Ветродвигатель вертикального вращения с эффектом буера

Аннотация

В проекте представлен вариант построения ветроэнергетических установок разной мощности, предназначенных для бесперебойного энергоснабжения потребителей в местностях со слабыми ветровыми потоками. Основное внимание уделено обеспечению высокой энергоэффективности и простоты конструкции как основы высокой надежности и приемлемой стоимости. Работоспособность при слабых ветрах обеспечена оригинальной конфигурацией лопастей турбины, использующей эффект буера, что позволяет турбине вращаться со скоростью, в разы превышающей скорость ветра.

Инновационность и преимущества продукта

Повсеместное распространение ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой мощности в России ограничено их высокой стоимостью, малой энергоэффективностью и неработоспособностью при малых скоростях ветра. Например, классические ВЭУ с горизонтальной осью вращения непригодны для работы при скорости ветра ниже 5,5 м/с.

Традиционные ВЭУ ориентированы на обеспечение стабильного выходного напряжения и/или выходной частоты электрогенератора, что неизбежно ведет к ограничению диапазона рабочих скоростей ветра,  к потере энергии ветра на обеспечение этой стабилизации и к усложнению конструкции ВЭУ. Кроме того, коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) пропеллерных ветродвигателей сильно зависит от конструкции лопастей. Производство высокоэффективных пропеллерных ВЭУ предполагает сложную технологию и соответственно высокую стоимость производства. Вследствие этого, соотношение стоимости и энергоотдачи традиционных ВЭУ малой мощности /до 100 кВт/  неприемлемо для основной массы потенциальных потребителей.

Например, автономный мобильный ветроэнергетический комплекс «Жаворонок», выпускаемый ЗАО «Московские озонаторы», при номинальной мощности 30 кВт предлагается по цене от 210 000 $, а автономные ВЭУ, выпускаемые НПГ «САНМЕТ» (Москва) предлагаются по удельной цене от  2700 $ на 1 кВт их номинальной мощности и работоспособны они при скоростях ветра  от 4,5 м/с. В Средней полосе России среднегодовая скорость ветра колеблется от 3,8 м/с до 4,5 м/с, что исключает применение этих установок.

Ещё одним недостатком ветрогенераторов с горизонтальной осью является высокий уровень шума.

В итоге, в связи с постоянным  ростом стоимости энергоресурсов потенциальный рынок ВЭУ малой мощности  в России растет, а его потребности не удовлетворяются. Необходимы простые с точки зрения монтажа и  эксплуатации ВЭУ высокой  энергоэффективности, работоспособные при малых скоростях ветра. Проект высокоэффективных ВЭУ нового поколения, работоспособных при скорости ветра от 1,5 м/с реализован в ветродвигателе вертикального вращения с эффектом буера.

Предлагаемое нами решение позволяет обойти вышеуказанные проблемы.

  • Ветродвигатель начинает работать при низких скоростях ветра — от 1,5 м/с и уверенно работать от 2,5 м/с.
  • Требования к технологии производства продукта значительно проще, чем у ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения.
  • Низкая стоимость производства и обслуживания.
  • Ветродвигатель имеет изящный, футуристический вид и прекрасно впишется в любой ландшафт и на любое плавсредство.
  • Обладает низкими шумовыми характеристиками, может устанавливаться в непосредственной близости от жилых домов.

Существует несколько вариантов применения продукта:

  • Ветродвигатель может применяться в составе ветроэлектростанции, наземного базирования в стационарном и мобильном варианте.
  • Ветроэлектростанции могут быть использованы как самостоятельные единицы, так и в комплексе, в составе гибридного гидро-ветро энергокомплекса. Такой комплекс, размешается в водоемах с течением воды, и позволяет снимать полезную нагрузку, при отсутствии ветра, за счет кругового перемещения входящих в него ветроэлектростанций, относительно воздушной среды.
  • Ветродвигатель может использоваться как основной источник энергии на судах и других транспортных средствах.
  • Сверхмалый вариант электростанции, может устанавливаться на каждом осветительном столбе, что позволит осветить автодороги на всем протяжении, поскольку не нужна центральная подводка энергии.

  

Рынок продукта

Потребителями продукта могут быть любые объекты, нуждающиеся в электроэнергии. Основные сферы применения:

1) Энергоснабжение удаленных объектов, например:

  • базовые и редко перемещаемые лагеря изыскателей, туристов, охотников, спортсменов.
  • фермерские хозяйства, поселения, дачные участки, коттеджи.
  • АЗС, СТО, хозблоки

2) Освещение трасс шоссе и дорог в любом месте с применением на каждом осветительном приборе малого ветрогенератора или отдельно стоящего, на группу приборов.

3) Энергоснабжение судов и и других транспортных средств.

4) Простота и скорость монтажа, возможность доставки в любую, в том числе труднодоступную местность, штатными средствами передвижения, позволяет использовать ветроэлектростанцию при чрезвычайных ситуациях, в зонах бедствий и разрушений.

Основные характеристики продукта

Основой проекта является ветродвигатель вертикального вращения с авторской конфигурацией лопастей турбины, использующей эффект буера, что позволяет турбине вращаться со скоростью, в разы превышающей скорость ветра.

Вертикальное расположение вала позволяет получить больше мощности с единицы площади, устраняет необходимость ориентации по ветру, облегчает установку и эксплуатацию.

Авторское решение конструкции турбины и лопастей, позволяет снимать полезную нагрузку при низких скоростях ветра — от 1,5 м/с и уверенно работать от 2,5 м/с.

В конструкции применен «буерный эффект» (работа паруса при движении определенным курсом) за счет чего, скорость вращения турбины выше скорости ветра.

Конструкция ветродвигателя идеально проста не требуют редких, особых, специальных материалов, узлов и деталей. выполнена с применением серийно выпускаемых материалов и комплектующих.

Узел сопряжения с электрогенератором выполнен на базе серийно выпускаемого редуктора, применяемый генератор (Г290Г), мощностью 4 кВт, так же серийный.

В гибридном гидро-ветро комплексе, вращение понтонов, осуществляется энергией потока реки. Понтоны могут собираться группами или использоваться по отдельности, в зависимости от объемов конечного потребления. Понтоны не требуют для установки больших глубин и могут быть установлены на судоходных реках, не мешая судоходству. в зимний период вода вокруг вращающихся понтонов не будет замерзать при температурах до -15С. При более низких температурах, возможен выброс специально накопленного атмосферного воздуха в воду, через форсунки, расположенные по окружности понтона, что в совокупности с вращением не даст замерзать воде вокруг понтонов до -35С.

Ветродвигатель изначально конструировался как основной судовой двигатель. При эксплуатации допускает значительные отклонения от вертикали. Позволяет снимать полезную нагрузку при низких скоростях ветра, от 1,5 м/с. Допускает использование в качестве материалов лопастей турбины, эластичные материалы, такие как ткань, и твердые, такие, как углепластик. Любая сила ветра, допустимая для использования в качестве движущей для парусных транспортных средств, может быть использована для получения адекватной мощности от заявляемого ветродвигателя. В конструкции использован буерный эффект, что позволяет турбине вращаться с линейной скоростью, превышающей скорость ветра в несколько раз. Общая площадь парусного вооружения турбины, может быть равна площади допустимого парусного вооружения для данного типа плавсредства (или другого средства передвижения).

Применение ветродвигателя подобного типа в судостроении, позволяет сочетать энергонезависимость и автономность парусных судов, с комфортом и легкостью управления моторных плавсредств. Это сочетание достигается независимостью от направления ветра и отсутствия необходимости в лавировании и галсовке. Кроме того, возможно перемещение в штилевую погоду, за счет накопленной электроэнергии или других видов аккумулирования энергии, плюс соответственно комфорт обитания, за счет большой, не требующей энергоносителей энерговооруженности.

Отдельным направлением проекта может являться разработка и выпуск сверхмалых ветроэлектростанций, мощностью менее 1кВт, для применения в качестве источника энергии для осветительных приборов.

Такие генераторы возможно устанавливать на каждом столбе и использовать для освещения автодорог, трасс и улиц на всем протяжении, без необходимости подводки электроэнгергии. Крылья турбин станций в этом варианте жесткие. Станции оснащены аккумуляторами и автоматикой. Профилактика и ремонт, нужны не чаще, чем смена перегоревшей лампочки.

По сравнению с классическими схемами, ветродвигатель практически бесшумный.

В проект изначально заложена максимальная простота изготовления, высочайшая надежность и ремонтопригодность, низкая себестоимость, использование типовых и серийных материалов, узлов, комплектующих. Возможность быстрого развертывания из сложенного состояния. Возможность складывать конструкцию, в том числе, возможность применения телескопической мачты.
Ветрогенератор легко монтируется и демонтируется силами 2 человек. В демонтированном виде разбирается и пакуется в габариты, пригодные к перевозке автомобилем типа «Газель».

Себестоимость ветрогенератора, без учета оплаты труда, фантастически мала.

Опытный образец

Имеется образец ветродвигателя расчетной мощностью 3-4 кВт при скорости ветра до 5 м/с и более 6 кВт при скорости ветра от 5м/с, реально работающий в полевых условиях. Габаритные размеры с генератором 4 кВт:

— высота — 8,5 м.

— диаметр — 4 м.

— установочное «пятно» — 1 м.

Данный образец, в реальных условиях автономного существования, тестируется с различными типами генераторов разной мощности.

Стадия разработки проекта

Имеется действующий образец ветродвигателя, (вышеозначенных размеров) оснащаемый генераторами различной мощности, в том числе 4 кВт (Г290Г), проходящий испытания в полевых условиях.

Расчеты мощности и зависимость мощности от размеров производились на основе данных, полученных при постройке разновеликих моделей.

На данный момент отсутствует  теоретическая база и научные обоснования, выраженные в формулах.

Нет расчетов по прочности, при изготовлении использовался эмпирический опыт и выкладки по ветродвигателю Дарье лаборатории Sandia.

Отсутствуют расчеты и необходимая для «легализации» (получение сертификатов, справок и пр.) документация.

Дальнейшее развитие проекта

  1. С учетом полученных в ходе испытаний данных, разработать три модификации ветроэлектростанции – на 2, 4, 8 кВт, в стационарном и мобильном вариантах. Произвести закупку, испытания и отбор необходимого для комплектации электростанции оборудования, в том числе аккумуляторов, инверторов, контрольно измерительных приборов, ориентируясь при отборе на необходимые качества, такие как отказоустойчивость, ремонтопригодность, вес, размер и т.п.
  2. Выпустить мелкую серию каждого варианта, для предоставления на безвозмездной основе заинтересованным потребителям, в первую очередь МЧС.
  3. С учетом рекомендаций и замечаний от потребителей, разработать окончательные варианты модификаций.
  4. Начать серийное производство и реализацию.
  5. Одновременно с пунктом 1, выполнить опытный образец несущего понтона, оснащенного гидродвигателем для размещения на нем 3 ветродвигателей мощностью 8 кВт.
  6. К окончанию работ по пункту 3, разработать, с учетом данных пункта 5, варианты понтонов трех основных типоразмеров на 4, 8, 12 ветродвигателей.
  7. Выполнить мелкую серию понтонов на 4 ветродвигателя, и провести их испытания в полевых условиях.
  8. Одновременно с пунктом 3, выполнить прототип ветродвигателя для плавсредств, в качестве основного источника энергии.
  9. Провести испытания прототипа (пункт 8) в полевых условиях.
  10. Определить реки и конкретные места, для размещения гибридных гидро-ветро станций их типоразмер с учетом наличия и потребностей в электро- и теплоснабжении конечных потребителей.
  11. С учетом данных по пункту 7, начать производство гибридных электростанций и их размещение согласно пункта 10.
  12. Начать продажу электроэнергии и тепла, вырабатываемых гибридными электостанциями.
  13. Одновременно с пунктом 11, выполнить доработку судового ветродвигателя и смонтировать на заранее изготовленных/приобретенных плавсредствах.
  14. Начать продажу плавсредств, оборудованных ветродвигателем.
Ссылка на основную публикацию