Вертикально-осевая ветротурбина

19 Ноя

Вертикально-осевая ветротурбина

В статье описана отличная от остальных вертикальная ветряная турбина, выходящая за рамки только автономного источника энергии. Её особенности открывают неожиданные возможности. Ротор турбины позволяет использование в качестве альтернативы парусному вооружению яхт.

Автор разработчик данного типа ветротурбин, Сергей Геллер, считает вертикально-осевые турбины (международное обозначение VAWT) более перспективными. Их история началась еще со времён вавилонского царства. Современные собратья имеют вместо сбитых из досок щитов лопасти с профилем самолётного крыла. Они бесшумны и не требуют больших капитальных затрат, проще и дешевле в обслуживании, нежели горизонтально-осевые турбины.

Недостатком существующих систем такого рода является коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), составляющий примерно треть от энергии ветра в своре ротора. Впрочем, это относится к турбинам Дарье, предложенным в начале прошлого века. Общей теории вертикально-осевых турбин нет до сих пор. За минувший век появились орбитальные станции, боевые роботы и принтеры для создания жилых домов. Что мешало  превзойти турбины давно умершего месье Дарье? Думается, те же причины, по которым маститые учёные отказывали в праве на существование летательным «аппаратам тяжелее воздуха» в ХIХ веке.

Автором разработана вертикально-осевая турбина принципиально новой «архитектуры». Использован принцип интересного явления Природы — смерча (торнадо).

Турбина преобразует линейный поток ветра в восходящий вихрь, который «наматывается» на многолопастный ротор, подобно кокону. Лопасти препятствуют сквозному протеканию воздуха по фронту ротора. Воздух спирально обтекает полость ротора, передавая энергию турбине. Поток взаимодействует не только с этими лопастями, но и со смонтированными на них наклонными антикрыльями. С верхом лопастей соединена горизонтальна крыльчатка, имеющая наклонные лопасти. Этот элемент ротора также взаимодействует с восходящим вихрем. Такая совокупность отличительных признаков создала парадоксальную возможность увеличения ометаемой ветром площади ротора без увеличения его габаритов!

Преимущества данной вертикально-осевой турбины:

  • Вращается в одну и ту же сторону при любом направлении ветра.
  • Генерация электроэнергии начинается при низкой скорость ветра, порядка 3,5 м/с.
  • Вертикальная ветротурбина имеет высокое аэродинамическое качество и коэффициент использования энергии ветра.
  • Вертикальная турбина не нуждается в обслуживании подшипников  и щёток традиционных генераторов , не требуется  повышающего  редуктора (мультипликатора). Съём мощности осуществляется не с оси, а с периферии ротора.
  • Наращивание мощности достигается путем установки дополнительных модулей.
  • Ветротурбина не имеет ограничений при установке вблизи жилья, т.к. уровень шума не превышает 20 ДБ, нет вредного электромагнитного излучения. Это позволяет устанавливать турбины в пределах населённых пунктов, в том числе на крышах многоэтажных зданий без ущерба ландшафтным видам.
  • Турбина устойчива к сильному ветру, способна выдержать даже ураганный ветер. Это достигается механизмом автоматического изменения углов атаки вертикальных лопастей турбины. Ветротурбина не восприимчива к турбулентным потокам и не нуждается в выносе её на специальную  мачту.
  • Турбина имеет легкие и простые составные части, удобные при транспортировке и монтаже.
  • Турбина надёжно защищена от воздействия молний, что выводят из строя традиционные горизонтально-осевые аналоги, генератор которых расположен на верху мачт.

В 2016 году в Астане были изготовлены две действующие модели таких турбин. Высота вертикальных лопастей и поперечные габариты роторов равнялись 800 мм. Все упомянутые выше элементы ротора имели аэродинамический профиль ClarK Y. Толщина профиля 11% от длины хорды. Обе модели мели  имели горизонтальные крыльчатки с девятью лопастями, каждая из которых связана с одной из вертикальных лопастей ротора и с центральной мачтой,  которая вращается совместно со всей конструкцией. Первая модель имела девять антикрыльев, вторая — 18. При скорости ветра 11 м/с вторая турбина развила мощность 220 Вт и имела на холостом ходу частоту вращения около 80 об/ мин. Обе турбины работали в приземном пограничном слое, стоя на канцелярском столе. Это не помешало им достичь КИЭВ 0,42 и 0,48 соответственно, что не уступает упомянутым в начале статьи горизонтально-осевым турбинам, вынесенным за пределы зоны турбулентности.

В полноразмерном исполнении такая турбина значительно легче и дешевле горизонтально-осевой турбины аналогичной мощности, что позволяет устанавливать её на зданиях, автоприцепах, а также на палубах судов. В последнем случае турбины связаны с электрогенератором лишь на якорной стоянке чтобы запасать энергию в аккумуляторных батареях. В плавании турбины сами являются движителями, так как создают силы, перпендикулярные направлению ветра. При этом не важно, в какую сторону он направлен. Направление вращения турбины будет одним и тем же, оно зависит лишь от исполнения ротора и будет всегда по часовой стрелке или против неё. До этого схожим образом работали электроприводные роторы Магнуса на судне А. Флеттнера, современнике почтенного Дарье. Турбине же не нужен электропривод, она приводится ветром. Таким образом, автором замечено, что эффект Магнуса справедлив не только для тел вращения со сплошной поверхностью. На турбине номер два был замечен снос её по поверхности стола в направлении, перпендикулярном направлению ветра.


Автор: Геллер Сергей Владимирович