Спиральная ветряная турбина с вертикальной осью

Модель, изображенная на рисунке внизу слева, впервые была сконструирована с использованием брезентовых лопастей, как на рисунке сверху, которые оказались неэффективными из-за чрезмерной гибкости.

Затем сконструировали модель с алюминиевыми лопастями (под названием Wendy), изображенную на нижнем первом рисунке. Недавно Wendy подняли на 12 футов над вращающейся цилиндрической алюминиевой надстройкой над мачтой, прочно закрепленной с помощью трех оттяжек от основания турбины (рисунок в центре). Вся оснастка – турбина с тремя лопастями/мачта/удлиняющая труба/опоры/оттяжки – весит примерно 40 фунтов и очень эффективно работает. При использовании лучшего упорного подшипника можно было бы использовать эту технику надстройки для того, чтобы поднимать турбину намного выше при сильных ветрах.



Потенциально энергия ветра может покрыть большую часть энергозатрат мира. Это наиболее быстро развивающийся сектор современных технологий альтернативной энергии. Большинство существующих ветряных турбин имеют обычную горизонтальную ось вращения. Их вращающиеся пропеллеры направляются к ветру с помощью «хвоста», а в более крупных системах – благодаря электронно управляемым двигателям. Эти лопасти с подъемной силой обычно имеют аэродинамическую форму, как крылья или пропеллеры самолета, работа которых возможна благодаря подъему при низком давлением, начиная с момента, когда ветер проходит сквозь аэродинамическую форму. Вертикально-осевой ротор Дарриуса также является «подъемным» устройством, которое имеет аэродинамические лопасти в форме венчика для взбивания яиц. Вертикально-осевые ветряные турбины (VAWT), изображенные выше, – это устройства с силой сопротивления и мощными “подъемными” компонентами, благодаря которым окружная скорость больше скорости ветра. Именно благодаря ей (окружной скорости) ветряной поток приводит парусное судно в движение. Результаты только двух тестов показывают, что по мощности, такая установка существенно превосходит ветряную турбину с вертикально вращающейся осью, главным образом, потому что используется винт, площадь поверхности которого гораздо больше площади ветровых турбин с горизонтальной осью.

Согласно научной статье Grumman Aerospace на тему (Торнадо – типичная ветровая энергетическая система, Джеймс Т. Йен, отдел исследований корпорации Grumman Aerospace, опубликованная в IECEC ‘75 Record)*, возрастание силы сопротивления по отношению к увеличению подъемной силы теоретически может быть в тысячу раз больше! Если это так, то это является малоизвестным, но очень важным обстоятельством для ветровых энергетических технологий на этапе проектирования.

* «Таким образом, в отличие от обычных ветровых турбин, которые используют только кинетическую энергию ветра V2/2, мы хотим использовать дополнительно энергию давления ветра P/þ, которая по значению более, чем в 3000 раз выше по сравнению с кинетической энергией ветра, при скорости ветра 15 миль в час (и более чем в 750 раз выше при скорости ветра 30 миль в час)».

Эта концепция может также вызвать революцию в парусном судостроении, для которого мной разработан уникальный механизм тянущего двигателя. С таким двигательным механизмом можно пройти весь Пьюджит Саунд, причём быстрее любого традиционного парусника. Эту ветряную турбину можно, при помощи 3-х распорок и 3-х дополнительных тросов, которые будут удерживать треугольную стойку в вертикальном положении, установить на вершине дерева. Наклон дерева под воздействием ветра будет только усиливать скорость вращения гироскопа/турбины, поскольку гироскоп будет оказывать сопротивление отклонению от своей плоскости вращения, за счёт чего увеличится энергия, передаваемая на генератор! Эту гипотезу, конечно, ещё нужно проверить экспериментально.

Ветряная турбина с вертикальной осью имеет несколько преимуществ перед более традиционными горизонтальными ветряными двигателями, особенно при переменном ветре, для которого необходимо изменение направления турбины, что создает нагрузку на подшипники и вышку, а также рассевает энергию. Гравитационные нагрузки на турбину с вертикальной осью – равномерные, что позволяет облегчить и увеличить конструкцию. Такая турбина имеет 3 крыла, закрученных спирально, таким образом, чтобы использовать массовый импульс ветра для вращения этих крыльев вокруг центральной мачты. Сила ветра прилагается к крыльям и на входе, и на выходе из турбины, что позволяет извлечь максимальную энергию.

Уникальная  природа спиральной развертки состоит  в том, что виток по возрастающей отклоняется к центральному фокусу и от него  без какого-либо построения траектории – только плавно отклоняющиеся поверхности.  Другие преимуществами именно этого дизайна будут раскрыты далее. Этот проект был начат в ранних семидесятых, под очарованием ротора Савониуса – разделенного на две половины масляного барабанного ветряного генератора, вращающегося вокруг вертикальной оси.  Я задался вопросом, каково оптимальное погашение и могут ли кривые полукруглой формы быть более обтекаемыми, поэтому я построил серию вертикальных осей прототипов ветряных турбин, в пределах алюминиевой печатной формы лопастей, склеенных между фонографическими записями, движущимися со скоростью 78 оборотами в минуту. Я заснял их на Супер-8 рядом с ветрометром и посчитал обороты. Я выяснил, что Савониус является слабым и теряет скорость, находясь в худшей аэродинамической позиции, а также нашел несколько новых и более быстрых конфигураций для лопасти. Явным победителем среди остальных являлась трехлопастная спиральная развертка.  Конфигурация шестилопастной развертки была немного чувствительнее к более медленным ветрам.


Данная окружность радиуса 1 разворачивается в спираль, которая может продолжить раскручиваться по траектории вплоть до угла 2 Пи от ближайшей внутренней спирали. Другими словами, вычерчивается неограниченная траектория; такая модель полностью использует ветровой поток для приведения лопастей в движение. Как показано на трёхлопастном чертеже вверху справа, сегменты одной и той же развертки могут быть продублированы вокруг центральной окружности, образовывая сложную неограниченную ветровую траекторию. На чертеже справа показаны размеры прототипа.


Такой трёхкрылый прототип был построен классом Общественной Школы в рамках программы «Испытание вертикально-осевой ветровой турбины».

Мы использовали велосипедную раму для трансмиссии и как часть несущего каркаса. Рулевая колонка соединяется с велосипедным многоскоростным цепным приводом, который приводит в движение электрогенератор. Сначала мы провели эксперимент с велосипедным мотором ZAP, который приводился в движение, как генератор, велосипедным колесом с помощью приводного механизма. Рифлёный ведущий ролик создаёт большое фрикционное сопротивление, усиливающееся повышающей цепной передачей, что в конечном итоге приводит к остановке вращения турбины на низких оборотах. Также мы проведём эксперимент с резиновым колесом с роликовинтовой передачей и магнитоэлектрическим генератором, а потом с генератором с прямым приводом и медленной передачей. Нам необходим генератор, который будет вырабатывать энергию на 30 оборотах в минуту для прямого привода. Если вы знаете такой, сообщите мне!

Сначала паруса были изготовлены из парусины Dacron (а позднее были заменены алюминиевыми лопастями) и надёжно закреплены развёрнутой балкой на расстоянии, вдвое меньшем, чем находящийся ниже опорный диск, имеющий 4 дюйма в диаметре, который далее присоединяется растяжками к рулевой колонке. Три растяжки держат верхний подшипник по центру над треугольной несущей основой , натягивая направляющую кромку!

Основной  диск диаметром 48 дюйм и крылья высотой 53 дюйма, позволит противостоять ветру на площади с поперечным сечением 9,5 кв. футов, эквивалент равной окружности пропеллера диаметром в 3,5 футов. Можно сравнивать с популярной горизонтальной ветряной турбиной «Хорнет» (www.survivalunlimited.com/eaglewindturbine.htm), которая имеет 6 лопастей диаметром от 59 до 144 дюймов. Площадь вращения самых маленьких 59-дюймовых лопастей составляет 19 кв футов или вдвое больше, чем у нашего прототипа. Даже принимая во внимание сумму изогнутых площадей трех крыльев (10.2 кв. футов x 3 = 30.7 кв. футов.), эквивалентную кругу диаметром 11 дюймов, мы все еще не достигаем площади вращения лопасти Хорнета. 59 дюймовый Хорнет дает 300 Ватт при скорости ветра 15 миль в час, 150 Ватт пти 10 милях в час, что близко к тому, что мы могли ожидать здесь в ветреный день. В идеале, мы бы хотели использовать даже ветер со скоростью 5 миль ч ас, который давал бы только 25-30 Ватт при использовании специальных пластин Хорнет на их модели Оспрей для крайне низких скоростей ветра.

В конце  концов, мы построили наш первый прототип и установили его на улице, для этого был замечательный день! Средняя скорость ветра составляла 20 миль в час, при этом ветряная турбина набирал обороты от 120 до 130 в минуту, скорость окружности диаметром в 4 фута составляла 17-18 миль в час, то есть 85-90% от скорости ветра, раскручивая колесо велосипеда на высокой передаче до 52/14=3.7×130=481 об/мин х 27 дюймов = 47 миль в час. Не хватало вращающего момента для поворотоа мощного привода велосипеда (с его 1.25 дюймовым роликом, большим магнитным сопротивлением и сопротивлением трения), – когда мы понижали передачу, мы почти что балансировали с трением привода, но не получали достаточной мощности. Те из нас, кто принимал участие в тестировании (Лари, Блейн, Билл и Эбн), тем не менее, посчитали его успешным и захватывающим по следующим причинам:

Была  создана значительная мощность, несмотря на биение крыльев и серьезные  нарушения баланса. Крылья из ткани  были слишком свободными для высоких  скоростей ветра и рабочая  кромка отклонялась на 3-4 дюйма при  поворотах, добавляя вибрации и значительно снижая скорость. Крылья плохо вращались с подветренной стороны, оседая и делая подветренную поверхность волнистой. Кажется это создавало наиболее серьезное демпфирование, мешающее плавному вращению крыльев и их аэродинамическим свойствам.

Паруса/диск/лонжероны были недостаточно сбалансированы, особенно при креплении натяжных тросов, от которых трясся грузовик, к которому они были закреплены, при этом рассеивая значительную энергию и мешая набору высокой скорости.

Мы заменили крылья из ткани жесткими алюминиевыми листами, сохранившими ровный профиль во время вращения и которые было легче подстроить и сбалансировать в составе оснастки.

Еще одно наблюдение с нашей платформы  на крыше грузовика. При установке  ветряной турбины в рабочее положение  не было ветра в 20 миль в час. Как только турбина была установлена и начал вращаться, мы могли отвязать крепеж и некоторое время не держать его. На крылья турбины действовало очень маленькое сопротивление, и гироскопическая стабилизация заставила нас говорить о том, как легко было бы закрепить конструкцию на верхушке дерева, используя ствол в качестве каркаса и 3 троса, закрепленные болтами к дереву 6-ю футами ниже. Какую энергию мы могли поглотить от раскачивания дерева?

А что  если добавить больше крыльев? Вспомните, что медленное тяговое усилие, при котором большая часть энергии получается от ударов молекул воздуха по непрерывно вращающимся лопастям турбины. Если у нас на 3 лопасти больше, мы удвоим количество ударов молекул, и за счет того, что геометрия их пути между крыльями не ограничена, все удары будут заставлять лопасть двигаться вокруг мачты. Это предположение проверялось моряками, а также специалистами по ветряным двигателям…Только тестирование покажет…Что если сделать конструкцию с прозрачным нижним диском, чтобы можно было наблюдать за ленточками, фотографировать показания измерительных приборов, медитировать при виде расширяющихся спиралей?

Мы немного  протестировали устройство для отклонения ветра, которое больше добавляло турбулентности, нежели энергии для крыльев, и жесткие алюминиевые лопасти раскручивались до гораздо больших скоростей без использования этого устройства, хотя оно могло и пригодиться при цилиндрической конструкции, закрепленной горизонтально над препятствием, таким как крыша здания или утес.

После того, как мы заметили крылья из ткани  на алюминиевые лопасти, мы установили ветряную турбину на ворота сада в  месте, окруженном деревьями, которые  служили преградой для ветра  и создавали турбулентность. Даже в таких условиях нам удалось  получить небольшое количество электричества с помощью велосипедного генератора.

Затем мы взяли конструкцию на пляж и  при скорости ветра в 18-22 мили в  час смогли получить мощность от велосипедного  мотора Zap, вращающего электрический  двигатель.

С помощью велосипедного генератора мы смогли зажечь яркую фару и габаритный задний фонарь при скорости ветра в 15 миль в час.

При оборотах более 150 об/мин алюминиевые лопасти  выравнивались кверху и могли  коснуться опорных тросов, поэтому  нам приходилось притормаживать турбину при скорости ветра более 16 миль в час. Ветряная турбина не была динамически сбалансирована и трясла грузовик на высокой скорости. Обе эти проблемы усугублялись тем фактом, что для этого первого теста мы не использовали нижние натяжные тросы, полностью полагаясь на прочность лопастей, которая фактически была довольно впечатляющей. Рама велосипеда была изогнута, ведя к смещению цепи относительно зубьев звездочки. Велосипедное колесо по форме сильно отличалось от круговой, вследствие чего требовалось избыточное давление на ролики генератора, поэтому в системе не было большого трения. Тем не менее, окружная скорость турбины была значительно больше, чем скорость ветра, иногда 50%, что указывает на то, что подъемное усилие и усилие, затрачиваемое на преодоление аэродинамического сопротивления, должны учитываться.

Мы в  восторге от потенциала этой конструкции  ветряной турбины с вертикальной осью. Теоретически, можно добиться большей эффективности при использовании других уникальных параметров сравнивая эту конструкцию с лопастями с аэродинамическим профилем.

Источник