Бесшумная и сверхэффективная ветровая турбина Liam F1. Конвертер, собирающий энергию медленных течений

Какой будет возобновляемая энергетика через 10, 20, 100 лет?

Сферическая солнечная батарея



Представьте, что солнечные электростанции будут состоять не из плоских фотоэлектрических панелей, а из сияющих стеклянных шаров. Выглядит весьма футуристично, не правда ли? Однако основатель компании Rawlemon архитектор Андре Броссель, создавая свой «сферический солнечный генератор», не стремился к чисто внешнему эффекту. Наполненный водой стеклянный шар концентрирует солнечный свет на фотоэлементах и позволяет увеличить производительность системы сразу на 35% по сравнению с обычной солнечной панелью. Если «сферу» снабдить автоматическим трекером, «отслеживающим» траекторию солнца в течение дня, она станет еще эффективней. При этом устройство масштабируется в обе стороны – от миниатюрных настольных образцов для зарядки гаджетов до солнечных электростанций промышленного масштаба. Стеклянные энергетические шары можно устанавливать на крыши домов и даже интегрировать в стены зданий. Около года назад Броссель организовал кампанию по сбору средств на свое изобретение на портале Indiegogo и уже собрал 230 тысяч долларов – почти вдвое больше, чем было необходимо для начала производства. Однако теперь его компания Rawlemon остро нуждается в специалистах микроэлектронщиках, чтобы довести разработку до ума.

Солнечные панели на орбите



Еще в 1966 году английский фантаст Артур Кларк в книге «Черты будущего» описал «ловушки» для солнечных лучей, размещенные на орбите и транслирующие энергию на Землю. Тогда это казалось чем-то невероятным. И вот теперь, полвека спустя, технология обретает реалистичные очертания. «Пятый элеменТ» уже рассказывал об успешном эксперименте Mitsubishi Heavy Industries по передаче 10 кВт электроэнергии на 500 метров с помощью микроволн и об аналогичном опыте российской госкорпорации «Ростех». Пока преодоленные расстояния далеки от космических масштабов. Однако те же японцы утверждают, что уже в следующем году запустят на орбиту первый спутник, передающий солнечную энергию на Землю, а к 2025 году создадут полноценную орбитальную энергетическую группировку.

Космический «парус», собирающий энергию солнечного ветра



Производство электричества из энергии солнечного света или земного ветра – свершившийся факт. Однако наше светило служит источником еще одного мощнейшего, но пока бесхозного вида энергии – солнечного ветра. Речь идет о потоке мегаионизированных частиц, вылетающем из солнечной короны в открытый космос со скоростью 300–1200 км/с. Эта штука «посильнее «Фауста» Гёте» и уж точно мощнее потока фотонов, называемого солнечным светом. Несколько лет назад группа ученых из Вашингтонского госуниверситета опубликовала в журнале International Journal of Astrobiology обширную работу с описанием технологии сбора этого самого «солнечного ветра». Американцы предложили запустить в открытый космос систему спутников, снабженных специальными «парусами», притягивающими ионизированные частицы электромагнитным полем. Поле, в свою очередь, образуется вокруг медного провода длиной до полумили. По подсчетам ученых, сами такие спутники обойдутся в разы дешевле, чем если бы они были оснащены обычными солнечными панелями, ведь медь дешевле кремния. В то же время производительность этих летательных аппаратов была бы просто чудовищной – в 100 млрд раз больше, чем потребляет сегодня вся наша планета. Однако пока реализации проекта препятствуют несколько нерешенных технических задач. Во-первых, построить и запустить в космос «солнечные паруса» таких размеров крайне сложно. Во-вторых, современные лазеры не позволяют транслировать энергию на столь огромные расстояния.

Ветрогенератор без лопастей



Выражение «Новое – это хорошо забытое и слегка доработанное старое» можно в полной мере отнести и к возобновляемой энергетике. Примером тому – разработанная американской компанией Solar Aero Research безлопастная ветровая турбина. В честь ее создателя и главы компании Говарда Фуллера она так и называется – Fuller Wind Turbine. В основе ветроустановки – немного видоизмененная турбина Николы Теслы, представленная аж в 1913 году. В свое время Тесла додумался «улавливать» энергию поступающей жидкости или газа с помощью тонких металлических дисков, разделенных небольшими зазорами. Фуллер снабдил диски прокладками крыловидной формы, чем многократно повысил эффективность системы. Саму же турбину он поместил в короб, захватывающий воздух и направляющий его поток на диски.

Почему «Турбина Фуллера» потенциально может заменить традиционные ветряки и стать будущим для ветроэнергетики? Тому есть несколько предпосылок. Во-первых, она совершенно бесшумна, во-вторых – безопасна для птиц, и наконец в-третьих, при аналогичной эффективности она примерно на треть дешевле.

Конвертер, собирающий энергию медленных течений



До сих пор именно гидроэнергетика остается самым эффективным ВИЭ. Однако и она в своем нынешнем виде имеет ряд существенных недостатков. С одной стороны, перекрытие рек неизбежно сказывается на окружающей среде. С другой – современные водяные турбины эффективны при скорости воды от 5–6 узлов, в то время как скорость большинства океанских и речных течений не превышает двух узлов. Профессор Мичиганского университета Майкл Бернитас разработал устройство под названием VIVACE, способное «добывать» энергию именно из медленных течений. Название любопытное: VIVACE – это и музыкальный термин, предписывающий оживленный характер исполнения музыки, и аббревиатура от Vortex Induced Vibration for Aquatic Clean Energy (использование вибраций, вызванных вихреобразованием для получения водной экологически чистой энергии). Но еще любопытнее сам принцип работы устройства. Опытный образец представляет собой гладкий цилиндр, приделанный к пружине и подвешенный в потоке воды. Такая форма провоцирует завихрения, которые толкают цилиндр вверх и вниз. Механическая энергия воды преобразуется в электричество. Несколько таких цилиндров будет достаточно для питания стоящего на якоре судна, а несколько сотен, закрепленных, скажем, на дне реки, смогут обеспечить электричеством целый город. При этом никакого вреда водной флоре и фауне это бы не принесло. По подсчетам Бернитаса, если освоить с помощью такой технологии хотя бы 0,1% энергии Мирового океана, то вопрос с электроснабжением человечества был бы решен навсегда.

Пока же ученый, заручившись поддержкой Министерства энергетики США и ряда научных фондов, испытывает пилотный проект на реке Детройт.

Американская компания Solar Aero Research создала турбину без лопастей Fuller . По заявлению компании, изобретение отличается компактностью и невысокой стоимостью – на 1/3 дешевле классических ветровых установок той же мощности.

В основе ветровой установки лежит измененная турбина Теслы (Tesla turbine), изобретенная в 1913 г. для выработки энергии из пара или сжатого воздуха. Турбина Теслы – это множество тонких металлических дисков, разделенных небольшими зазорами. Поток рабочей жидкости или газа поступает с внешнего края дисков и проходит по зазорам к центру, закручиваясь и увлекая за счет эффекта пограничного слоя сами диски. В центре поток выходит через осевое отверстие.

В турбине Fuller Wind Turbine(Турбина Теслы ) диски разделены прокладками в форме крыла – это улучшает прохождение потока и создает дополнительный крутящий момент на валу. Сама турбина установлена в коробе, захватывающем воздух, чтобы обрушить его течение на вращающиеся диски.

Ветроэнергетика активно развивается по всему миру, и ни для кого давно не секрет, что это одно из перспективнейших направлений альтернативной энергетики на данный момент. К середине 2014 года общая мощность всех установленных в мире ветрогенераторов составляла 336 гигаватт, а самый большой и мощный вертикальный трехлопастной ветрогенератор Vestas-164 был установлен и запущен в начале 2014 года в Дании. Его мощность достигает 8 мегаватт, а размах лопастей составляет 164 метра.

Несмотря на давно обкатанную технологию изготовления лопастных турбин и ветряков в целом, многие энтузиасты стремятся улучшить технологию, повысить ее эффективность и уменьшить негативные факторы.

Как известно, коэффициент использования энергии ветрового потока у в лучшем случае достигает 30%, они довольно шумны и нарушают естественный тепловой баланс близлежащих территорий, повышая температуру приземного слоя воздуха по ночам. Также они весьма опасны для птиц и занимают значительные площади.

Какие же альтернативы существуют? На самом деле, творчество современных изобретателей не знает границ, и различных альтернативных вариантов придумано множество.

Давайте рассмотрим 5 наиболее необычных из примечательных для отрасли альтернативных конструкций ветрогенераторов.

Начиная с 2010 года, американская компания Altaeros Energies, основанная в Массачусетском исследовательском институте, ведет разработку ветрогенераторов нового поколения. Новый тип ветрогенераторов предназначен для работы на высотах до 600 метров, докуда обычные ветрогенераторы просто не могут достать. Именно на таких больших высотах постоянно дуют самые сильные ветра, которые в 5-8 раз сильнее ветров вблизи поверхности земли.

Генератор представляет собой надувную конструкцию, похожую на накачанный гелием дирижабль, в который установлена трехлопастная турбина на горизонтальной оси. Такой ветряной генератор был запущен в 2014 году на Аляске на высоту около 300 метров для испытаний в течение 18 месяцев.

Разработчики уверяют, что данная технология позволит получать электроэнергию стоимостью 18 центов за киловатт-час, что в два раза дешевле обычной стоимости ветряной электроэнергии на Аляске. В будущем такие генераторы вполне смогут заменить дизельные электростанции, а также найти применение на проблемных территориях.

В перспективе это устройство будет не просто генератором электроэнергии, но и частью погодной станции и удобным средством обеспечения Интернета на далеких от соответствующей инфраструктуры территориях.

После установки такая система не требует присутствия персонала, не занимает большой площади, и почти бесшумна. Она может контролироваться дистанционно, и требует технического обслуживания только один раз в 1-1,5 года.

Еще одно интересное решение по созданию необычной конструкции ветряной электростанции реализуется в Объединенных Арабских Эмиратах. Недалеко от Абу-Даби строится город Мадсар, в котором планируют возвести довольно необычную ветряную электростанцию, названную разработчиками «Windstalk».

Основатель нью-йоркской дизайнерской компании Atelier DNA, разрабатывающей дизайн данного проекта, сказал, что главной идеей было найти в природе кинетическую модель, которая могла бы служить для генерации электроэнергии, и такая модель была найдена. 1203 стебля из углеродистого волокна, каждый около 55 метров высотой, с бетонными основаниями шириной по 20 метров, будут установлены на расстоянии 10 метров между собой.

Стебли будут армированы резиной, и иметь ширину около 30 см у основания, а кверху сужаются до 5 сантиметров. Каждый такой стебель будет содержать чередующиеся слои электродов и керамических дисков, изготовленных из пьезоэлектрического материала, который генерирует электрический ток, когда подвергается давлению.

Когда стебли будут качаться на ветру, диски будут сжиматься, генерируя электрический ток. Никакого шума лопастей ветряных турбин, никаких жертв среди птиц, ничего кроме ветра.

Идея возникла благодаря наблюдению за качающимися на болоте камышами.

Проект Windstalk компании Atelier DNA занял второе место в конкурсе Land Art Generator, спонсируемом Мадсаром для выбора лучшего, из числа международных заявок, произведения искусства, которое сможет генерировать энергию благодаря возобновляемым источникам.

Площадь, занимаемая этой необычной ветряной станцией, охватит 2,6 гектара, а по мощности будет соответствовать обычному ветрогенератору, занимающему аналогичную площадь. Система эффективна из-за отсутствия потерь на трение, свойственных традиционным механическим системам.

В основании каждого стебля будет установлен генератор, преобразующий крутящий момент от стебля с помощью системы амортизаторов и цилиндров, аналогично системе Levant Power, разработанной в Кембридже, штат Массачусетс.

Поскольку ветер не постоянен, будет применена система аккумулирования энергии, чтобы накопленная энергия могла расходоваться и тогда, когда нет ветра, поясняют сотрудники, работающие над проектом.

На вершине каждого стебля будет установлено по светодиодному фонарю, яркость свечения которого будет напрямую зависеть от силы ветра и количества генерируемой в данный момент электроэнергии.

Windstalk будет работать на хаотичном покачивании, что позволяет расположить элементы горазда ближе друг к другу, чем это возможно с обычными лопастными ветрогенераторами.

Аналогичный проект Wavestalk прорабатывается для преобразования энергии океанских течений и волн, где похожая система будет находиться в перевернутом виде под водой.

Проект, разработанный фирмой Saphon Energy из Туниса, также как и Windstalk, представляет собой безлопастной ветряной генератор, но на этот раз устройство имеет конструкцию парусного типа.

Этот бесшумный генератор, по форме напоминающий спутниковую тарелку, получил название Saphonian. Он не имеет вращающихся частей и совершенно безопасен для птиц. Экран генератора совершает под действием ветра движения вперед-назад, создавая колебания в гидравлической системе.

Цель проекта - улучшить характеристики ветряных генераторов, относительно использования ветрового потока. Ветер буквально запрягается в парус, который совершает под его действием движения вперед-назад, при этом нет ни лопастей, ни ротора, ни передач. Такое взаимодействие позволяет преобразовать больше кинетической энергии в механическую с помощью поршней.

Энергию можно накапливать в гидравлических аккумуляторах, либо преобразовывать в электрическую посредствам генератора, или же приводить с ее помощью во вращение какой-нибудь механизм. Если обычные ветрогенераторы обладают КПД 30%, то данный генератор парусного типа дает все 80%. Его эффективность превосходит ветряки лопастного типа в 2,3 раза.

В силу отсутствия дорогостоящих компонентов, как это имеет место в ветряной турбине (лопасти, ступицы, коробки передач), в случае с Saphonian, расходы на оборудование снижаются до 45%.

Аэродинамическая форма Saphonian имеет то преимущество, что турбулентные ветряные потоки незначительно влияют на тело паруса, и аэродинамическая сила лишь увеличивается. Именно из-за турбулентности ветряные турбины и не используются в городских районах, а Saphonian можно и там использовать. Кроме того, вредные акустические и вибрационные факторы сведены к минимуму. Компания Saphon Energy получила премию от KPMG за усилия в развитии инноваций.

Еще один весьма революционный подход к использованию ветряной энергии был реализован еще в 2008 году изобретателем - энтузиастом из Калифорнии. Крупные ветряные генераторы для малых городов имеют размеры с 30 этажный дом, а их лопасти достигают размеров крыльев Боинга 747.

Эти гигантские генераторы, безусловно, производят много энергии, однако производство, транспортировка и установка таких систем сложны и дороги. Несмотря на это промышленность растет более чем на 40 процентов каждый год. Именно так размышлял Даг Селсам из Калифорнии, прежде чем задаться своей амбициозной целью. Он решил, что вполне реально получить больше энергии, используя для этого меньшее количество материалов.

Установив десяток или несколько десятков маленьких роторов на одном валу, связанном с одним генератором, Даг, в конце концов, добился поставленной цели. Один конец длинного вала он соединил с генератором, а второй конец запустил в высь на воздушных шарах с гелием. Система заработала, как и предполагалось.

В учебниках Даг читал, что одновинтовой турбины вполне достаточно для получения максимума, однако у Дага возникли сомнения. Он считал иначе: чем больше роторов, тем больше энергии ветра доступно для использования.

Если каждый ротор будет расположен под нужным углом, то каждый ротор получит свой собственный ветер, и это повысит эффективность генерации.

Конечно, это усложняет физику, ведь теперь нужно было убедиться, что каждый ротор ловит свой собственный поток, а не только поток от расположенного рядом ротора. Требовалось выяснить оптимальный угол для вала по отношению к ветру и идеальное расстояние между роторами. И, в конце концов, выигрыш был получен с применением меньшего количества материала.

В 2003 году изобретатель получил грант в размере 75 000 долларов от Калифорнийской энергетической комиссии на разработку 3000-ваттный турбины на семь роторов. Задача была успешно решена, и Даг Селсам уже продал более 20 своих 2000-ваттных турбин с двойным ротором нескольким домовладельцам. Он построил эти устройства в своем загородном гараже.

Идея Дага явилась одной из немногих идей, которые на самом деле имеют все шансы на то, чтобы добиться больших успехов в коммерческом мире. Селсам говорит, что два ротора - это только начало. Вероятно, когда-нибудь он увидит свои мультироторные турбины протяженностью в милю по небу.

Компания Archimedes, офис которой расположен в Роттердаме, Нидерланды, придумала свою концепцию необычных ветряных турбин, которые можно устанавливать прямо на крышах жилых домов.

По замыслу авторов проекта, эффективная малошумная конструкция может вполне обеспечить небольшой дом электроэнергией, а комплекс таких генераторов, работающий в совокупности со , способен и вовсе свести к нулю зависимость большого здания от внешних источников электроэнергии. Новые ветровые турбины получили название Liam F1.

Небольшая турбина, диаметром 1,5 метра, и весом около 100 килограмм, может быть установлена на любой стене или крыше жилого дома. Обычно, высота террасных крыш - 10 метров, а ветер в стране почти всегда Юго-Западный. Этих условий достаточно, чтобы правильно разместить турбину на крыше, и эффективно использовать энергию ветра.

Две проблемы обычных ветрогенераторов решены здесь: шум обычных лопастных турбин и дороговизна установки громоздкого оборудования. В обычных ветряных генераторах затраты на установку часто не окупаются. Уровень шума турбины Liam около 45дБ, а это даже тише шума дождя (шум дождя в лесу - 50дБ).

По форме напоминающая панцирь улитки, турбина подобно флюгеру разворачивается по ветру, захватывая воздушный поток, снижая его скорость, и меняя направление. Директор компании Маринус Миремета утверждает, что эффективность новаторской турбины достигает 80% от максимально доступной теоретически в ветровой энергетике эффективности. И этого уже вполне достаточно.

В Нидерландах средняя семья потребляет 3300 кВт-часов электрической энергии за год. По данным разработчиков, половину этой энергии может обеспечить одна турбина Liam F1 при скорости ветра не менее 4,5 м/с.

Можно разместить три такие турбины в вершинах треугольника на крыше дома, тогда каждая из турбин будет обеспечена ветром и они не будут друг другу мешать, а напротив станут помогать друг другу.

Если речь идет об установке в городе, где имеют место турбулентные потоки, то производитель предлагает немного приподнимать ветрогенераторы, устанавливаемые на городских крышах, крепя их на шесты, чтобы стены соседних домов не мешали ветряным потокам.

Предполагаемая стоимость новой турбины вместе с установкой составляет 3999 евро. Поскольку устройство имеет размер больше одного метра, то может потребоваться особая лицензия на его использование, поэтому, на самый крайний случай, фирмой производятся и турбины mini-Liam, диаметр которых 0,75 метра.

Производители планируют применять свои турбины не только для электроснабжения жилых и промышленных зданий, но и для электроснабжения морских судов.

Как видим, интересных альтернатив у производителей ветрогенераторов предостаточно.

«Ветряные линзы» - инновационная разработка японских ученых. Ветряная линза функционирует аналогично увеличительному стеклу, вот только вместо фокусировки света, ветряная линза, которая представляет собой направленное внутрь изогнутое кольцо по периметру окружности, описываемой лопастями турбины во время их вращения, фокусирует воздушный поток, направляя и ускоряя воздух, когда он входит в зону лопастей. Диаметр линзы составляет 112 метров.

Ветряная линза состоит из входной направляющей насадки, диффузора и внешней кромки. Сильные вихревые потоки, создаваемые диффузором и внешней кромкой ветряной линзы, образуют область низкого давления за пределами турбины. Это увеличивает разность давлений, что позволяет направлять больше ветра в ветряную линзу. Больше воздуха дает больше энергии. Исследователи заявляют, что данный метод способен увеличить производимую ветряной турбиной мощность, одновременно уменьшая шум.

В попытке продвижения идеи применения ветряных линз в открытом море, команда разработчиков создала плавучие платформы в форме шестиугольника для их поддержки. Платформы могут быть объединены в конструкцию в форме пчелиного улья.

Рис.6.3. Ветряные линзы

Размещение ветровых линз на плавучих платформах у берегов Японии позволит в ближайшее время существенно увеличить производство электроэнергии. В марте 2011 года, в кампусе японского университета Kyushu начались испытания «ветровых линз» - инновационной системы ветротурбин, способных генерировать в 2-3 раза больше электроэнергии, чем традиционные ветроагрегаты и существенно снизить цену «ветрового электричества». Данная технология снижает цену ветра ниже стоимости ядерного топлива и угля без дополнительных дотаций.

Ветрогенератор без лопастей

Ветрогенератор без лопастей - одно из главных преимуществ новинки, по словам её создателей, – это способность работать в очень широком диапазоне скоростей ветра. Другое достоинство – компактность. (Рис. 6.4.)

Рис. 6.4. Образец мощностью 10 кВт

Необычный ветряк, по заверению производителя будет стоить на треть дешевле классических ветровых установок той же мощности, а цена на энергию от новой турбины окажется сопоставимой стоимости электричества из розетки.

Изобретатель безлопастного ветряка, владелец патента, - это президент Solar Aero Говард Фуллер (Howard Fuller). Новую установку компания именует «Ветровая турбина Фуллера» (Fuller Wind Turbine).

В основе этого устройства лежит несколько дополненная турбина Теслы (Tesla turbine), изобретённая в 1913 году.

Турбина Теслы - это набор из множества тонких металлических дисков, разделённых небольшими зазорами. Поток рабочей жидкости или газа поступает с внешнего края дисков и проходит по зазорам к центру, закручиваясь и увлекая за счёт эффекта пограничного слоя сами диски. В центре же поток выходит через осевое отверстие.

В турбине Фуллера диски разделены прокладками в форме крыла, что улучшает прохождение потока, а кроме того, создаёт дополнительный крутящий момент на валу. Сама же турбина установлена в коробе, захватывающем воздух, чтобы обрушить его течение на вращающиеся диски.

По оценке компании, в серийном производстве Fuller Wind Turbine будет стоить порядка $1,5 за ватт выходной мощности, а электричество от такой установки обойдётся покупателю примерно в $0,12 за киловатт-час.



 

Возможно, будет полезно почитать: