Vortex генератор что это
Энергию ветра используют для получения электрической энергии с 1888г. Для этого устанавливают специальные установки с вертикальной или горизонтальной осью вращения лопастей, которые называют ветрогенераторами.
Их основной недостаток – шум, наличие вращающихся части , необходимость значительных площадей для установки и дороговизна работ по их монтированию. Во многих странах ведутся разработки по замене на альтернативные виды, которые будут работать бесшумно.
Много внимания уделялось конструкциям, у которых отсутствуют лопасти. Все это были только проектные решения. И вот в 2015 г. компания Vortex из Испании представила рабочую конструкцию безлопастного ветрогенератора . Устройство представляет собой конструкцию в виде конуса определенной высоты, напоминающую биту.
ПРИНЦИП РАБОТЫ ТАКОГО ВЕТРОГЕНЕРАТОРА ЗАКЛЮЧАЕТСЯ В ИСПОЛЬЗОВАНИИ ВОЗДУШНЫХ ЗАВИХРЕНИЙ.
Они образуются в результате обтекания потоками ветра конструкции конусообразной формы. Важным показателем является чувствительность к нарушению равновесия. При работе безлопастного ветрогенератора происходит его раскачивание невидимыми воздушными потоками. Они образуются в виде цепочки сзади объекта, который имеет цилиндрическую форму. Такое явление еще в 1912 г. описал американец Теодор фон Карман, в честь которого его назвали дорожкой Кармана. Этот эффект испанские инженеры и положили в основу своего изобретения. Конструктивно устройство, предлагаемое исследователями, состоит из верхней и нижней части. Первая часть имеет поверхность неровной формы, что дает возможность раскачиваться и получать дорожки Кармана . Нижняя часть неподвижная. Именно в ней расположены составные части ветрогенератора.
Раскачка конструкции происходит на резонансной частоте
Она совпадает с частотой вихрей, образуемой в дорожке Кармана . Потоки ветра раскачивают верхнюю часть, согласно явлению механического резонанса и это позволяет генерировать электрическую энергию.Опытным путем исследователи компании установили, что лучше использовать несколько таких устройств, т.е. устанавливать их комплектами.
При этом ветрогенераторы должны стоять недалеко друг от друга. В этом случае колебания от устройства к устройству усиливаются по нарастающей величине. Компания собирается выпускать в массовое производство безлопастные ветрогенераторы, способные развивать мощность 100 Вт и 4 кВт. В первом случае они будут высотой 3 м и весом в 10 кг, во втором случае 13 м и 100 кг. было установлено, что комплекты безлопастных турбин производят большее количество электроэнергии. Планируют они выпускать и для создания ветряных электростанций мощностью 1 МВт . Высота такого безлопастного ветрогенератора будет уже 150 м и весить он будет несколько тонн.
Исследования, в процессе которых совершенствовалась конструкция безлопастного ветрогенератора, длились не один год. Было изготовлено более 200 таких устройств. Испытаны они были в аэродинамической трубе. И наконец, они создали конструкцию, позволяющую собирать наибольшее количество энергию ветра. Инвесторы из разных стран Европы вложили в это изобретение более 1 млн. евро. Проект считается перспективным. Например, для частных владений планируется установка ветряка мощностью 4 кВт, а для ветряных электростанций более мощные на 1 МВт.
Производство безлопастного ветрогенератора Vortex обходится в несколько раз дешевле лопастных. Электромонтаж осуществляется на меньшей площади и не такой трудоемкий. Обслуживание в 5 раз дешевле, чем других видов ветрогенераторов. Все эти факторы говорят о том, что за безлопастными ветрогенераторами большое будущее.
В виду форы задней части крыши у Evo 7-9, в районе заднего стекла и антикрыла образуется зона завихрения (турбулентности) Эту проблему помогает решить Vortex Generator. Он выравнивает потоки превращая их в ламинарный поток и увеличивает прижимную силу. Ну и от части это круто выглядит ;)
В переводе с английского Vortex generator – генератор вихревого потока, также известный как аэродинамический рассекатель. В аэродинамике, vortex generator (далее VG), представляет собой поверхность, состоящую из небольших выгибов или лопаток (похожих на плавник), треугольной или четырехугольной формы, которые создают вихревой поток. VG применяют на многих устройствах и во многих областях, но наибольшее распространение Vortex Generators получил в авиастроении.
Аэродинамические рассекатели используются для разделения и задержки встречного воздушного потока и аэродинамического срыва, таким образом, они улучшают эффективность работы крыльев (в самолётостроении) и рулевых поверхностей.
Принцип действия
Применительно к автомобилям, аэродинамические рассекатели создают сильные направленные вихревые потоки сзади транспортного средства, предотвращая срыв потоков воздуха (т.к. создают ламинарное обтекание) и предотвращая образование зоны повышенного давления.
Без рассекателей
На транспортном средстве, не оборудованном аэродинамическими рассекателями, во время движения в его задней части образуются турбулентные потоки воздуха, которые ухудшают устойчивость и управляемость авто на дороге, а также увеличивают его аэродинамическое сопротивление, повышая тем самым расход топлива.
С рассекателями
На транспортном средстве, с установленными аэродинамическими рассекателями, во время движения в его задней части образуется ламинарное обтекание воздухом, при котором зона разряжения сводится к минимуму, значительно увеличивается курсовую устойчивость и управляемость транспортного средства на дороге. Так же снижается коэффициент аэродинамического сопротивления и, соответственно, уменьшается расход топлива, загрязнение заднего стекла так же уменьшается.
Результаты испытаний и применение
Испытания показали улучшение аэродинамических характеристик в результате применения аэродинамических рассекателей. Результат использования будет ощутим при езде свыше 60 км/ч особенно в дождь или на пыльной дороге. Разумеется, устанавливать их имеет смысл не на все автомобили, так как максимальный эффект будет ощутим при езде на очень высоких скоростях. Вы наверняка знаете и видели такие автомобили как Subaru Impreza WRX STi и Mitsubishi Lancer Evolution. О них уже позаботились такие тюнинг-ателье как Voltex и Rexpeed, которые имеют серьезный подход и технологическую базу для создания аэродинамических обвесов прошедших множество испытаний.
Для количественной характеристики аэродинамического сопротивления используют следующую зависимость:
где: Р — плотность воздуха;
V — скорость относительного движения воздуха и машины;
FMID — площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая площадь);
CX — коэффициент лобового сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости).
Обратите внимание на то, что скорость в формуле стоит в квадрате, а это значит: при увеличении скорости движения транспортного средства в 2 раза, сила сопротивления воздуха увеличивается в 4 раза, а затраты мощности вырастают в 8 раз! И так далее в геометрической прогрессии. Поэтому при движении автомобиля в городском потоке аэродинамическое сопротивление автомобиля мало, на трассе же его значение достигает больших величин. А что говорить о гоночных болидах, движущихся со скоростями 300 км/час. В таких условиях практически вся вырабатываемая двигателем мощность тратиться на преодоление сопротивления воздуха. Причем за каждый лишний км/ч прироста максимальной скорости автомобиля приходится платить существенным увеличением его мощности или снижением CX. Так, например, работая над увеличением скоростных возможностей болидов, участвующих в кольцевых гонках Nascar, инженеры выяснили, что для увеличения максимальной скорости на 8 км/ч потребуется прирост мощности двигателя в 62 кВт! Или уменьшение СX на 15%.
Аэродинамическое сопротивление автомобиля обусловлено движением последнего с некоторой относительной скоростью в окружающей воздушной среде. Дело все в том, что уже при скорости движения 50-60 км/час сила лобового сопротивления (которую еще называют сопротивлением давления) превышает любую другую силу сопротивления движению автомобиля, а начиная с 80 км/час превосходит всех их вместе взятых.
От величины CX Вашего автомобиля в прямой зависимости находится количество расходуемого им топлива, а значит и денежная сумма оставляемая Вами у бензоколонки.
Благо, есть ряд деталей, применение которых позволяет уменьшить аэродинамическое сопротивление, коими и являются аэродинамические рассекатели.
Поэтому, даже незначительное, снижение аэродинамического сопротивления автомобиля сказывается многократно на экономии топлива и повышении курсовой устойчивости!
Теоретическое обоснование работы Рассекателей
На сегодняшний день величину силы аэродинамического сопротивления транспортного средства воздушному потоку возможно определить только экспериментально. Пока точных методик теоретического расчета этой величины нет.
Для расчета количественной характеристики аэродинамического сопротивления используют следующую зависимость:
Сx — коэффициент сопротивления воздуха (коэффициент обтекаемости);
p — плотность воздуха;
v — скорость автомобиля;
S — площадь наибольшего поперечного сечения автомобиля (лобовая площадь).
Скорость в формуле стоит в квадрате. Это значит, что при увеличении скорости движения транспортного средства в 2 раза, сила сопротивления воздуха увеличивается в 4 раза, а затраты мощности, необходимые на ее преодоление, вырастают в 8 раз! И так далее в геометрической прогрессии.
При скорости движения 50-60 км/ч сила сопротивления воздуха превышает любую другую силу сопротивления движению транспортного средства, а на скоростях свыше 80 км/ч превосходит их все вместе взятые.
Самая значительная часть всех аэродинамических потерь, до 60%, — сопротивление формы, т.е. кузова. Часто его называют лобовым сопротивлением.
Известно, что при езде двух формульных болидов друг за другом, уменьшается не только сопротивление движению заднего автомобиля, идущего в воздушном мешке, но и переднего, по измерениям в аэродинамической трубе на 27%. Происходит это вследствие частичного заполнения зоны пониженного давления и уменьшения разрежения за ним.
Сила лобового сопротивления возникает за счет разницы давлений воздуха, впереди и сзади автомобиля.
Механизм его возникновения следующий. При движении транспортного средства в окружающей воздушной среде в его передней части происходит сжатие набегающего потока воздуха. В результате чего здесь образуется область повышенного давления, а в задней части пониженного. Под влиянием разницы этих давлений струйки воздуха устремляются к задней части. Однако в некоторый момент они начинают отрываться от обтекаемой ими поверхности и в итоге окончательно срываются с кузова, образуя при этом хаотичные завихрения воздуха, увеличивающие аэродинамическое сопротивление транспортного средства.
Чем позже происходит срыв воздушного потока с обтекаемой поверхности, тем меньшей будет сила лобового сопротивления.
Аэродинамика влияет ни только на скоростные качества автомобиля и расход топлива. Она еще обеспечивает должный уровень курсовой устойчивости, управляемости и снижение шумов при движении.
Аэродинамические шумы, возникающие при движении автомобиля, свидетельствуют о его плохой аэродинамике или же о ее отсутствии вообще. Генерируются они за счет вибраций элементов кузова в моменты срыва воздушного потока с их поверхности. По наличию или отсутствию шумов на высоких скоростях можно определить степень проработки конструкции автомобиля в аэродинамическом смысле.
Даже незначительное снижение аэродинамического сопротивления автомобиля сказывается на его устойчивости, управляемости и общем расходе топлива!
У специалистов по альтернативной энергетике давно сформировался стереотип относительно того, как должны выглядеть правильные и эффективные ветрогенераторы. Такое положение дел вовсе не удивительно, ведь ветрогенераторы возводятся каждый год по всему миру, и это всегда огромные сооружения с лопастями, похожие на гигантские ветряные мельницы. А что до безлопастных ветрогенераторов, то к ним отношение, как правило, в среде альтернативщиков весьма и весьма скептическое.
Тем не менее разработчики новых решений не спешат останавливаться в своем энтузиазме. И вот, в 2015 году, испанская компания Vortex Bladeless предложила новый вариант и уже готовую модель решения, показывающую, как могут быть устроены ветрогенераторы, не уступающие по эффективности традиционным лопастным, однако превосходящие их как по безопасности, так и по экономичности производства и по возможностям установки.
Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless
Компания Vortex Bladeless представила модель и рабочий макет принципиально нового ветрогенератора, совсем не похожего на обычные ветряки. Здесь нет вращающихся на ветру лопастей, и вообще не предусматриваются крупные вращающиеся части.
Принцип, по которому вертикальный безлопастной ветрогенератор станет покачиваться на ветру — не связан с порывами ветра. Принцип заключается в раскачивании вертикального генератора невидимыми вихрями воздуха, образующимися в форме цепочки позади цилиндрических объектов, обдуваемых газом или обтекаемых жидкостью в поперечном направлении.
Данный феномен был объяснен в далеком 1912 году американским физиком и специалистом по аэродинамике и воздухоплаванию Теодором фон Карманом. А явление образования цепочек вихрей вокруг обдуваемой газом или обтекаемой жидкостью, вертикальной оси назвали в честь ученого «дорожкой Кармана». Это явление и положено разработчиками в основу уникального безлопастного ветрогенератора.
Вихревая дорожка Кармана
Ветряной генератор от Vortex вдвое дешевле в производстве, чем лопастная турбина аналогичной мощности, а затраты на регулярное обслуживание меньше в пять раз! К тому же количество выделяемых парниковых газов на 40% ниже, работает генератор тише, и почти полностью безопасен для птиц и летучих мышей.
А что касается эффективности в целом, то вертикальные безлопастные генераторы можно будет устанавливать на меньшей площади и получать таким образом больше электроэнергии, чем от тех же лопастных ветрогенераторов, требующих огромных площадей дабы турбине было где размахнуться. Этот фактор крайне важен при возведении крупных ветряных электростанций, а вертикальных генераторов можно установить несколько, и близко друг к другу — электростанция получится более компактной.
Мало того, разработчики проверили аэродинамику системы из двух своих ветрогенераторов, когда один стоял позади другого, и оказалось, что тот который стоял сзади — раскачивался еще сильнее, ведь он повторно использовал вихри от первого.
Безлопастной ветрогенератор Vortex Bladeless
Авторы проекта уверены, что для частных домовладений будет достаточно небольших ветрогенераторов Mini высотой в 12,5 метров на номинальную мощность в 4 кВт, а основу крупных ветряных электростанций составят разрабатываемые модели Gran на 1 МВт каждый. Еще на начальном этапе исследований, в 2012 году, европейские инвесторы вложили в Vortex Bladeless порядка 1000000 евро, и по сей день проект представляется очень перспективным.
Установка безлопастного ветрогенератора
Конструктивно ветряк состоит из двух частей. Верхняя часть обладает неровной поверхностью, и именно она раскачивается и генерирует воздушные вихри дорожки Кармана вокруг себя. В неподвижной нижней части конструкции расположены элементы электрогенератора.
Установка спроектирована таким образом, чтобы раскачка происходила на резонансной частоте, совпадающей с частотой вихрей в образуемой дорожке Кармана. Так ветер раскачивает верхнюю часть ветряка, используя явление механического резонанса. И если раньше такой резонанс разрушал мосты и другие сооружения, то теперь он сможет генерировать электроэнергию, проявляя свой разрушительный потенциал более дружелюбно.
Сначала специалисты компании успешно протестировали прототипы на 2 кВт, рассчитанные на ветер, дующий со скоростью от 1,5 до 7 м/с; модели на 4 кВт рассчитаны на 3-15 м/с, и так возможно масштабирование вплоть до единиц мегаватт. Главные составные части будущих ветряных электростанций на новых генераторах — вертикальные генераторы Vortex Bladeless на 1 МВт, высотой 150 метров, из которых можно будет собрать огромную электростанцию необходимой мощности.
В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов
Всех тонкостей разработчики, конечно, не раскрывают, однако кое-что известно. В основании подвижной части расположены два кольца отталкивающихся магнитов. Когда ветер нагибает структуру в одну сторону, магниты тянут в другую сторону, и эти небольшие нажимающие и выталкивающие движения как раз и способствуют проявлению кинетической энергии, возникающей в процессе кругового покачивания башни. Эта энергия затем преобразуется в электрическую при помощи линейного генератора переменного тока. Частота колебаний башни достигает 20 Гц.
Безлопастной ветрогенератор
Исследования продолжались долго, и на различных этапах устройство непрерывно совершенствовалось. Более 200 моделей было изготовлено, и каждая из них была испытана разработчиками в аэродинамической трубе. Чтобы геометрия мачты наконец позволила бы собирать столько энергии ветра, сколько максимально возможно, и чтобы собственная частота мачты Vortex Bladeless могла бы изменяться, дабы подстраиваться в резонанс с дорожкой Кармана.
Вихревой генератор ( VG ) представляет собой аэродинамическое устройство, состоящее из небольшой лопасти , как правило , прикрепленной к несущей поверхности (или аэродинамического профиля , такой как крыло самолета ) или лопасти ротора ветряной турбины . VG также могут быть прикреплены к какой-либо части аэродинамического транспортного средства, например к фюзеляжу самолета или автомобиля. Когда профиль или тело движутся относительно воздуха, VG создает вихрь , который, удаляя некоторую часть медленно движущегося пограничного слоя, контактирующего с поверхностью профиля, задерживает локальный отрыв потока и аэродинамическое торможение , тем самым улучшая эффективность крыльев и поверхностей управления , таких как закрылки , рули высоты , элероны и рули направления .
СОДЕРЖАНИЕ
Метод работы
Генераторы вихрей чаще всего используются для задержки отрыва потока . Для этого их часто размещают на внешних поверхностях транспортных средств и лопастей ветряных турбин. И на самолетах, и на лопастях ветряных турбин они обычно устанавливаются довольно близко к передней кромке аэродинамического профиля , чтобы поддерживать постоянный воздушный поток над управляющими поверхностями на задней кромке. VG обычно имеют прямоугольную или треугольную форму, примерно такую же высоту, что и местный пограничный слой , и проходят линиями по размаху обычно около самой толстой части крыла. Их можно увидеть на крыльях и вертикальных хвостах многих авиалайнеров .
Генераторы вихрей расположены под наклоном, так что они имеют угол атаки по отношению к локальному воздушному потоку, чтобы создать концевой вихрь, который втягивает энергичный, быстро движущийся внешний воздух в медленно движущийся пограничный слой, контактирующий с поверхностью. Турбулентный пограничный слой с меньшей вероятностью отделяется, чем ламинарный, и поэтому желателен для обеспечения эффективности управляющих поверхностей задней кромки. Генераторы вихрей используются для запуска этого перехода. Другие устройства , такие как vortilons , передовые расширения и передовые манжет , а также задержать разделение потока на больших углах атаки путем повторного включени пограничного слоя.
Примеры самолетов, которые используют VG, включают ST Aerospace A-4SU Super Skyhawk и Symphony SA-160 . Для околозвуковых конструкций со стреловидным крылом VG устраняют потенциальные проблемы со срывом удара (например, Harrier , Blackburn Buccaneer , Gloster Javelin ).
Послепродажная установка
Многие самолеты оснащены крыльчатыми вихревыми генераторами с момента их производства, но есть также поставщики послепродажного обслуживания, которые продают комплекты VG для улучшения характеристик КВП некоторых легких самолетов. Поставщики послепродажного обслуживания заявляют (i) что VG снижают скорость сваливания и скорость взлета и посадки, и (ii) что VG повышают эффективность элеронов, рулей высоты и рулей направления, тем самым улучшая управляемость и безопасность на низких скоростях. Для самодельных и экспериментальных китпланов VG дешевы, рентабельны и могут быть быстро установлены; но для сертифицированных авиационных установок затраты на сертификацию могут быть высокими, что делает модификацию относительно дорогостоящим процессом.
Владельцы устанавливают VG на вторичном рынке в первую очередь для получения преимуществ на низких скоростях, но недостатком является то, что такие VG могут немного снизить крейсерскую скорость. В ходе испытаний, проведенных на Cessna 182 и Piper PA-28-235 Cherokee , независимые обозреватели зафиксировали потерю крейсерской скорости от 1,5 до 2,0 узлов (от 2,8 до 3,7 км / ч). Однако эти потери относительно невелики, так как крыло самолета на высокой скорости имеет небольшой угол атаки, что снижает сопротивление VG до минимума.
Владельцы сообщают, что на земле может быть труднее очистить снег и лед с поверхностей крыла с помощью VG, чем с гладкого крыла, но VG, как правило, не склонны к обледенению в полете, поскольку они находятся в пограничном слое воздушного потока. У VG могут быть острые края, которые могут порвать ткань обшивки планера, и поэтому могут потребоваться специальные покрытия.
Для двухмоторных самолетов производители заявляют, что VG снижают скорость управления одним двигателем ( Vmca ), увеличивают нулевой расход топлива и полную массу, повышают эффективность элеронов и руля направления, обеспечивают более плавный полет в условиях турбулентности и делают самолет более устойчивой инструментальной платформой. .
Увеличение максимальной взлетной массы
Некоторые комплекты VG, доступные для легких двухмоторных самолетов, могут позволить увеличить максимальный взлетный вес . Максимальный взлетный вес двухмоторного самолета определяется конструктивными требованиями и требованиями к характеристикам набора высоты для одного двигателя (которые ниже для более низкой скорости сваливания). Для многих легких двухмоторных самолетов требования к характеристикам набора высоты с одним двигателем определяют меньшую максимальную массу, а не конструктивные требования. Следовательно, все, что можно сделать для улучшения характеристик набора высоты при неработающем одном двигателе, приведет к увеличению максимальной взлетной массы.
В США с 1945 по 1991 год требование набора высоты с одним неработающим двигателем для многомоторных самолетов с максимальной взлетной массой 6000 фунтов (2700 кг) или меньше было следующим:
Все многомоторные самолеты, имеющие скорость сваливания более 70 миль в час, должны иметь постоянную скорость набора высоты не менее футов в минуту на высоте 5000 футов при неработающем критическом двигателе, а остальные двигатели работают не более чем на максимальной скорости. постоянная мощность, неработающий гребной винт в положении минимального сопротивления, шасси убрано, закрылки в наиболее выгодном положении… V s 0 <\ displaystyle V_
> 0,02 ( V s 0 ) 2 <\ Displaystyle 0,02 (V_ ) ^ <2>>
где - скорость сваливания в посадочной конфигурации в милях в час. V s 0 <\ displaystyle V_
Установка вихревых генераторов обычно может привести к небольшому снижению скорости сваливания самолета и, следовательно, к снижению требуемых характеристик набора высоты при неработающем одном двигателе. Снижение требований к характеристикам набора высоты позволяет увеличить максимальный взлетный вес, по крайней мере, до максимального веса, разрешенного конструктивными требованиями. Увеличение максимального веса, разрешенного конструктивными требованиями, обычно может быть достигнуто путем указания максимального веса с нулевым топливом или, если максимальный вес с нулевым топливом уже указан в качестве одного из ограничений самолета, путем определения нового более высокого максимального веса с нулевым топливом. По этим причинам комплекты вихревых генераторов для многих легких двухмоторных самолетов сопровождаются уменьшением максимального веса без топлива и увеличением максимального взлетного веса.
Требование к скорости набора высоты при неработающем одном двигателе не распространяется на однодвигательные самолеты, поэтому увеличение максимальной взлетной массы (на основе скорости сваливания или конструктивных соображений) менее значимо по сравнению с аналогичными показателями для близнецов 1945–1991 гг.
После 1991 года требования сертификации летной годности в США определяют требование набора высоты с одним неработающим двигателем как градиент, не зависящий от скорости сваливания, поэтому у генераторов вихрей меньше возможностей увеличить максимальную взлетную массу многомоторных самолетов, сертификационная основа которых FAR 23 с поправкой 23-42 или более поздней версии.
Максимальный посадочный вес
Поскольку посадочная масса большинства легких самолетов определяется конструктивными особенностями, а не скоростью сваливания, большинство комплектов VG увеличивают только взлетную массу, а не посадочную. Любое увеличение посадочной массы потребует либо структурных изменений, либо повторных испытаний самолета при более высокой посадочной массе, чтобы продемонстрировать, что требования сертификации по-прежнему выполняются. Однако после продолжительного полета могло быть израсходовано достаточное количество топлива, в результате чего самолет вернулся ниже разрешенной максимальной посадочной массы.
Снижение шума самолета
Вихревые генераторы используются на нижней стороне крыла самолетов семейства Airbus A320 для снижения шума, создаваемого воздушным потоком через круглые отверстия для выравнивания давления в топливных баках. Lufthansa утверждает, что таким образом можно добиться снижения уровня шума до 2 дБ.
Vortex Bladeless – это генератор, который работает за счет вибраций, возникающих в момент, когда ветряной поток проходит вдоль поверхности устройства, создавая аэроупругие колебательные движения на его поверхности. Генератор напоминает высокий столб обтекаемой формы с цилиндром в земле.
В отличие от классической ветряной мельницы у него нет лопастей. Под воздействием ветра, мачта колеблется, пружинит из стороны в сторону, благодаря чему производится энергия. Другими словами, это ветряное устройство – вовсе не турбина. Вихревые ветрогенераторы больше похожи на солнечные панели, нежели на обычные ветровые электростанции, они так же просты и экономичны.
Проект финансируется Европейским Союзом, Программой Инноваций Horizon 2020.
Устройство
Внешний столб вибрирует от силы ветра, без ограничений в амплитуде. Его основание прочно зафиксировано в зеле блоком в форме цилиндра. Устройство собрано с использованием смол, укрепленных углеродом и стекловолокном. Это обеспечивает высокую прочность без потери КПД.
Конструкция ветрового устройства сильно отличается от обычного ветряка. Вместо привычной башни с лопастями есть только мачта из очень прочных и легких материалов.
Такая конструкция снижает издержки на производство и упрощает монтаж.
Преобразование энергии
Устройство улавливает энергию ветра благодаря аэродинамике вихревого потока. Если углубляться в гидромеханику, то когда ветер проходит через мачту столба, поток видоизменяется в круговые вихри. Как только их частота становится ближе к частоте мачты, столб начинает колебаться и взаимодействовать с ветром. Это называется Вихревая Индуцированная Вибрация (VIV).
Гидродинамика Vortex Technology
В структурной инженерии, аэронавтике и архитектуре стараются избежать вихревой индуцированной вибрации (VIV). Турбины Vortex же, напротив, улавливают и увеличивают энергию от колебаний и аэродинамической нестабильности. Форма мачты устройства специально разработана для достижения максимальной производительности при средних скоростях ветра. В обычных городских условиях она способна очень быстро адаптироваться к изменениям направления ветра и колебаний потоков воздуха.
Проблема обычных ветрогенераторов в том, что их приходится устанавливать далеко друг от друга, поскольку мешают потоки нисходящего ветра, которые создают «эффект пробуждения» для запуска. Vortex лишены этих проблем: для нормальной работы мачты требуется свободная площадь, радиус которой составляет половину от высоты устройства. Вокруг обычных ветряков требуется пространство длиной больше его высоты в пять раз.
Специально разработано для потребительского рынка
Генератор переменного тока
Сейчас Vortex создаёт электричество с помощью катушек и магнитов, приспособленных к динамике ветрового вихря. Без шестерёнок, валиков или каких-либо вращающихся частей, оставаясь при этом «малой ветряной турбиной».
Генераторы переменного тока – уже известная технология, но Vortex её усовершенствовал и запатентовал. Такая конструкция устраняет необходимость в смазке и позволяет сократить объемы технического обслуживания.
Настройка частоты
Частота производительности Vortex пропорциональна скорости ветрового потока, но каждое устройство имеет собственную частоту колебаний. Чтобы уравнять частоту ветра с собственной частотой каждого устройства, вы должны изменить массу тела (чем больше масса, тем меньше собственная частота) и жесткость (чем больше жесткость, тем выше частоты), среди ряда других показателей.
Следовательно, вам потребуются сложные механизмы для изменения собственной частоты одного устройства. Для решения данной задачи мы предусмотрели систему удержания на магнитах, которые увеличивают жесткость мачты в зависимости от степени её изгиба. Степень сгибания увеличивается по мере усиления ветра. Мы называем это «регулировкой».
Таким образом, запатентованная система Vortex получает электроэнергию, самораспределяя нужные изменения конструкции для взаимодействия с потоком ветра, что позволяет без усилий захватывать более широкий диапазон скоростей ветра, с начальной скоростью от 3 м/с. Без какого-либо механического или ручного вмешательства. Таким образом точка блокировки аэрогенератора расширяется.
Вихревой эффект Фон Кармана
Эффект вихревых дорожек Vortex Street или Vortex Shedding впервые описал гений аэронавтики Теодор фон Карман в 1911году. Эффект создается боковыми силами ветра на объекте, погруженном в ламинарный поток, из-за чего возникают кольцевые вихри, а это может стать инженерной проблемой для тонких конструкций – мачт, башен и дымоходов. Как пример, разрушение узкого моста в Такоме в 1940 году, США.
Vortex успешно подстраивает частоту устройства, чтобы взаимодействовать с частотами ветра в широком диапазоне скоростей ветра
Понимание колебаний
Идея Vortex заключается в использовании одной и той же силы для производства энергии. Колеблясь, система использует энергию движения в качестве обычного генератора.
Вы найдете много примеров эффекта Vortex Shedding в повседневной жизни. Используя различные физические явления, Команда Vortex создала множество вычислительных моделей, которые показывают правильное создание формы и параметров для развития и повышения эффективности таких проектов.
Вычислительное моделирование
Принцип улавливания энергии вихрей ветрового потока (VIV, Вихревая Индуцированная Вибрация) – это 3D-феномен. А поскольку наша технология нова, мы должны создавать новые модели и подтверждать их эффективность. 3D-моделирование основано на числе Рейнольдса, важной безразмерной величине в гидромеханике, а она используется, чтобы помочь предсказать направление потоков воздуха в различных ситуациях потока жидкости.
Мы прилагаем все свои усилия чтобы найти лучший способ достижения результатов исходя из доступного количества ресурсов и времени. Используем программное обеспечение Altair, также сотрудничаем с Суперкомпьютерным центром Барселоны, используя их вычислительные мощности.
Технология защищена во всем мире 6 различными патентными семействами.
Основные функции
МАТЕРИАЛЫ И СРОК СЛУЖБЫ
Долговечность
Конечно, страховки от изнашиваемости любой турбины нет. Под большими нагрузкам и изгибами от колебаний, материал со временем может рушится, но Vortex уделила этому вопросу особое внимание.
Углеродный стержень рассчитан на максимальную амплитуду 2,7º, при ней материал лишь минимально деформируется. После вычислений, мы проанализировали и выбрали лучший материал, который принесёт огромный срок службы.
Эффективность затрат
Бюджетность – одно из ключевых преимуществ Vortex. Мы сделали стоимость производимой электроэнергии доступной, чтобы быстрее окупить инвестиции.
Это делает нашу технологию конкурентоспособной не только в сравнении с альтернативными или возобновляемыми источниками энергии, но даже по сравнению с традиционными технологиями.
Простой лаконичный дизайн, не требующий большого количества механизмов и материалов, тоже способствует сокращению денежных расходов. Легкий вес и центр тяжести, расположенный близко к земле, снижает требования к фундаменту и облегчая установку. Таким образом, избавляет от нужды в дорогостоящих комплектующих, в отличие от традиционных ветрогенераторов.
Vortex сотрудничает с неправительственными организациями, университетами и ведущими научно-исследовательскими центрами по всему миру.
Потенциал линейки
Vortex занимает до 30% рабочей площади обычного 3-лопастного ветряка с такой же высотой. При преобразовании энергии ветра, выработка электроэнергии пропорциональна площади диаметра лопастей. Следовательно, мы можем сказать, что Vortex вырабатывает меньше электроэнергии. С другой стороны, меньшая площадь позволяет устанавливать на одной и той же поверхности больше устройств Vortex, компенсируя энергоэффективность за счет экономии пространства и установки более дешевого оборудования.
Ориентировочная номинальная мощность Vortex Tacoma (2,75 м) составляет 100 Вт. Преимущества системы:
- принимает потоки ветра с любой стороны/направления;
- отсутствие силы сопротивления;
- устройство запускается и выключается само, без нужды в механических тормозах;
- нисходящие потоки ветра не влияют на энергоэффективность благодаря отсутствию лопастей;
- производит электроэнергию даже от слабых ветров;
- почти бесшумная работа.
Адаптация к атмосфере
В условиях города потоки ветра очень беспорядочны, что создает ряд проблем для обычных ветряков. Кроме того, из-за нисходящих потоков ветра работа обычных ветряных мельниц вызывает проблемы при установке нескольких агрегатов в одном месте, если не соблюдать достаточное расстояние между ними.
Вихревые ветрогенераторы проще использовать из-за круговой всенаправленности устройства. Vortex очень быстро адаптируется к изменениям направления и интенсивности ветра, независимо от турбулентности.
Низкая стоимость, простота установки и дешевое обслуживание. Подключи свой вихрь!
Экологичность
Вихревые турбины – «более зеленая» альтернатива ветряным мельницам. Хотя необходим более тщательный анализ выбросов углекислого газа, уже очевидно, что вихревая энергия ветра обеспечивает дополнительные преимущества с точки зрения окружающей среды. Vortex Bladeless – это умное решение для генерации чистой энергии. Устройство можно установить во дворе или даже на крыше дома. Оно может работать в составе единой системы из нескольких устройств, в одиночку и в паре с солнечными панелями.
Воздействие на окружающую среду
Простая конструкция и легкий вес позволяют сократить необходимое количество материалов для производства вихревой турбины. При этом упрощается производственный процесс.
Отсутствие смазочных материалов – отсутствие отходов!
Остаточный вес Vortex Tacoma после промышленной переработки – менее 15 кг. При правильной установке в земле и калибровке устройства оно будет абсолютно бесшумным. Помехи для радиосигналов практически отсутствуют.
Воздействие на дикую природу
Хотя небольшие ветряные турбины, как правило, не представляют серьезной проблемы для местной фауны. Конструкция Vortex позволит птицам и летучим мышам легко избегать их во время полета.
Читайте также: