Нетрадиционные ветровые турбины

Нетрадиционные ветряные турбины — это те, которые существенно отличаются от наиболее распространенных типов.

По состоянию на 2012 год ^{[обновлять]}наиболее распространенным типом ветряной турбины является трехлопастная ветряная турбина с горизонтальной осью вращения (HAWT), где ротор турбины находится в передней части гондолы и обращен к ветру выше по потоку от поддерживающей ее башни турбины . Вторым основным типом агрегата является ветряная турбина с вертикальной осью вращения (VAWT), с лопастями, выступающими вверх, поддерживаемыми вращающейся рамой.

В связи с большим ростом ветроэнергетической отрасли существует, разрабатывается или было предложено множество конструкций ветровых турбин . Разнообразие конструкций отражает текущие коммерческие, технологические и изобретательские интересы в более эффективном и большем объеме сбора ветровых ресурсов.

Некоторые нетрадиционные конструкции вошли в коммерческое использование, в то время как другие были только продемонстрированы или являются лишь теоретическими концепциями. Нетрадиционные конструкции охватывают широкий спектр инноваций, включая различные типы роторов, базовые функции, опорные конструкции и форм-факторы.

Почти все современные ветровые турбины используют роторы с тремя лопастями, но некоторые используют только две лопасти. Такой тип использовался в Kaiser-Wilhelm-Koog , Германия, где большой экспериментальный двухлопастной агрегат — GROWIAN , или Große Windkraftanlage (большая ветровая турбина) — работал с 1983 по 1987 год. Другие прототипы и типы ветряных турбин были изготовлены NedWind. Ветряной парк Eemmeerdijk в Зеволде, Нидерланды, использует только двухлопастные турбины. Ветряные турбины с двумя лопастями производятся Windflow Technology , Mingyang Wind Power , GC China Turbine Corp и Nordic Windpower . ^[1] Ветряные турбины NASA (1975–1996) имели двухлопастные роторы, производя ту же энергию при меньших затратах, чем конструкции с трехлопастными роторами.

Почти все ветровые турбины размещают ротор перед гондолой, когда дует ветер (конструкция против ветра). Некоторые турбины размещают ротор за гондолой (конструкция по ветру). Преимущество этой конструкции в том, что турбину можно заставить пассивно выравниваться по ветру, что снижает стоимость. Главным недостатком является то, что нагрузка на лопасти изменяется, когда они проходят позади башни, увеличивая усталостную нагрузку и потенциально возбуждая резонансы в других конструкциях турбины.

Исследовательский проект ^[2] : ротор с каналом состоит из турбины внутри канала, который расширяется сзади. Их также называют ветряными турбинами с диффузорным усилением ( Diffuser-Augmented Wind Turbines , DAWT). Его главное преимущество в том, что он может работать в широком диапазоне ветров и генерировать более высокую мощность на единицу площади ротора. Еще одно преимущество в том, 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 (помимо редуктора) он сложнее ротора без канала, а вес воздуховода увеличивает вес башни. Éolienne Bollée является примером DAWT.

Два или более роторов могут быть установлены на одном приводном валу, при этом их совместное вращение вместе будет вращать один и тот же генератор: свежий ветер поступает 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 касается нижней части следующего ротора. Мощность была умножена в несколько раз с использованием коаксиальных, множественных роторов в испытаниях, проведенных изобретателем и исследователем Дугласом Селсамом в 2004 году. Первая коммерчески доступная коаксиальная многороторная турбина — это запатентованная двухроторная American Twin Superturbine от Selsam Innovations в Калифорнии с 2 пропеллерами, разделенными 12 футами. Это самая мощная турбина диаметром 7 футов (2,1 м) из доступных благодаря этому дополнительному ротору. В 2015 году инженеры-аэрокосмические специалисты Университета штата Айова Хуэй Ху и Анупам Шарма оптимизировали конструкции многороторных систем, включая модель коаксиального двухроторного двигателя с горизонтальной осью. В дополнение к обычному трехлопастному ротору, он имеет меньший вторичный трехлопастной ротор, охватывающий область около оси, которая обычно неэффективно собиралась. Предварительные результаты показали 10–20% прироста, что менее эффективно, чем заявлено существующими конструкциями с встречным вращением. ^[3]

Когда система выталкивает или ускоряет массу в одном направлении, ускоренная масса вызывает пропорциональную, но противоположную силу в этой системе. Вращающаяся лопасть однороторной ветровой турбины вызывает значительное количество тангенциального или вращательного воздушного потока. Энергия этого тангенциального воздушного потока тратится впустую в однороторной конструкции пропеллера. Чтобы использовать это растраченное усилие, размещение второго ротора позади первого использует преимущество возмущенного воздушного потока и может получить до 40% больше энергии с заданной охваченной площади по сравнению с одним ротором. Другие преимущества противовращения включают отсутствие коробок передач и автоматическое центрирование на ветру (не требуются двигатели/механизмы рыскания). Существует патентная заявка от 1992 года, основанная на работе, проделанной с Trimblemill. ^[4]

Когда турбины, вращающиеся в противоположных направлениях, находятся на одной стороне башни, лопасти спереди слегка наклонены вперед, чтобы не задевать задние. Если лопасти турбины находятся на противоположных сторонах башни, лучше всего, чтобы лопасти сзади были меньше лопастей спереди и устанавливались 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 ответные колебания , две турбины должны вращаться со скоростями с небольшим количеством общих кратных, например, с отношением скоростей 7:3. ^{[ необходима цитата ]}

Когда площадь суши или моря для второй ветряной турбины не является критической, 40% выигрыша со вторым ротором следует сравнить со 100% выигрышем за счет отдельного фундамента и башни с кабелями для второй турбины. Общий коэффициент мощности горизонтальной ветряной турбины с встречным вращением может зависеть от осевого и радиального смещения роторов ^[5] и от размера роторов. ^[6] По состоянию на 2005 год ^{[обновлять]}, большие HAWT с встречным вращением не продаются в коммерческих целях.

В дополнение к лопастям с переменным шагом, другими усовершенствованиями ветряных турбин являются закручивающиеся хвосты и скручивающиеся лопасти. Подобно лопастям с переменным шагом, они также могут значительно повысить эффективность и использоваться в строительстве «сделай сам». ^[7]

Де Ноле — ветряная турбина в Схидаме, замаскированная под ветряную мельницу .

Вместо крыльевых лопастей, вдохновленных самолетами, конструкция заимствована у турбины Архимеда — спиральной трубы, которая использовалась в Древней Греции для перекачивания воды из более глубокого источника. ^{[8] [9]}

Пограничный слой или турбина Теслы использует пограничные слои вместо лопаток.

Одной из современных версий является турбина Фуллера. ^[10] Концепция похожа на стопку дисков на центральном валу, разделенных небольшим воздушным зазором. Поверхностное натяжение воздуха в небольших зазорах создает трение, вращая диски вокруг вала. Лопасти направляют воздух для улучшения производительности, поэтому она не является строго безлопастной.

Безлопастной ионный ветрогенератор — это теоретическое устройство, которое вырабатывает электрическую энергию, используя ветер для перемещения электрического заряда от одного электрода к другому.

Пьезоэлектрические ветровые турбины работают, изгибая пьезоэлектрические кристаллы во время вращения, что достаточно для питания небольших электронных устройств. Они работают с диаметрами в масштабе 10 сантиметров. ^[11]

Ветровые турбины могут использоваться совместно с солнечным коллектором для извлечения энергии из воздуха, нагретого солнцем и поднимающегося через большую вертикальную восходящую башню.

Устройство Vortex Bladeless максимизирует вихреобразование , используя вихреобразование ветра для колебания легкого вертикального шеста, который передает эту энергию генератору в нижней части шеста. ^{[12] [13] [14] [15]} Конструкция подвергалась критике за ее эффективность в 40% по сравнению с 70% для обычных конструкций. ^[16] Однако отдельные шесты можно размещать ближе друг к другу, компенсируя потери. Конструкция избегает механических компонентов, что снижает затраты. Система также не угрожает жизни птиц и работает бесшумно. ^[17]

В конструкции Saphonian используется колеблющаяся тарелка для приведения в движение поршня, который затем соединяется с генератором. ^{[18] [19]}

Генератор Windbeam состоит из балки, подвешенной на пружинах внутри внешней рамы. Балка быстро колеблется под воздействием потока воздуха из-за множественных явлений потока жидкости. Линейный генератор преобразует движение балки. Отсутствие подшипников и шестерен устраняет неэффективность трения и шум. Генератор может работать в условиях низкой освещенности, неподходящих для солнечных панелей (например, воздуховоды HVAC ). Стоимость низкая из-за недорогих компонентов и простой конструкции. ^[20]

Windbelt — гибкий, натянутый ремень, который вибрирует от проходящего потока воздуха из-за аэроупругого флаттера. Магнит, установленный на одном конце ремня, колеблется в спиральных обмотках и из них, вырабатывая электричество. Изобретатель — Шон Фрейн. ^{[21] [22]}

Воздушные ветровые турбины могут работать на малых и больших высотах; они являются частью более широкого класса воздушных ветровых энергетических систем (AWES), к которым относятся высотная ветроэнергетика и кайт-энергетика с боковым ветром . Ветровые турбины могут летать при высоких скоростях ветра, используя тактику высотной ветроэнергетики, используя преимущества высотных ветров.

Когда генератор находится на земле, то привязанный самолет не должен нести массу генератора или иметь проводящий трос. Когда генератор находится в воздухе, то проводящий трос будет использоваться для передачи энергии на землю или использоваться в воздухе или передаваться на приемники с помощью микроволн или лазера.

Например, система привязанных воздушных змеев ^[23] может улавливать энергию высотных ветров. Другая концепция использует гелиевый шар с прикрепленными парусами для создания давления и вращения вокруг горизонтальной оси. Круговое движение тросов передает кинетическую энергию наземному генератору. ^[24]

Винтовая турбина Горлова (ВТГ) представляет собой модификацию конструкции турбины Дарье , в которой используются винтовые лопатки/фольги. ^{[25] [26]}

Одна конструкция использует множество нейлоновых лопастей для запуска генератора. Его постоянные магниты находятся на кончиках лопастей, в то время как статор представляет собой кольцо снаружи лопастей. ^[27]

Гиромилл — это турбина с вертикальной осью, которая вращает одну лопасть в одном направлении, а другую — в противоположном. Следовательно, в каждый момент времени работает только одна лопасть. Ее эффективность низкая. ^[28]

Ветровые турбины с вращающимся крылом или ветряные турбины с вращающимся крылом представляют собой категорию подъемных ветровых турбин с вертикальной осью вращения, которые используют один вертикально стоящий невинтовой аэродинамический профиль для создания вращения на 360 градусов вокруг вертикального вала, проходящего через центр аэродинамического профиля.

Всенаправленная турбина, которая использует принцип Бернулли для генерации энергии с помощью ветра с любого направления. Конструкция сферическая с рядом каналов по всей поверхности, разность давлений вызывает вращение. Конструкция получила премию Джеймса Дайсона 2018 года. ^{[29] [30]}

Airloom разрабатывает турбину, которая использует вертикальные лопасти, движущиеся по овальной дорожке. Высота системы составляет 25 метров. Система является модульной: лопасти можно добавлять, а длину дорожки регулировать соответствующим образом. Поставщик утверждает, что приведенная стоимость электроэнергии составляет одну треть от стоимости обычных турбин. Конструкция представляет собой наземный эквивалент воздушной турбины, траектория которой фиксирована. Система может быть установлена ​​и запущена в эксплуатацию в течение одного дня. ^[31]

Технология INVELOX от SheerWind была разработана Дариушем Аллаеи. Изобретение захватывает и доставляет ветер в турбину. В некотором смысле INVELOX представляет собой систему впрыска ветра, очень похожую на систему впрыска топлива для автомобилей. Большой впускной коллектор захватывает ветер и направляет его в концентратор, который заканчивается в секции Вентури, и, наконец, ветер выходит из диффузора. Турбины 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, таким образом, в электрическую энергию с помощью генератора. ^{[32] [33]} Устройство было построено и испытано, но подверглось критике за недостаточную эффективность. ^[34] По состоянию на 2017 год ^{[обновлять]}, прототипы устанавливаются. ^{[35] [36]}

Ветряные турбины могут быть установлены на крышах зданий. Примерами являются Marthalen Landi-Silo в Швейцарии, Council House 2 в Мельбурне , Австралия . Ridgeblade в Великобритании — это вертикальная ветряная турбина, установленная на боку на вершине скатной крыши. Еще один пример, установленный во Франции, — Aeolta AeroCube. Discovery Tower — это офисное здание в Хьюстоне , штат Техас , в котором установлено десять ветряных турбин.

Музей науки в Бостоне, штат Массачусетс, начал строительство Лаборатории ветряных турбин на крыше в 2009 году. ^[37] Лаборатория тестирует девять ветряных турбин от 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 недостатка данных о производительности городских ветряных турбин. ^[37]

Из-за структурных ограничений зданий, ограниченного пространства в городских районах и соображений безопасности, турбины зданий обычно небольшие (мощностью в несколько киловатт ). Исключением является Всемирный торговый центр Бахрейна с тремя ветряными турбинами мощностью 225 кВт, установленными между двумя небоскребами.

Предложения предусматривают выработку электроэнергии из энергии, создаваемой движением транспорта. ^{[39] [40]}

Некоторые установки оборудовали центры для посетителей на основаниях турбин или предоставили смотровые площадки. ^[41] Сами ветряные турбины, как правило, имеют обычную конструкцию, но при этом выполняют нетрадиционные функции демонстрации технологий, связей с общественностью и образования.

• ЭВИКОН
• Компактная ветротурбина для ускорения ветра
• Ветряная турбина Савониуса
• Ветровая линза
• Нетрадиционная нефть
• Нетрадиционный газ