Современные кинетические ветротурбины используют силу ветра для производства электроэнергии. Подобные устройства выпускаются промышленностью и могут быть изготовлены своими руками. Их применяют в разных сферах: от крупных производств до частных домов.
Ознакомимся со строением ветряков данного типа, рассмотрим их особенности устройства и конструктивные решения. В предлагаемой статье представлены достоинства и недостатки ветроэнергетических установок. Самостоятельно занимающиеся мастерами обнаружат здесь полезные схемы и советы по сборке.
Принцип работы ветрогенератора
Ветрогенератор использует энергию ветра для вращения ротора, который, в свою очередь, вырабатывает электроэнергию.
Вращение лопастей, установленных на оси, заставляет роторгенератор совершать вращательные движения, генерирующие электричество.
Нестабильный переменный ток направляется в контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение для зарядки батарей. Затем питание поступает на инвертор, где трансформируется в переменное напряжение 220/380 В и подается потребителям.
Ветрогенератор вырабатывает энергию, пропорциональную силе воздушного потока (N), которая определяется формулой N=pSV. 3Подвиг определяется формулой 2, в которой V – скорость ветра, S – площадь работы, p – плотность воздуха.
Устройство ветряного генератора
Ветрогенераторы представлены в широком разнообразии моделей.
Промышленные агрегаты — сложные многокомпонентные системы, установка которых предполагает закладку фундамента. Бытовые модели могут состоять из минимального набора элементов (электродвигатель постоянного тока 3-12В, электроконденсатор 1000 мкФ 6В, кремниевый выпрямительный диод).
В типовой установке представлены следующие компоненты.
- Устройство, вырабатывающее ток переменного направления (мощность определяется силой ветра).
- Лопасти передают вращение на вал генератора; иногда их комплектуют редукторами и устройствами для стабилизации скорости вращения ротора.
- Ветровая пила, к которой прикрепляются лопасти; чем выше располагаются эти элементы, тем больше ветровой энергии получают.
- Аккумуляторы хранят энергию, что дает возможность её использовать при слабом или отсутствующем ветре. Батарея также стабилизирует электроэнергию, поступающую от генератора.
- Контроллер преобразует переменное напряжение от генератора в постоянное для зарядки батареи.
Управление контроллером происходит путем поворота лопастей, позволяя учитывать направление воздушных потоков. - АВР – это устройство автоматического переключения, которое соединяет ветроустановку с другими поставщиками электроэнергии (солнечными батареями, электрической сетью).
- Датчик направления ветров — устройство, упрощающее поиски ветрового потока лопастям.
- Устройство, преобразующее электрический ток постоянного напряжения от аккумуляторных батарей в переменный, используемый в электрокоммуникациях.
Чтобы лучше отвечать запросам пользователей, устройство можно оснастить разными видами преобразователей.
- Приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей прямоугольную синусоиду. Такие устройства подходят для ТЭНов, ламп накаливания и прочих приборов, не требующих высокого качества сети.
- Инверторы переменного тока, предназначенные для трёхфазных сетей.
- Установки с чистым синусоидальным выходом, предназначенные для питания высокочувствительного оборудования.
- Сетевые инверторы, не требующие аккумуляторов, созданы для систем, которые получают энергию из общей сети напрямую.
При подборе моделей важно учитывать тип инвертора.
Типы ветряных генераторов
При классификации ветротурбин берут во внимание характеристики, например:.
- назначение;
- конструктивные особенности;
- число лопастей;
- материалы, из которых они изготовлены;
- ось вращения;
- шаг винта.
Внимательно изучим две самые популярные системы классификации.
Классификация ветрогенераторов по назначению
Различают типы ветроустановок в зависимости от их применения. Цель установки определяет важные параметры устройств, такие как мощность.
Промышленные ветряные турбины
Эти устройства энергетические компании или органы государственной власти устанавливают для обеспечения промышленными объектами электроэнергией. Турбины мощностью десятков мегаватт располагают обычно на ветряных площадках — открытых возвышенностях и побережьях.
Электроэнергия подается обычно в сеть напрямую, а для поддержания стабильной частоты вращения лопастей турбин применяют дополнительные устройства.
Коммерческие ветровые генераторы
Эти установки вырабатывают электроэнергию, которую можно продавать или использовать для питания предприятий в районах с слабо развитой или отсутствующей электрической сетью. Ветровые электростанции включают группу генераторов различной мощности.
Энергия коммерческих установок может идти сразу в электрические сети или же применяться для подзарядки большой группы аккумуляторов, которые накапливают и перерабатывают ее для подачи в энергосистему.
Бытовые ветряные устройства
Агрегаты малой мощности предназначены для личного пользования. В соответствии с нормативными актами ветряные установки с опорами до 25 метров хозяева участков могут устанавливать без согласования с властями, для более высоких опор требуется специальное разрешение.
Ветрогенераторы для бытовых нужд подходят для зарядки аккумуляторов на 12/24/48 вольт, которые преобразуют энергию в напряжение 220 Вольт. Такая система может полностью или частично решить вопрос с электроснабжением небольших объектов, удалённых от централизованной электрической сети.
Выбор ветрогенератора для энергоснабжения частного дома. ознакомит статья, посвященная этому интересному вопросу.
Разновидности конструкций ветряков
С точки зрения конструкции выделяются несколько категорий, но все варианты условно делятся на два главных типа. вертикальные и горизонтальные.
Классические горизонтальные ветрогенераторы
Установка такого типа, которую также называют пропеллерной или крыльчатой, обычно имеет три до пяти лопастей, закреплённых на горизонтальной оси. Вращаясь с высокой скоростью, такие элементы позволяют получить максимальное количество энергии (КИЭВ до 0.4).
Производство электроэнергии существенно увеличивается с ростом высоты установки.
Такие приборы часто устанавливают на ветряных электростанциях, генерирующих энергию для промышленности и бизнеса.
Модель горизонтального ветряка с одной лопастью предлагает интересное решение. Фотографии в следующем разделе демонстрируют особенности этой модели.
Вертикальные ветровые турбины
В таких установках используется вращающееся ветроколесо. Конструктивные особенности приводят к различиям типов установок, например, «Бочка» и «Савониус».
Фото-подборка иллюстрирует принцип действия турбины вертикального генератора Савониуса.
Несмотря на низкий показатель КИЭВ (0.1-0.2), эти установки находят достаточно широкое применение: вертикальные установки действуют на турбулентных потоках воздуха, благодаря чему их можно размещать даже в районах с редким встречным ветром.
Чтобы эффективность вертикальных ветряков была выше, производители увеличивают их габариты, что ведет к существенному росту цены. Такие конструкции довольно хрупкие, поэтому им нужна усиленная защита от штормов и стихийных бедствий.
Ветрогенераторы «Ротор Дарье»
Данные устройства принадлежат к классу вертикальных ветровых турбин, но обладают заметными конструктивными различиями. За счёт этих особенностей уменьшается шум, а коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) увеличивается и приближается к показателям горизонтальных моделей.
Такие конструкции обладают слабым начальным моментом из-за двух лопастей, что затрудняет самостоятельный старт. Для преодоления этого недостатка часто используют гибрид «Савониус+Дарье».
Парусные ветровые установки
Для этих установок можно использовать устройство как вертикальных, так и горизонтальных ветряков. Главное конструктивное отличие — ветроколесо с большим числом лопастей или парусов, без аэродинамического профиля.
Хотя парусные установки отличаются медленной скоростью и невысокой эффективностью, их часто используют в народном хозяйстве. Такие конструкции просты в сборке и обслуживании, а высокое крутящее усилие при низких оборотах позволяет напрямую задействовать разные полезные механизмы, например, насос для откачки воды.
Галерея демонстрирует одну из работающих моделей парусных ветряков.
Генератор для ветровой турбины
Для работы ветряных электростанций требуются стандартные трехфазные генераторы.
В устройствах для ветряных турбин установлена трехфазная обмотка статора с соединением типа «звезда», имеющая три провода, ведущих к контроллеру, осуществляющему преобразование переменного напряжения в постоянное.
Чтобы повысить производительность часто применяют мультипликатор. Это приспособление может увеличить мощность существующего генератора или позволить использовать устройство более компактного размера, что уменьшает затраты на установку.
Мультипликаторы чаще используют в вертикальных ветрогенераторах, работающих с более медленным вращением ветроколеса. Горизонтальные устройства с высокой скоростью вращения лопастей мультипликаторов не нуждаются, что упрощает и делает конструкцию дешевле.
Специфика сборки и монтажа ветрогенератора из стиральной машинки и ветроустановки из автомобильного генератора Подробно рассмотрена в предлагаемых материалах.
Плюсы и минусы ветрогенератора
Тщательно проанализируем плюсы и минусы ветротурбин, поскольку от этого зависит выбор – установить их или нет.
Достоинства ветряных устройств
Преимущества установок, работающих от ветровой энергии:
- Экологичность. Установка задействует возобновляемую энергию для непрерывной работы без вреда природе. Энергия, производимая ветряными турбинами, замещает электричество с тепловых станций, снижая выделение парниковых газов.
- УниверсальностьВетровые электростанции можно возводить на разных территориях: равнинах, горных районах, полях, островах и даже в shallow waters. Ветровая энергия особенно полезна в труднодоступных местах, куда сложно протянуть традиционные электрические сети. Ветрогенераторы способны обеспечить энергоснабжение объектов, гарантируя независимость от внешних факторов (например, не доставленного вовремя топлива).
- Эффективность использованияСовременные модели вырабатывают энергию даже при слабом ветре – скорость не ниже 3,5 м/с. Такой способ позволяет доставлять электроэнергию в общее энергообеспечение и организовывать электроснабжение отдельных объектов, независимо от их потребления.
- Достойная альтернатива традиционным источникам. Стационарные ветровые установки способны полностью снабжать электричеством жилой дом или небольшой промышленный цех. Для этого турбины будут аккумулировать нужный объем энергии в аккумуляторах, который позволит пользоваться электроэнергией и в безветренные периоды.
- Экономичность. Велотурбины в сравнении с традиционными источниками энергии (газ, торф, уголь, нефть) снижают потребление электроэнергии. Строительство ветроэлектростанции часто оказывается более экономичным, чем подключение к существующим энергосетям.
Ветряные электростанции могут заменить дорогие дизельные генераторы, уменьшая расходы на перевозку и хранение топлива до 80%.
Средняя мощность ветротурбины существенно ниже пикового значения нагрузки. Ветрогенератор производит энергию с учетом средней месячной скорости ветра, типичной для данного региона.
Для более точного определения возможностей ветровой энергетики можно использовать параметры Вейбулла. Эти показатели показывают характерное для данной местности распределение ветров с разной силой. Такую информацию нужно учитывать при проектировании ветропарков мощностью десятков мегаватт.
Мощность, вырабатываемая ветротурбиной, прямо пропорциональна утроенной скорости ветра. Поэтому этот показатель невелик при слабом ветре, но резко возрастает с его усилением. Из-за изменчивости направления и силы ветра в конструкции ветровой турбины требуется предусмотреть стабилизирующие элементы.
Формулы для определения мощности ветроэлектростанции. приведены здесьПредлагаем вам изучить содержательную информацию.
В маленьких автономных системах аккумуляторы берут на себя эту задачу: заряд их растет при избытке мощности ветрового генератора по сравнению с потреблением энергии.
Разнообразие конструкций ветрогенераторов положительно влияет на эффективность использования ветровых потоков.
Горизонтальные турбины эффективны на равнинах с сильными ветрами, а вертикальные – в районах с неспокойным воздушным потоком у поверхности земли (на склонах холмов, горных вершинах).
Главные недостатки ветряков
В то же время у ветряных электростанций имеются и отрицательные стороны.
- Предсказание силы ветра затруднительно из-за его переменчивости. Следует предусмотреть резервный источник энергии (солнечные батареи, подключение к сети) как страховой вариант.
- Центробежные силы, возникающие во время вращения лопастей винта вокруг главной оси, могут привести к разрушению лопастей вертикальных устройств. В результате такого воздействия важнейшие детали конструкции постепенно деформируются и разрушаются, вызывая выход механизма из строя.
- Установка ветряных турбин в открытых местах предпочтительнее, так как строения, стоящие поблизости, способны ослаблять поток воздуха и создавать «мертвые зоны».
- Для аккумулирования излишней энергии ветротурбин конструкция должна включать аккумуляторы и устройства, преобразующие электричество в ток, соответствующий потребностям потребителей.
- Ветряные генераторы во время работы производят шум, вызывающий у людей дискомфорт и отталкивающий животных. При этом лопасти установок представляют опасность для птиц, которые могут погибнуть при приближении к ним.
- Ветровые установки могут негативно влиять на качество приема радиосигнала и телепередач, по убеждению некоторых экспертов.
Недостатком таких устройств является высокая цена, но это сглаживается низкой стоимостью энергии.
Схемы и способы подключения
Ветрогенератор может функционировать и независимо, но лучшие результаты достигаются с помощью комбинаций из ветровых установок, солнечных батарей, централизованной сети, а также дизельных или газовых генераторов.
Автономная работаВ данном случае устанавливают одиночное устройство, с помощью которого собирают и аккумулируют энергию ветра, которую потом преобразовывают в нужный потребителям электрический ток.
Совмещение ветрогенератора с солнечными панелямиКомбинированный вариант – надёжный и эффективный способ подачи электричества. При отсутствии ветра аккумулятор функционирует от солнечных панелейВ пасмурные дни и ночью энергия вырабатывается ветряной установкой.
Комбинированная работа ветрогенератора и электросети. Ветротурбину можно совмещать с элетрокоммуникациями.
Излишки электроэнергии передаются в централизованную сеть, а при дефиците её возможно использовать из общесистемной энергосети.
Нюансы применения ветрогенераторов
В настоящее время ветряные турбины применяют в разных отраслях экономики. Промышленные модели разной мощности используют нефтегазовые компании, телекоммуникационные организации, буровые и геолого-разведочные станции, производственные предприятия и государственные учреждения.
Важно использовать ветряные установки для быстрого восстановления электроснабжения после стихийных бедствий и катастроф. МЧС часто применяет ветрогенераторы в таких ситуациях.
Ветротурбины отлично подходят для обеспечения электричеством и теплом дачных участков, частных домов и хозяйств на фермах.
Обратите внимание на следующие нюансы:
- Устройства мощностью до 1 киловатта обеспечивают достаточное количество электроэнергии только в районах с сильным ветром. Вырабатываемая ими энергия обычно хватает только на светодиодное освещение и работу небольших электронных устройств.
- Для полного электроснабжения дачного домика требуется ветряной генератор мощностью более 1 кВт. Такой показатель подходит для освещения, компьютера и телевизора, но не хватает для бесперебойного функционирования современного холодильника.
- Для энергоснабжения коттеджа потребуется ветряк мощностью 3-5 кВт, но такой мощности недостаточно для отопления домов. Для отопления нужен более мощный ветряк, не менее 10 кВт.
При выборе модели необходимо учитывать, что мощность, указанная на устройстве, достигается только при максимальной скорости ветра. Например, установка мощностью 300 В будет вырабатывать это количество энергии лишь при скорости потоков воздуха в 10-12 м/с.
Хотите построить ветряную турбину самостоятельно? следующую статьюПубликация, содержащая подробные сведения, представляющие ценность.
Выводы и полезное видео по теме
Видео подробно рассказывает о принципе работы и устройстве домашнего ветряного генератора.
Ветрогенератор — хороший способ получать электроэнергию, особенно для людей из удаленных районов. Российские и иностранные компании продают много разных моделей ветровых установок, а также есть возможность собрать модель своими руками.
Расскажите в комментариях о строительстве ветряного генератора на своем участке или работе ветряка у соседей. Уточняйте детали, делитесь опытом и фотографиями.