Учёные из Национальной лаборатории Сандия (США) разрабатывают ветрогенераторы с вертикальной осью вращения для офшорных электростанций, обещая сделать их более дешёвыми и эффективными, чем обычные.

А тем временем разработчики из Ehmberg Solutions (Швеция) уже создали прототип такого генератора.

Существующие ветряные турбины делятся на два основных типа — с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Вторые сегодня доминируют: у них выше КПД, а рассчитать их конструкцию много проще, хотя она и сложнее — из-за устройства ориентации по ветру. Первые не требуют такого устройства, а потому имеют меньше движущихся частей и потребности в ремонте. Основные элементы такой турбины расположены значительно ближе к земле, что упрощает их обслуживание. К изучению их потенциальных возможностей в офшорных ветроэлектростанциях и обратились исследователи из Лаборатории Сандия.

Одна из основных проблем ветряных турбин с вертикальной осью вращения — внушительный диаметр. Если у обычной горизонтальной ветротурбины он должен быть около 90 м, чтобы выдавать на-гора мегаватт и более, то вертикальной такой же мощности предписано иметь около 270 м. Даже изготовить такого монстра — уже проблема.

Однако, отмечают американцы, этот недостаток в значительной степени является и преимуществом. Обычный ветряк имеет определённый угол установки лопастей, и в зависимости от скорости ветра они меняются, иначе эффективность турбины падает. Это ограничивает потенциальный размер горизонтальной ветровой турбины, поскольку её лопасти чувствительны к разному направлению и скорости ветра и в нижней части своей траектории, и в верхней: угол установки лопастей, оптимальный вверху, уже не будет таким внизу. Учитывая, что нынешние горизонтальные турбины могут иметь зону ометания высотой в 100 м, больше по размерам их уже не сделать: начнёт падать эффективность.

Вертикальная ветряная турбина таких ограничений не имеет: её эффективность не зависит от направления и скорости ветра. А угол установки лопастей не нуждается в регулировке, он сам постоянно меняется при повороте лопастей вдоль вертикальной оси.

Для обычного ветрогенератора понадобится массивная мачта, фундамент на морском дне и огромный плавучий кран для установки и ремонта. А вот для конкурента с вертикальной осью вращения — нет. (Иллюстрация Randy Montoya.)

Другим важным преимуществом проектируемой лабораторией системы называется её повышенная устойчивость, что принципиально для офшорной ветроэлектростанции. Как оказалось, при вращении вокруг оси (опоры) она сама стабилизирует себя, словно волчок или юла. И чем сильнее дует ветер, тем мощнее стабилизирующее вращение вертикальной турбины. Поэтому даже в шторм ей почти не грозит опрокидывание, и погружаемая часть не должна, в отличие от горизонтального ветряка, касаться опорой дна. Иными словами, вертикальный ветряк плавуч, он вовсе не вкопан в морское дно. Даже якорные тросы ему нужны лишь затем, чтобы избежать дрейфа и сноса. Таким образом, отмечают инженеры, прорабатываемая ими конструкция офшорных электростанций не только окажется менее громоздкой и более дешёвой, чем у существующих горизонтальных ветротурбин, но и сможет продвинуться дальше в море. Ведь ей не обязательно размещаться лишь на самой малой глубине: заякориться ветряк может и там, где обычный потребует опоры колоссальной длины, а потому обойдётся в копеечку.

И вот тут следует вспомнить, что офшорные ветряки с вертикальной турбиной прорабатываются не только в США. Шведский стартап Ehmberg Solutions уже испытал малоразмерный (десятиметровый) прототип такой конструкции:

Наука и техника

Наука и техника / Энергетика / Альтернативные источники энергии /
Ветротурбины с вертикальной осью вращения могут оказаться оптимальным решением для офшорных электростанций

31 июля 2012 года, 14:04 | Текст: Александр Березин | Послушать эту новость

Учёные из Национальной лаборатории Сандия (США) разрабатывают ветрогенераторы с вертикальной осью вращения для офшорных электростанций, обещая сделать их более дешёвыми и эффективными, чем обычные.

А тем временем разработчики из Ehmberg Solutions (Швеция) уже создали прототип такого генератора.

Существующие ветряные турбины делятся на два основных типа — с вертикальной осью вращения и с горизонтальной. Вторые сегодня доминируют: у них выше КПД, а рассчитать их конструкцию много проще, хотя она и сложнее — из-за устройства ориентации по ветру. Первые не требуют такого устройства, а потому имеют меньше движущихся частей и потребности в ремонте. Основные элементы такой турбины расположены значительно ближе к земле, что упрощает их обслуживание. К изучению их потенциальных возможностей в офшорных ветроэлектростанциях и обратились исследователи из Лаборатории Сандия.

Слева — ветровая турбина с вертикальной осью вращения, справа — обычная. (Фото Spiritrock4u.)
Слева — ветровая турбина с вертикальной осью вращения, справа — обычная. (Фото Spiritrock4u.)

Одна из основных проблем ветряных турбин с вертикальной осью вращения — внушительный диаметр. Если у обычной горизонтальной ветротурбины он должен быть около 90 м, чтобы выдавать на-гора мегаватт и более, то вертикальной такой же мощности предписано иметь около 270 м. Даже изготовить такого монстра — уже проблема.

Однако, отмечают американцы, этот недостаток в значительной степени является и преимуществом. Обычный ветряк имеет определённый угол установки лопастей, и в зависимости от скорости ветра они меняются, иначе эффективность турбины падает. Это ограничивает потенциальный размер горизонтальной ветровой турбины, поскольку её лопасти чувствительны к разному направлению и скорости ветра и в нижней части своей траектории, и в верхней: угол установки лопастей, оптимальный вверху, уже не будет таким внизу. Учитывая, что нынешние горизонтальные турбины могут иметь зону ометания высотой в 100 м, больше по размерам их уже не сделать: начнёт падать эффективность.

Вертикальная ветряная турбина таких ограничений не имеет: её эффективность не зависит от направления и скорости ветра. А угол установки лопастей не нуждается в регулировке, он сам постоянно меняется при повороте лопастей вдоль вертикальной оси.

Для обычного ветрогенератора понадобится массивная мачта, фундамент на морском дне и огромный плавучий кран для установки и ремонта. А вот для конкурента с вертикальной осью вращения — нет. (Иллюстрация Randy Montoya.)
Для обычного ветрогенератора понадобится массивная мачта, фундамент на морском дне и огромный плавучий кран для установки и ремонта. А вот для конкурента с вертикальной осью вращения — нет. (Иллюстрация Randy Montoya.)

Другим важным преимуществом проектируемой лабораторией системы называется её повышенная устойчивость, что принципиально для офшорной ветроэлектростанции. Как оказалось, при вращении вокруг оси (опоры) она сама стабилизирует себя, словно волчок или юла. И чем сильнее дует ветер, тем мощнее стабилизирующее вращение вертикальной турбины. Поэтому даже в шторм ей почти не грозит опрокидывание, и погружаемая часть не должна, в отличие от горизонтального ветряка, касаться опорой дна. Иными словами, вертикальный ветряк плавуч, он вовсе не вкопан в морское дно. Даже якорные тросы ему нужны лишь затем, чтобы избежать дрейфа и сноса. Таким образом, отмечают инженеры, прорабатываемая ими конструкция офшорных электростанций не только окажется менее громоздкой и более дешёвой, чем у существующих горизонтальных ветротурбин, но и сможет продвинуться дальше в море. Ведь ей не обязательно размещаться лишь на самой малой глубине: заякориться ветряк может и там, где обычный потребует опоры колоссальной длины, а потому обойдётся в копеечку.

И вот тут следует вспомнить, что офшорные ветряки с вертикальной турбиной прорабатываются не только в США. Шведский стартап Ehmberg Solutions уже испытал малоразмерный (десятиметровый) прототип такой конструкции:

Как оказалось, стабилизирующий эффект вращения позволяет ему спокойно работать при ветре до 19 м/с. Изюминкой проекта является система аккумуляции энергии — на тот случай, если у ветра вдруг случится затишье. Дело в том, что вся нижняя подводная часть SeaTwirl также вращается (кроме генератора и якорей). Естественно, она, как ложка в стакане чая, при разгоне до максимальной скорости закручивает морскую воду вокруг себя. При затишье эта морская вода замедляется очень медленно, попутно не давая затормозиться ветряной турбине, которая продолжает крутиться уже без ветра. При этом, по расчётам шведов, одна полноразмерная турбина (высотой в 210 м) мощностью в 10 МВт запасает 25 000 кВт•ч — два с половиной часа собственной пиковой выработки. Да, некоторых потерь КПД на вращении воды при разгоне турбины не избежать, но они невелики (1–2%) и значительно меньше издержек на создание альтернативных энергонакопительных мощностей на суше.

http

(12358)