САЙТ КРЫЛОВА ПАВЛА
Главная
Схемы Ветрогенераторы Собаки Стройка Книги О сельском хозяйстве и прочем


О ветряках---->
Статьи и небольшие публикации о ветряках и других источниках энергии.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

J. Мануэль FelizTeixeira http://www.fe.up.pt/~feliz
Сентябрь 2008

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: возобновляемые источники энергии, системы ветра, изящная работа, присоединение к сети.

РЕЗЮМЕ

Здесь мы представляем систему ветрогенератора для низкой и средней мощности, разработаную с целью соединения искусства с недорогими технологиями.

Поскольку оба аспекта в настоящее время легко доступны для обычного человека, и так как производство энергии уже открыто для частного производства электроэнергии с помощью возобновляемых источников энергии, мы считаем, что настало время, чтобы мотивировать людей, развивать и использовать свои собственные системы, которые иногда могут начаться с невинного художественного проекта. В определенном смысле, технология представлена публике, как своего рода чудо (сказка, миф), а значит, эта статья также может рассматриваться в качестве вклада в популяризацию знания, против такого мифа. Мы считаем, что общество было бы гораздо более плодовитым, если бы не попадало в такие обструктивные практики. Здесь мы представляем реальную изящно-технологичную систему, которая в настоящее время проходит испытания в режиме реального дом настоящей семьи. Одним из инновационных аспектов её заключается в том, что генератор расположен на крыше дом, а не на верхней части мачты. Мы хотели вырабатывать электричество для прямого впрыска (генерации) в сеть общего пользования и, поскольку система находится недалеко от моря, где ветры, как правило, очень щедры и легко получить 1 и 1,5 КВт энергии ветра.

Статья в оригинале на английском.

1 . Введение

Здесь нет необходимости, напоминать людям интересные аспекты, связанные с использованием возобновляемых источников энергии, так как последние десятилетия уже показали важность чистых источников энергии, а также значительное количество энергии, которое может быть собрано непосредственно из природных процессов. Вместо того чтобы использовать разрушительные принципы производства электроэнергии, что, естественно, являются причиной производства всякого рода отходов, возобновляемые системы должны быть почти идеально интегрирована с природой. Это, пожалуй, один из наиболее интересных аспектов мышления. Люди и природа должны рассматривается как единый процесс развития, а не как единый процесс потребления. Мы поддерживаем идею-симбиоз, вместо доминирования.

С глобальным распространением тревог, связанных с изменение климата(1), и, главным образом, огромный скачок в ценах на нефть в последние годы, интерес для поиска инновационных методов выработки энергии, казалось, стал не только глобальным интересом, но даже глобальной страстью. Несколько типов систем и предложений поэтому обсуждены и описаны в Интернете, создаются с помощью широкого спектра технических подходов, материалов и приборов.

Очевидно, большие энергогенерирующие компании заинтересованы в поддержке наиболее важных игроков в области возобновляемых источников энергии, так как они поддерживают этим доминирование энергетического ноу-хау, а часто и распределительной сети стран. Однако в последнее время уже практикуется несколько лет в наиболее развитых странах Европы, таких как

(1) Как известно, вопрос изменения климата является своего рода модой. Температуры не растут, никаких сомнений. Но, в определенном смысле, есть некоторые аспекты заставляющие людей удивляться, когда климат, опасно меняется в сторону потепления, но можно найти аспекты изменения климата в противоположном направлении,и делают это люди, которые имеют власть. Глобальное обсуждение о так называемых "химических следов", например, является примером подачи таких сомнений. Для более полного ознакомления поиск «химических трасс" в Википедии.

Германия, Англия, и некоторые другие, правительства также принимает и даже "приглашает" малого и частного производителя возобновляемой энергии, чтобы присоединиться, как они называют зеленым приключением и ввести их незначительное производство в сети общего пользования.

Они, наконец, поняли, что суммирование миллионов независимых маленьких производителей может привести к чрезвычайно привлекательному способу сбора большого количество очень дешевой энергии, а также значительно уменьшить потери мощности в линиях электропередачи при больших расстояниях. Распределенная энергетическая системы, следовательно, на подъеме, и система представленая здесь, может быть рассмотрена как ещё один элемент такой тенденции.

Есть, однако, некоторый интерес в отношении художественных аспектов этой системы: прежде все, мы считаем,
что "нет искусства без науки или науки без искусства"(Da Vinci).
Во-вторых, изящество также как способ внести свой вклад в нашу приверженность концепции antipatent(2).
В-третьих, это также очевидно, нынешнюю систему не следует рассматривать как производственную систему, а просто как технологическое произведение искусства, и экспериментальная установка.

antipatent концепция, естественно, тесно связана с художественными произведениями.

В следующих разделах мы представим различные элементы этой ветровой системы, сосредоточив внимание на трех различных конструкций турбин разработаных и использованых на ней, а также на конструкции мачты и приспособление для механической передачи мощности, которое позволяет генератор расположить на крыше, а не на верхушке мачты. По antipatent концепции, любой элемент этой системы может быть воспроизведен любым заинтересованым в нем.

2 Смотрите больше о борьбе с патентной концепции на: http://geinsrv.fe.up.pt/feliz/anti-patent.html

2. Первый взгляд

Как и большинство систем ветра в настоящее время используются для выработке электроэнергии, та, что находится здесь основана на турбинах с горизонтальной осью. Тем не менее, эти турбины задуманы с концепцией сходящейся турбины [1], которые мы считаем более эффективными, чем стандартный расходящихся подхода. Как на рисунке 1 предполагает, что турбина установлена на мачте и, посредством механической связи, соединена с генератором на постоянных магнитах, который, в очередь отвечает за преобразование механической мощности в электрическую. И, наконец, электрический ток может быть использован либо для зарядки банки батарей, либо для генерации в общую сеть с помощью инвертора, или обоих.

Наиболее интересные новшества здесь- дизайн турбин и генератора переменного тока, и метод для передачи вращательного движения турбины на генератор переменного тока. Все эти элементы будут описаны более подробно в следующем разделы. Мы назвали этот подход "SuperbWind", которая также включает в себя три различных художественные турбин модели: Elegance, Filistine и Superturbine.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 1 Основные элементы системы SuperbWind.

3. Elegance (элегантные), и очень легкие изящные турбины.

Большинство ветровых турбин сталкиваются с проблемой веса, в основном за счет материалов, используемых в лопатках и тяжелой металлической центральной части подключенной к вращающемуся валу.У стандартной трёхлопастной турбины около 2 метров в диаметре можно ожидать вес не меньше примерно на 10 кг, например.Напротив, у Elegance турбины того же диаметра вес около 1,3 кг, то есть, почти в 8 раз меньше.

В основном это следует из концепции конвергентной турбины, что позволяет использовать несколько проектов нетрадиционных лопастей, которые будут использоваться на практике. Elegance был первым эффективным проектом- интересный дизайн сходящейся турбины (см рис. 2), он очень легкий и позволяет работать в широком Диапазон скоростей вращения, от 5-10 оборотов в минуту до около 500-600 обор. мин. Максимальная скорость вращения, зависит, конечно, от генератора, прикрепленного к ней, но это также связано с тем, как турбина может прорезать поток при вращении. Проектирование сходящейся турбины требует определенных способностей чувствовать этот эффект.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 2 Основная идея конструкции используются в конвергентной турбине Elegance.

По предложению концепции конвергентной турбины, лопасти этой турбины установлены таким образом, чтобы они видели ветер как «прозрачный» в центральной зоне, и увеличение в "непрозрачности" в его периферии. Это было достигнуто здесь путем соответствующего скручивания каждой лопасти, что также дает турбине свой элегантный внешний вид (см рис. 3).

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 3 Настоящий Elegance, 2 метра в диаметре.

4. Filistine, другой сходящийся дизайн.

Хотя в ранее описаной модели использовались тонкие стекловолоконные палочки и растяжки из проволоки из нейлона в расчете на его сопротивление, и его гибкость, в модели Filistine лопасти просто сделаны путем скручивания вокруг очень устойчивого и легкого пластика обычно известого как Termoclear. Это конструкция затем посредством металлических окружность фиксировалась вокруг центра, а также растяжками «невидимого» провода из нейлона (см рис. 4).

Время для создания этого турбину, пожалуй, меньше, чем требуется время, чтобы построить предыдущую модель, но затраты на материалы, сопротивление всей конструкции и его вес немного больше. Filistine является, по сути, очень интересным дизайном, но, возможно, нет необходимости в большой площади лопастей при сильных ветрах.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 4 Первая модель Filistine испытания, диаметр 2,5 метра Диаметр, вес почти 3 кг.

Нынешняя модель этой турбины имеет 2,2 м диаметра. Хотя это не гибкость Elegance (предыдущей турбины), это очень интересный дизайн для ветров средней скорости. Его название 'Filistine' означает Палестину на арабском языке.

5. Superturbine, 1,5 кг супер быстрая турбина.

Superturbine является последним дизайном, предложенным автором для ветровых турбин. Название Superturbine отражает веру, что никакая другая турбина с горизонтальной осью не будет более эффективной, чем эта, в связи с тем, что усовершенствованная конструкция сходится, кроме того идет на шаг дальше в направлении идеальной конструкции: бесконечное число лопастей с нулевой толщиной. Это, в сущности, очень легкая (около 1,5 кг) турбина строится из очень легкого материала, но очень устойчива к штормам. Она в основном состоит из металлической окружности соединенной с центральным нейлоновым валом с помощью растяжения проводов нейлона. Лопасти очень тонкие и сделаны из очень прочной пластмассовой ленты. Это 1,4 м в диаметре, очень быстроходная турбина. Она должна быть настроена на минимально требуемый крутящий момент, чтобы начать поворот генератора.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 5 Superturbine 1,4 м в диаметре установлена в настоящий дом для испытаний.

6. Мачта и система поддержки.

Каждая из описанных турбин была задумана для того, чтобы ее можно было легко установить или удалить из системы, когда это необходимо. Речь идет о самой турбине, а не о остальной части структуры, так, что не будет необходимо заботиться о мачте или даже о генераторе, когда турбина должна быть удалена или заменена.

Было принято решение использовать трубку как поддержку центра турбины, вместо того, чтобы стержень, как обычно. Стальная труба из нержавейки диаметром 20 мм и 2,5 мм толщиной, была достаточно сильной, чтобы поддерживать эти турбины даже в режиме сильных ветров. В условиях большей мощности, или более крупные турбины, однако, эти размеры должны быть установлены в соответствии. Обратите внимание, что единственный объект вращающения является сама турбина, ее лопасти, так как горизонтальная поддержка фиксирована, и представлены на следующем рисунке (рис. 6). Этот трубчатый носитель затем крепится к первичной мачте, которая будет вращаться внутри главной мачте, тем самым позволяя турбине свободно перемещаться в горизонтальной плоскости в поисках направления ветра.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 6 Основное соединение турбинного центра к горизонтальной трубе из нержавеющей стали, закрепленной на главной опоре. Вращение передается внутренней осью, которая вращается внутри неподвижных труб.

7. Система передачи.

Это более или менее очевидно, что вращение турбины будет передано генератору с помощью вращающейся оси, и, так как мы расположили генератор на крыше дома, мы решили использовать гибкий вал для этой цели. Этого рода вал обычно используется в промышленности для передачи среднего крутящий момент между outofaxis вращающихся машин, например. Среднего качества гибкие валы могут быть легко приобретены в любом магазине продажи деталей машин и утилит.(Как я понимаю, подобный гибкий вал пружинного типа используется в легких бензокосах Штиль.Крылов П.В.)

Хотя будет небольшое падение в эффективности в передаче механической энергии между турбиной и генератором, мы могли заметить, что этот метод очень удобен, по крайней мере, для малых систем ветра, так как это позволяет строить очень простые мачты без необходимости поддержки тяжелых по весу генераторов на его верхней части. По сути, мы утверждаем, что гибкость и легкость, введенные в этой метод заслуживают внимания, так как это, вероятно, может способствовать развитию других новых решений.

Еще одна очень интересная особенность связана с горизонтальным вращением накладывается на турбину, когда ветер изменяет направление. Как показано на следующем рисунке (рис. 7), передача механического питания к генератору с помощью гибкого вала позволяет турбине изменить свое направление во время захвата ветра без необходимости беспокоиться о скручивании системы. На практике, Wh из турбины на горизонтальной плоскости просто представляет добавление (или вычитание) поворота гибкого вала к основному вращению, которое намного выше, в нормальных условиях. Это позволяет турбине для поиска направления ветра использовать эффективный и свободный способ.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 7 вращения (Вт · ч) турбины в горизонтальной плоскости добавляет к основному вращения вала (Wi) Wh, как правило, гораздо меньше, чем Wi, вращение выходного (WO) всегда будет находиться рядом Wi. Это исключает любые проблемы, связанные с эффектом закручивания.

8. Генератор.

Так как не легко найти генератор для низкой скорости вращения, мы решили спроектировать и построить наш собственный с нуля.Интересный результат (рис. 8), был сделан из двух независимых велосипедных колес, один действует в качестве ротора, а другой в качестве статора. Катушки были просто надеты и крепились к статору, а 28 магнитов были установлены соответствующим образом на ротор. Это решение оказалось настолько просто, что мы думаем, не требует дополнительных пояснений, кроме изображения, представленного здесь. Внутреннее сопротивление этой машины 3,5 Ом, она способна вырабатывать 1KWatt электроэнергии при 600 оборотах в минуту, весит меньше, чем 5 кг, минимальный крутящий момент, чтобы раскрутить его без нагрузка составляет около 0,02 Kgf.m.

Существует, однако, предостережение для тех кто, возможно, будет заинтересован в строительстве этой машины: возможная опасность в результате раскола магнита должны быть серьезно рассмотрена, поэтому генератор должен быть защищен боковыми стенками, сделанных из древесины, цемента или любого другого материала, способного поглощать воздействие оторванного магнита в районе 1000 оборотов в минуту.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 8 Littledevil, домашний генератор возможность выхода 1 кВт при около 600 оборотах в минуту. Он был построен из двух велосипедных колес.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 9 Littledevil (еще без защиты от опасностей) связаны через гибкий вал к Superturbine. Обратите внимание, что значительная часть гибкого вала проходит во внутренней части основного мачты. Турбина свободна для поиска ветра.

Испытания этого генератора будут завершены, когда будет повышена точность в его механической конструкции.

9. Подключение к сети.

Хотя эта система была задумана для работы с напряжением в диапазоне более или менее безопасном (выход генератора между 0-80 V), мы были также заинтересованы в подключении его к сети общего пользования. Первая проблема, вытекающая из этого было найти инвертор (грид,Gride) соответствующий этому «Низкому напряжению».

Большинство инверторов для присоединения предназначены для работы в диапазоне сотен вольт, как правило, между 150-600 В. Это, конечно, инверторы которые должны использоваться с системами, предназначенными для производства нескольких КВт электроэнергии, поэтому больше подходят для больших турбин. Это-то ошибка, с нашей точки зрения, что более мелкие инверторы для технологическонго присоединение в диапазоне 300-700 Ватт являются не доступными на рынке, так как это, по сути, диапазон мощности, которые могут быть произведены в домашних условиях с турбиной с приемлемых размеров для домашней крыши, то есть, максимальный диаметр 2 м, с тем чтобы сохранить установке безопасность и риски механической поломки на низком уровне. Это наше убеждение, что появление на рынке очень дешевых преобразователей (скажем, 100-300 €) для технологического присоединение в диапазоне "малой мощности" и «Низкое напряжение» будет иметь успех, так как люди, во всем мире ждут их.

К счастью, мы смогли найти SMA Technologie AG инвертор имени WindyBoy на «Низкое напряжение» версия (WindyBoy1100LV), который, казалось, лучший вариант для подключения нашего генератора. (С момента публикации прошло 6 лет. Сейчас полно "гридов" на низкое напряжение и небольшую мощность. Стоимость от 130 $)

Подключение к сети, однако, подразумевает некоторые трудности на практике, не только технические но экономические и бюрократические. По крайней мере, в Португалии, кроме всегда восторженной рекламы связанной с производством экологически чистой энергии, которая в основном направлена на крупных производителей энергии, кажется, что малые и инновационные производители в настоящее время не удовлетворен, в связи с тем, что технические специалисты по земле?, кажется, технически достаточно компетентными, чтобы эффективно оценить некоторые менее стандартные установки. При отсутствии знаний, можно ожидать, что этот процесс имеет тенденцию следовать вслепую бюрократическим директивам, и люди чувствуют себя в ловушке в "сети правовой Литтл проблемы". Например, так как Littledevil и Superturbine не сертифицированы с символом CE, так как они экспериментальная и домашняя системы. Их использование никогда не вводит никаких проблем в общественные сети, так как они «изолированы» от них с помощью сильно сертифицированного инвертора WindyBoy, инспекторы сосредоточат свое внимание на этом вопросе и, возможно, аннулирует Ваше предложение для генерации в общественную сеть с зеленой энергией. Но другие вопросы могут возникать, когда мелкий производитель решает подключить свою систему к сети.

Некоторые из них являются:
Электро компания будет требовать монтаж энергетического счетчика (рисунок 10) в направление producergrid(генерация). Этот счетчик (стоимостью почти 300 €) будут оплачен собственником генерирующей установки-производителем, но производителю, кажется, не разрешается перемещать его в другой дом, даже если, например, он решает переместить производство в другое место или даже продать дом.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 10 Блоки схема основных элементов, необходимых для реализации технологического присоединения. Counterin обычный счетчик энергии. Счетчик установлен в доме. Counterout новый счетчик, который производитель энергии должен купить и установить на его месте.

Это, вместе с тем фактом, что стоимость инвертора от 1KWatt составляет около 1500 €, по иронии судьбы ставит сильнейшее экономическое давление на «элементы для взаимодействия 'с сетью (а бюрократические процессы) больше, чем на реальные расходы технологии для захвата энергии ветра. Это как если бы мы могли бы иметь золото, но техника для опробации золота гораздо дороже чем золото ... Мы считаем, во всяком случае, что рынок скоро адаптируется к реальности и больше людей могут позволить себе участвовать в производстве своей ?? собственной зеленой энергии, так как это было бы большим шагом вперед в нашем мир.

10. Некоторые реалистичные расчеты

Помимо этих трудностей, люди, кажется, также возлагают чрезмерные ожидания в отношении уровеня мощности, который эффективно может быть введен в сеть с помощью небольшой ветряной системы. Каталоги и спецификации коммерческих ветрогенераторов обычно предоставляют КПД части элементов, главным образом, пары ветроколесо-генератор. Однако, как видно из рисунка 11, реальная мощность значительно меньше. Это означает, что любая установка такого рода должны предварительно быть проанализирована экспертом.

SuperbWind: Изящная ветровая система.

Рис. 11 Последовательная эффективность, которые можно ожидать при подключении типичной ветряной системы к сети.

На этом рисунке показаны КПД взаимосвязи различных элементов в типичной ветро- системе. Хорошая турбина может захватить около 30% от энергии ветра. Затем 90% от этого будет передано в генератор через вал. Тогда, так как инверторы работают в режиме максимальной передачи мощности, половина этой мощности будет рассеиватся внутри генератора, а другая половина будут обработаны преобразователем. Наконец, мы может оценить 95% эффективность выходной мощности в сеть с помощью counterout.

Простой подсчет, очевидно, показывают, что эффективность всего процесса будет просто порядка 13%. Турбина получая 1KWatt из энергия ветра будет вводить в сеть только 130Watt: это означает, турбину диаметром 2 м под щедрые ветра вокруг 8,3 м / с (30 км / ч) ...

11. Выводы

Настоящая изящно-технологичная система, кажется, представляют собой интересный подход для домашней ветросистемы, благодаря своей легкости, красоты, гибкости и низких затрат. Она также показывает, что техника не должна следовать за господствующими на рынке решениями, и что во многих случаях опция "гибкость" гораздо интереснее, чем опция "сила". В том, что касается ветра, деревья поняли это. Мы, вероятно, получим преимущества, если научимся "танцевать" с Природой, а не пытаться "властвовать", над тем, что не может быть во власти.

С другой стороны, этот проект также показал, что есть некоторые вопросы при подключении ветросистемы к сети общего пользования, в основном за счет высоких издержек на инверторы и бюрократическими препонами выходящих за рамки оборудования интерфейса.

Тем не менее, эта работа помогла бы нам почувствовать, что ветер это красиво! (От себя. В современной России 2014 года препоны по подключению к общей сети для мелкого производителя просто не преодолимы. Т.е что-то около 1 млн. рублей. Вот так печально получилось.Крылов П.В.)

Авторская биография:

J. Мануэль FelizTeixeira окончил физический факультет Университета Порту, Португалия, и получил степень магистра и кандидат от инженерного факультета того же университета. Его работа была связана с различными вопросами, от оптической коммуникации, солнечной энергия и сейсмологии, в последнее время, моделирование сложных систем в науке управления, как склад и цепочки поставок. Его кандидатская диссертация на "Гибкая Supply Chain Моделирование ".

Ссылки:

1: J. Мануэль FelizTeixeira, Конвергентные турбины низкой стоимости для использования энергии ветра. 2006.




altay-krylov@yandex.ru