стинсон, Элизабет (15 мая 2015 г.). «Будущее ветряных турбин? Никаких лопастей» . Проводной . ISSN 1059-1028 . Проверено 28 февраля 2019 г.
- ^ «Сафонская безлопастная турбина может похвастаться впечатляющей эффективностью и низкой стоимостью» . newatlas.com . 8 ноября 2012 г.
- ^ Кларк, Крис (12 декабря 2013 г.). «Безлопастная ветряная турбина слишком хороша, чтобы быть правдой?» . КСЭТ .
- ^ «Zephyr Energy | Windbeam | | Запатентованный Zephyr Energy Corporation микрогенератор Windbeam улавливает энергию воздушного потока для подзарядки батарей и питания электронных устройств. Zephyr Energy | Windbeam | | Запатентованный Zephyr Energy Corporation микрогенератор Windbeam улавливает энергию воздушного потока для подзарядки батарей и питания электронных устройств. " .
- ^ Уорд, Логан. Windbelt, Дешевая альтернатива генератору, обеспечивающая питание третьего мира. Архивировано 21 апреля 2009 г. на веб-сайте Wayback Machine , Popular Mechanics , 1 октября 2007 г.
- ^ Софге, Эрик. Шон Фрейн совершает еще один скачок в ветроэнергетике: обновление победителя прорыва , веб-сайт Popular Mechanics , 18 декабря 2009 г.
- ^ «Kite Energy в KiteEnergySystems» . www.kiteenergysystems.com .
- ^ Михаилидис, Яннис (9 января 2023 г.), High-Altitude-Wind-Turbine-Concept , получено 22 февраля 2023 г.
- ^ А. М. Горлов , Однонаправленная винтовая реактивная турбина, работающая при реверсивном потоке жидкости для энергетических систем , Патент США 5,451,137 , 19 сентября 1995 г.
- ^ А. М. Горлов , Способ поддержания флотации с использованием узла винтовой турбины , Патент США № 6,253,700 , 3 июля 2001 г.
- ^ Виндтроника]
- ^ С. Бруска, Р. Ланцафаме, М. Мессина. «Проектирование ветряной турбины с вертикальной осью: как соотношение сторон влияет на производительность турбины» . 2014.
- ^ «О-Ветряная турбина» . Премия Джеймса Дайсона . Проверено 21 мая 2019 г.
- ^ Смитерс, Ребекка (5 сентября 2018 г.). «Инновационная «вращающаяся» ветряная турбина получила награду UK Dyson» . Хранитель . ISSN 0261-3077 . Проверено 21 мая 2019 г.
- ^ Хэнсон, Карен (20 ноября 2023 г.). «Генеральный директор Airloom: Малая ветряная турбина работает как американские горки» . ЭЭ Сила . Проверено 17 февраля 2024 г.
- ^ Маккенна, Фил (3 декабря 2012 г.). «Канальные ветряные турбины: меняют правила игры в энергетике?» . Обзор технологий Массачусетского технологического института .
- ^ «SheerWind, меняя курс производства электроэнергии» . Архивировано из оригинала 7 февраля 2015 г. Проверено 22 апреля 2019 г.
- ^ «Шервинд Инвелокс: сплошная шумиха, никакого содержания» . ЧистаяТехника . 8 июля 2014 года . Проверено 24 сентября 2016 г.
- ^ «Странная конструкция в Форт-Кастере использует энергию ветра» . WWMT . 16 марта 2016 года . Проверено 20 января 2017 г.
- ^ «Новости – NedpowerSWH» . НедповерСВХ . 28 февраля 2016 г. Проверено 20 января 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Новая лаборатория ветряных турбин на крыше в США» . Мир возобновляемых источников энергии. 01.06.2009 . Проверено 7 июля 2009 г.
- ^ Лик, Джонатан (16 апреля 2006 г.). «Домашние ветряки нанесли смертельный удар» . Лондон: Санди Таймс . Проверено 13 июля 2009 г.
- ^ «Система производства электроэнергии, использующая ветровую тягу от движения транспортных средств» .
- ^ «Дизайн придорожной ветряной турбины Дарье, разработанный Марком Оберхольцером» . Архивировано из оригинала 17 августа 2009 г. Проверено 1 сентября 2009 г.
- ^ Янг, Кэтрин (3 августа 2007 г.). «Канадские ветряные электростанции сдувают турбинных туристов» . Эдмонтонский журнал . Архивировано из оригинала 25 апреля 2009 г. Проверено 6 сентября 2008 г.
