Нетрадиционные ветряные турбины - Unconventional wind turbines

Ветряная турбина с противовращением
Фонарный столб ветряной турбины

Нетрадиционные ветряные турбины - это те, которые значительно отличаются от наиболее часто используемых типов.

По состоянию на 2012 год, самый распространенный тип ветряная турбина это трехлопастный против ветра горизонтально-осевой ветряк (HAWT), где ротор турбины находится в передней части гондола и лицом к ветру перед опорой турбинная башня. Второй основной тип единиц - это ветряк с вертикальной осью (VAWT), с выступающими вверх лезвиями, поддерживаемыми вращающейся рамой.

Из-за большого роста ветроэнергетика, много конструкции ветряных турбин существуют, находятся в разработке или были предложены. Разнообразие конструкций отражает постоянный коммерческий, технологический и изобретательский интерес к более эффективному и большему использованию ресурсов ветра.

Некоторые нетрадиционные образцы вошли в коммерческое использование, в то время как другие только продемонстрированы или являются только теоретическими концепциями. Нетрадиционный дизайн охватывает широкий спектр инноваций, включая различные типы ротора, основные функции, поддерживающие конструкции и форм-факторы.

Генератор воздушных змеев бокового ветра с быстрой передачей движения.

Горизонтальная ось

Двухлопастный ротор

Почти все современные ветряные турбины используют роторы с тремя лопастями, но некоторые используют только две лопасти. Этот тип использовался в Кайзер-Вильгельм-Куг, Германия, где находится большая экспериментальная двухлопастная установка - ГРОВИАН, или же Große Windkraftanlage (большая ветряная турбина) - эксплуатировалась с 1983 по 1987 год. Другие прототипы и типы ветряных турбин были изготовлены NedWind. В Ветряной парк Эммердейк в Зеволде, Нидерланды использует только двухлопастные турбины. Ветроустановки с двумя лопастями производятся Технология Windflow, Энергия ветра Минъян, GC China Turbine Corp и Северная ветроэнергетика,[1]. В Ветряные турбины НАСА (1975-1996) каждый имел 2-лопастные роторы, производящие такую ​​же энергию при меньших затратах, чем конструкции с трехлопастными роторами.

Ротор по ветру

Почти все ветряные турбины размещают ротор перед гондолой, когда дует ветер (конструкция против ветра). Некоторые турбины размещают ротор позади гондолы (конструкция с подветренной стороны). Эта конструкция имеет то преимущество, что турбину можно сделать так, чтобы она могла пассивно выравниваться по ветру, что снижает стоимость. Главный недостаток заключается в том, что нагрузка на лопасти изменяется по мере того, как они проходят позади башни, увеличивая усталостную нагрузку и потенциально вызывая резонансы в других конструкциях турбины.

Канальный ротор

Исследовательский проект,[2] Ротор с воздуховодом состоит из турбины внутри расширяющегося сзади канала. Их также называют Ветровые турбины с диффузором (т.е. DAWT). Его главное преимущество состоит 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 частотой вращения, поэтому не требует громоздкого коробка передач, позволяя механической части быть меньше и легче. Недостатком является то, что (не считая редуктора) он сложнее, чем ротор без контура, а вес воздуховода увеличивает вес башни. В Эольенн Болле является примером DAWT.

Коаксиальный, многороторный

Два или более роторов могут быть установлены на одном приводном валу с их совместным совместным вращением вместе, вращая один и тот же генератор: свежий ветер доставляется к каждому ротору за счет достаточного расстояния между роторами в сочетании с углом смещения (альфа) от направления ветра. Завихренность следа восстанавливается, когда верхняя часть следа достигает низа следующего ротора. В ходе испытаний, проведенных изобретателем и исследователем Дугласом Сельсамом в 2004 году, мощность была увеличена в несколько раз с использованием коаксиальных нескольких роторов. Первая коммерчески доступная коаксиальная многороторная турбина - это запатентованная двухроторная американская двойная супертурбина от Selsam Innovations в Калифорнии. с 2 пропеллерами, разделенными 12 футами. Это самая мощная турбина диаметром 7 футов (2,1 м) на рынке благодаря дополнительному ротору. В 2015 году аэрокосмические инженеры Университета штата Айова Хуэй Ху и Анупам Шарма оптимизировали конструкции многороторных систем, в том числе двухроторную коаксиальную модель с горизонтальной осью. В дополнение к обычному трехлопастному ротору у него есть вторичный трехлопастный ротор меньшего размера, покрывающий приосевую область, обычно неэффективно убираемую. Предварительные результаты показали выигрыш на 10-20%, что менее эффективно, чем заявлено в существующих конструкциях встречного вращения.[3]

Ветряная турбина с противовращением (двойной ротор)

Противовращающаяся горизонтальная ось

Когда система выталкивает или ускоряет массу в одном направлении, ускоренная масса вызывает пропорциональную, но противоположную силу на эту систему. Вращающаяся лопасть ветряной турбины с одним ротором вызывает значительный тангенциальный или вращательный воздушный поток. Энергия этого тангенциального воздушного потока тратится впустую в конструкции винта с одним ротором. Чтобы использовать эти потраченные впустую усилия, размещение второго ротора за первым использует возмущенный воздушный поток и может получить до 40% больше энергии от заданной рабочей области по сравнению с одним ротором. Другие преимущества противовращения включают отсутствие коробки передач и автоматическое центрирование по ветру (не требуются двигатели / механизмы рыскания). На основании работы, проделанной с Trimblemill, существует патентная заявка от 1992 года.[4]

Когда турбины встречного вращения находятся на одной стороне башни, передние лопасти слегка наклонены вперед, чтобы не задеть задние. Если лопасти турбины находятся на противоположных сторонах башни, лучше всего, чтобы лопасти сзади были меньше, чем лопасти спереди, и были настроены на срыв при более высокой скорости ветра. Это позволяет генератору работать в более широком диапазоне скоростей ветра, чем однотурбинный генератор для данной башни. Уменьшить симпатические колебания, две турбины должны вращаться со скоростями с немногими общими кратными, например передаточным числом 7: 3.[нужна цитата ]

Когда площадь суши или моря для второй ветряной турбины не имеет большого значения, выигрыш в 40% со вторым ротором следует сравнивать со 100% -ным выигрышем за счет отдельного фундамента и башни с кабелями для второй турбины. По состоянию на 2005 г., большие HAWT встречного вращения не продаются.

Закрутка хвоста и закрутка лезвий

Помимо лопастей с изменяемым шагом, ветряные турбины также усовершенствованы, закручивая хвосты и закручивая лопасти. Подобно лопастям с переменным шагом, они также могут значительно повысить эффективность и использоваться в строительстве «своими руками».[5]

Стиль ветряной мельницы

Де Ноле это ветряная турбина в Роттердаме, замаскированная под мельница.

Без лезвия

Пограничный слой

Пограничный слой или Турбина тесла использует пограничные слои вместо лезвий.

Одна из современных версий - турбина Фуллера.[6] Концепция похожа на стопку дисков на центральном валу, разделенных небольшим воздушным зазором. Поверхностное натяжение воздуха в небольших зазорах создает трение, вращая диски вокруг вала. Лопатки направляют воздух для повышения производительности, поэтому они не являются строго безлопаточными.

Безлопаточный ионный ветрогенератор

Основная статья: Безлопаточный ионный ветрогенератор

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

Пьезоэлектрический

Смотрите также: Пьезоэлектричество

Пьезоэлектрические ветряные турбины работают за счет изгиба пьезоэлектрический кристаллы во время вращения, достаточные для питания небольших электронных устройств. Они работают с диаметрами от 10 сантиметров.[7]

Солнечная восходящая башня

Основная статья: Солнечная восходящая башня

Ветровые турбины могут использоваться вместе с солнечный коллектор для извлечения энергии из нагретого солнцем воздуха, поднимающегося через большую вертикальную башню с восходящим потоком.

Вихрь

В Vortex Bladeless устройство максимизирует вихреобразование, с использованием завихренность на ветру, чтобы трепетать легкий вертикальный столб, который передает эту энергию генератору в нижней части шеста.[8][9][10][11] Эту конструкцию критиковали за ее эффективность 40% по сравнению с 70% для обычных конструкций.[12] Однако отдельные полюса можно разместить ближе друг к другу, что компенсирует потери. В конструкции отсутствуют механические компоненты, что снижает затраты. Система также не угрожает жизни птиц и работает бесшумно.[13]

Сафонский

В конструкции Saphonian используется колеблющаяся тарелка для приведения в действие поршня, который затем подключается к генератору.[14][15]

Windbeam

Генератор Windbeam состоит из балки, подвешенной на пружинах внутри внешней рамы. Луч быстро колеблется при воздействии воздушного потока из-за множества 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, не подходящих для солнечных панелей (например, HVAC воздуховоды). Стоимость невысока за счет невысокой стоимости компонентов и простой конструкции.[16]

Пояс ветра

Основная статья: Пояс

Windbelt - это 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.[17][18]

Антенна

Концепция воздушного ветрогенератора
Основные статьи: Воздушный ветряк, Высотная ветроэнергетика, и Сила воздушного змея при боковом ветре

Ветровые турбины могут управляться при сильном ветре, используя энергия ветра на большой высоте тактика с использованием высокогорных ветров.

Система привязных воздушных змеев[19] мог улавливать энергию высокогорного ветра.

Вертикальный

Основная статья: Ветряк с вертикальной осью

Горлова

Винтовая турбина Горлова (ГГТ) является модификацией Турбина Дарье дизайн, который использует спиральный лезвия / фольга.[20][21]

Закрытые лезвия

В одной конструкции для запуска генератора используется множество нейлоновых лопастей. Его постоянные магниты находятся на концах лезвий, а статор кольцо вне лопастей.[22]

H-ротор

Основная статья: Giromill

Гиромилль представляет собой турбину с вертикальной осью, которая вращает одну лопасть в одном направлении, а другая - в противоположном. Следовательно, одновременно работает только одно лезвие. Его эффективность невысока.[23]

O-ветряная турбина

Всенаправленная турбина, использующая Принцип Бернулли генерировать энергию с помощью ветра с любого направления. Конструкция имеет сферическую форму с множеством каналов по поверхности, разность давлений вызывает вращение. Дизайн выиграл Премия Джеймса Дайсона 2018.[24][25]

Составные части

INVELOX

Технология INVELOX компании SheerWind была разработана доктором Дарюш Аллаи. Изобретение улавливает и доставляет ветер к турбине. В некотором смысле INVELOX - это система впрыска ветра, очень похожая на систему впрыска топлива для автомобилей. Он работает, ускоряя ветер. Большой воздухозаборник улавливает ветер и направляет его в концентратор, который заканчивается в Вентури секции и, наконец, ветровые выходы из диффузора. Турбина (и) помещается внутри секции Вентури INVELOX. Внутри трубки 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.[26][27] Устройство было сконструировано и протестировано, но подверглось критике за недостаточную эффективность.[28] По состоянию на 2017 год, устанавливаются прототипы.[29][30]

Приложения

Основная статья: Ветряные турбины на всеобщее обозрение

На крыше

Ветрогенераторы можно устанавливать на крышах зданий. Примеры включают Мартален Ланди-Сило в Швейцарии, Дом Совета 2 в Мельбурн, Австралия. Ridgeblade в Великобритании - это вертикальный ветряк сбоку, установленный на вершине скатной крыши. Другой пример, установленный во Франции, - Aeolta AeroCube. Башня Дискавери это офисное здание в Хьюстон, Техас, включающий 10 ветряных турбин.

В Музей науки в Бостон, Массачусетс начал строительство лаборатории ветряных турбин на крыше в 2009 году.[31] В лаборатории тестируются девять ветряных турбин пяти разных производителей. Крышные ветряные турбины могут страдать от турбулентности, особенно в городах, что снижает выходную мощность и ускоряет износ турбин.[32] Лаборатория стремится устранить общую нехватку данных о производительности городских ветряных турбин.[31]

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

Управляемый трафиком

Шоссе ветряной турбины

Предложения призывают к выработке электроэнергии из энергии в сквозняке, создаваемом движением.[33][34]

Образование

На некоторых установках центры для посетителей установлены на базах турбин или в виде смотровых площадок.[35] Сами ветряные турбины, как правило, имеют традиционную конструкцию, но выполняют нетрадиционные функции демонстрации технологий, связей с общественностью и образования.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ NedWind Rhenen bV NW 43/500 (турбина) В архиве 2013-03-07 в Wayback Machine, Сайт Nedwind. Проверено 27 января 2013 года.
  2. ^ "Сайт Uni-Stuttgart.de". Архивировано из оригинал 25 октября 2006 г.
  3. ^ «Инженеры штата Айова изучают преимущества добавления второго ротора меньшего размера к ветряным турбинам - Служба новостей - Университет штата Айова». www.news.iastate.edu.
  4. ^ (WO1992012343) Ветряная турбина, Сайт Patentscope, 1992.
  5. ^ Ветряки со скручивающимся хвостом (страница 18) PDF
  6. ^ «Практически бесшумные, полностью закрытые, безлопастные ветряные турбины в пути». newatlas.com.
  7. ^ «Описание нескольких типов ветряных турбин, в том числе пьезоэлектрических».. Архивировано из оригинал на 2008-05-14. Получено 2008-03-05.
  8. ^ Сэм Дэвис."Ветряк без лопастей".2015.
  9. ^ Фил МакКенна.«Безлопастные ветряные турбины могут предложить больше формы, чем функции».2015.
  10. ^ Лиз Стинсон.«Будущее ветряных турбин? Без лопастей».2015.
  11. ^ Кларк, Крис (15 мая 2015 г.). "Вам, вероятно, следует скептически относиться к этой ветряной турбине без лезвий". KCET.
  12. ^ Маккенна, Фил (15 мая 2015 г.). "Почему у безлопастной ветряной турбины есть свои скептики". Обзор технологий MIT. Получено 2019-02-28.
  13. ^ Стинсон, Элизабет (2015-05-15). «Будущее ветряных турбин? Без лопастей». Проводной. ISSN  1059-1028. Получено 2019-02-28.
  14. ^ «Сафонская безлопастная турбина отличается впечатляющим КПД и невысокой стоимостью». newatlas.com.
  15. ^ Кларк, Крис (12 декабря 2013 г.). "Беслопастная ветряная турбина слишком хороша, чтобы быть правдой?". KCET.
  16. ^ "Zephyr Energy | Windbeam | | Запатентованный Zephyr Energy Corporation микрогенератор Windbeam улавливает энергию из 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 ".
  17. ^ Уорд, Логан. Windbelt, дешевая альтернатива генератору, для работы в странах третьего мира В архиве 2009-04-21 на Wayback Machine, Популярная механика сайт, 1 октября 2007 г.
  18. ^ Софге, Эрик. Шон Фрейн делает еще один скачок в ветроэнергетике: обновление для победителей прорыва, Популярная механика сайт, 18 декабря 2009 г.
  19. ^ «Kite Energy в KiteEnergySystems». www.kiteenergysystems.com.
  20. ^ ЯВЛЯЮСЬ. Горлова, Однонаправленная винтовая реакционная турбина, работающая в режиме реверсивного потока жидкости для энергосистем, Патент США 5,451,137, 19 сентября 1995 г.
  21. ^ ЯВЛЯЮСЬ. Горлова, Способ поддержания флотации с помощью винтовой турбины в сборе, Патент США 6,253,700, 3 июля 2001 г.
  22. ^ [http://www.windtronics.eu.com/wp-content/uploads/International-Catalog.pdf Windtronics]
  23. ^ С. Бруска, Р. Ланцафаме, М. Мессина. «Конструкция ветряной турбины с вертикальной осью: как аспектное отношение влияет на производительность турбины». 2014.
  24. ^ "O-Wind Turbine". Премия Джеймса Дайсона. Получено 2019-05-21.
  25. ^ Смитерс, Ребекка (05.09.2018). «Новаторская« вращающаяся »ветряная турбина получила награду UK Dyson». Хранитель. ISSN  0261-3077. Получено 2019-05-21.
  26. ^ Маккенна, Фил (2012-12-03). "Канальные ветряные турбины: изменение игры в энергетике?". Обзор технологий MIT.
  27. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2018-07-01. Получено 2019-04-22.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  28. ^ "Sheerwind Invelox: сплошной обман, без содержания". CleanTechnica. 8 июля 2014 г.. Получено 24 сентября 2016.
  29. ^ «Странное сооружение в форте Кастер использует энергию ветра». WWMT. 16 марта 2016 г.. Получено 20 января 2017.
  30. ^ "Nieuws - NedpowerSWH". NedpowerSWH. Получено 20 января 2017.
  31. ^ а б «Новая лаборатория ветряных турбин на крыше в США». Мир возобновляемых источников энергии. 2009-06-01. Получено 2009-07-07.
  32. ^ Лик, Джонатан (16 апреля 2006 г.). «Домашние ветряки нанесли смертельный удар». Лондон: Санди Таймс. Получено 2009-07-13.
  33. ^ «Система выработки электроэнергии с использованием ветровой тяги автомобильного движения».
  34. ^ «Конструкция придорожной ветряной турбины Дарье Марка Оберхольцера». Архивировано из оригинал на 2009-08-17. Получено 2009-09-01.
  35. ^ Янг, Кэтрин (2007-08-03). «Канадские ветряные электростанции сдувают турбинных туристов». Эдмонтон Журнал. Архивировано из оригинал на 2009-04-25. Получено 2008-09-06.