Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Сучасний кінетичний вітрогенератор дозволяє скористатися силою повітряних потоків, перетворивши її в електрику. Для цієї мети існують заводські і саморобні моделі пристроїв, які застосовують як в промисловості, так і в приватних господарствах.

Ми розповімо про те, як влаштовані вітряки цього типу, познайомимо з особливостями будови і конструктивними варіантами. У запропонованій нами статті наведені слабкі і сильні сторони вітряної енергетичної установки. Самостійні майстра у нас знайдуть корисні схеми і рекомендації по збірці.

Принцип роботи вітрогенератора

В основу функціонування вітрогенератора покладена трансформація кінетичної енергії вітру в механічну енергію ротора, яка потім перетворюється в електроенергію.

Принцип роботи досить простий: обертання лопатей, закріплених на осі пристрою, призводить до кругових рухів роторгенератора, завдяки чому виробляється електроенергія.

Вітроенергетика є однією з найбільш перспективних галузей відновлюваної енергетики. Сучасні конструкції дозволяють економічно ефективно застосовувати силу повітряних потоків, використовуючи її для вироблення електрики

Одержуваний нестабільний змінний струм «стікає» в контролер, де він перетвориться в постійну напругу, здатне зарядити батареї. Звідти харчування надходить на інвертор, де воно трансформується в змінну напругу з показником 220/380 В, яке і подається споживачам.

Потужність вітрогенератора безпосередньо залежить від потужності потоку повітря (N), розраховується відповідно до формули N = pSV 3/2, де V - швидкість вітру, S - робоча площа, p - щільність повітря.

Пристрій вітряного генератора

Різні варіанти вітрогенераторів значно відрізняються один від одного.

На наведеній схемі представлено внутрішній устрій класичного горизонтального вітряного генератора. Такі моделі найбільш часто використовуються як в промисловості, так і в побуті

Промислові пристрої являють собою складну многометровую конструкцію, для установки якої потрібно фундамент, в той час як побутова модель може складатися з мінімуму компонентів (електродвигуна постійного струму 3-12В, ЕЛЕКТРОКОНДЕНСАТОР 1000 мкФ 6В, кремнієвого випрямного діода).

Типова установка включає в себе наступні складові частини:

  • генератор змінного струму (потужність залежить від швидкості вітрових потоків);
  • лопаті, які передають обертання до валу генератора (часто вони додатково оснащені редукторами, стабілізаторами швидкості обертання ротора);
  • щогла вітряка, до якої кріпляться лопаті (чим вище знаходяться ці елементи, тим більша кількість вітрової енергії вони можуть отримати);
  • акумулятори, що накопичують енергію, що дозволяє використовувати її при невеликому вітровому потоці або його повної відсутності. Батарея також виконує функцію стабілізації електричної енергії, що надійшла від генератора;
  • контролер - перетворювач змінної напруги, отриманого з генератора, в постійне, яке застосовується для заряду батареї. Управління контролером здійснюється поворотом лопатей, що дозволяє враховувати, куди рухаються потоки повітря;
  • АВР - пристрій автоматичного перемикання, що зв'язує вітрогенератор з іншими джерелами енергії (сонячними панелями, електромережею);
  • датчик напрямку вітрів - прилад, який полегшує лопатей пошук вітрового потоку;
  • інвертор для перетворення постійного струму з акумуляторів в змінну напругу, яка застосовується в Електрокомунікації.

Для більш повного задоволення призначених для користувача потреб прилад може бути забезпечений різними типами інверторів:

  • пристосування з інвертормодіфіцірованной синусоїдою, яка видає квадратну синусоїду. Пристрої цього типу підійдуть для ТЕНів, ламп розжарювання та інших приладів, невимогливих до якості мережі;
  • інвертори трифазного напруги, розраховані для трифазних електромереж;
  • установки з чистою синусоїдою, які виробляють енергію для більш чутливою техніки;
  • інвертори мережеві, здатні функціонувати без батарей. Подібні пристрої призначені для схем, які передбачають потрапляння електричної енергії безпосередньо в загальну мережу.

При виборі моделей слід обов'язково звертати увагу на різновид інвертора.

Типи вітряних генераторів

При класифікації вітротурбін можуть враховуватися такі характеристики як:

  • призначення;
  • конструктивні особливості;
  • число лопатей;
  • матеріали, з яких вони виготовлені;
  • вісь обертання;
  • крок гвинта.

Розглянемо детально дві найбільш часто використовувані класифікації.

Класифікація вітрогенераторів за призначенням

Виділяють різновиди вітроустановок, що відрізняються призначенням. Від цього залежать і основні характеристики пристроїв, наприклад, потужність.

Промислові вітряні турбіни

Такі пристрої встановлюються великими енергетичними компаніями або державою для постачання електроенергією промислових об'єктів. Турбіни, мають потужність в десятки мегават, зазвичай розміщуються на вітряних ділянках (відкритих височинах, узбережжях).

Вітропарки, де встановлюються десятки вітряних турбін, розбиваються не тільки на землі, а й на мілководді. Одержуване електрику зазвичай застосовується в промислових цілях

Вироблена електроенергія, як правило, надходить прямо в мережу, при цьому для стабільності і регулювання частоти обертання лопатей вітротурбіни оснащуються додатковими механізмами.

Комерційні вітрові генератори

Такі установки використовуються для отримання електроенергії на продаж або для забезпечення електрикою виробництв в регіонах з малопотужної електромережею (або з повною її відсутністю). Подібні вітроелектростанції складаються зі скупчення електрогенераторів, які можуть мати різну потужність.

Енергія комерційних установок може надходити безпосередньо в електричні комунікації або використовуватися для зарядки великого масиву батарей, де вона накопичується і перетворюється для подачі в енергосистему.

Побутові вітряні пристрої

Агрегати малої потужності застосовуються для приватного використання. Згідно з правилами, вітряки з щоглами висотою менше 25 метрів можуть встановлюватися господарями ділянок без узгодження з владою, для більш високих щогл необхідно отримати спеціальний дозвіл.

Вітряки слабкої та середньої потужності можуть служити джерелом електричної енергії для котеджів, дач, заміських будинків, фермерських господарств

Побутові вітрогенератори підходять для зарядки акумуляторів з напругою 12/24 / 48В, енергія з яких трансформується в напругу 220 Вольт. Такі пристрої дозволяють повністю або частково вирішити проблему з харчуванням електроенергією невеликих об'єктів, які розташовуються далеко від централізованої електромережі.

З орієнтирами вибору вітрогенератора для забезпечення енергією приватного будинку ознайомить стаття, присвячена цьому цікавого питання.

Різновиди конструкцій вітряків

За конструктивними особливостями пристрою також можна розділити на ряд категорій, хоча всі різновиди зводяться до двох основних типів: вертикальні і горизонтальні.

Класичні горизонтальні вітрогенератори

Подібні установки (їх також називають пропелерними або крильчасті) зазвичай мають 3-5 лопатей, встановлених на горизонтальній осі. Обертаючись з високою швидкістю, такі елементи дозволяють отримати максимальну кількість енергії (КВЕВ до 0.4).

При цьому кількість виробленої електроенергії багато в чому залежить від висоти пристрою (чим вона вища, тим більше результат).

Горизонтальний вітрогенератор використовує підйомну силу, що виникає при зростанні тиску в точці, де прямий повітряний потік проходить крізь лопаті, відбиваючись від цих елементів

Подібні пристрої зазвичай встановлюються в вітропарк, де виробляється енергія для промислового і комерційного використання, однак вони підходять і для побутового застосування.

Вертикальні вітрові турбіни

Чинним елементом подібних установок є обертається вітроколесо. Через конструктивних особливостей подібні конструкції розрізняються за типами ( «Бочка», «Савоніуса»).

Незважаючи на низький показник КВЕВ (0.1-0.2), вони знаходять досить широке застосування: вертикальні установки діють на турбулентних потоках повітря, завдяки чому їх можна розміщувати навіть в районах, де рідко дмуть сильні вітри.

Робота вертикальних вітрогенераторів не залежить від напрямку вітрів. Вони прості в монтажі та експлуатації, до того ж такі пристрої можна ставити близько до землі

Для підвищення результативності вертикальних вітряків виробники часто підвищують їх розмірні параметри, що призводить до значного збільшення вартості. Оскільки подібні установки досить крихкі, їм потрібна підвищена захист від ураганів та інших природних явищ.

Вітрогенератори «Ротор Дарині»

Такі пристрої відносяться до категорії вертикальних вітряних турбін, проте мають виражені відмінності в конструкції. Завдяки подібним особливостям, досягається зниження шуму, а також виростає КВЕВ, який наближається до показників горизонтальних моделей.

Запропонована в 1931 році французьким авіаконструктором Жоржем Дарині турбіна низького тиску з віссю обертання, перпендикулярної повітряному середовищі, знайшла широке застосування в вітроенергетиці

Недоліком подібних конструкцій є низький стартовий момент (через наявність всього двох лопатей пристрою складно стартувати самостійно). Для вирішення проблеми часто застосовується гібрид «Савоніуса + Дарині».

Вітрильні вітрові установки

Для подібних установок може застосовуватися принцип пристрою як вертикального, так і горизонтального вітряків. Основною конструктивною особливістю є вітроколесо, покрите безліччю лопатей або вітрил, при цьому аеродинамічний профіль у таких моделей відсутній.

Існує безліч моделей вітрильних вітряних генераторів, які розрізняються за кількістю лопатей, вагою, потужності. Всі ці параметри слід враховувати при виборі пристрою

Незважаючи на те, що вітрильні установки відрізняються тихохідні і невеликий ефективністю, їх часто застосовують в народному господарстві. Подібні конструкції легкі в монтажі та експлуатації, а поєднання високого крутного моменту з низькими оборотами дозволяє безпосередньо приводити в рух різні корисні механізми, наприклад, насос для викачування води.

Генератор для вітрової турбіни

Для функціонування вітряків необхідні звичайні трифазні генератори. Конструкція таких пристроїв аналогічна моделям, застосовуваним на автомобілях, але має великі параметри.

У приладах для вітряних турбін передбачена трифазна обмотка статора (з'єднання по типу «зірка»), звідки виходять три дроти, що йдуть на контролер, де відбувається трансформація змінної напруги в постійне.

Ротор генератора для вітротурбіни виготовляється на неодімових магнітах: в подібних конструкціях недоцільно використовувати електровозбужденіе, оскільки котушка споживає багато енергії

Для підвищення оборотів нерідко застосовується мультиплікатор. Таке пристосування дозволяє збільшити потужність діючого генератора або використовувати пристрій меншого розміру, що знижує вартість установки.

Мультиплікатори частіше застосовуються в вертикальних вітрогенератори, у яких процес обертання вітроколеса здійснюється повільніше. Для горизонтальних пристроїв з високою швидкістю обертання лопатей мультиплікатори не потрібні, що спрощує і здешевлює конструкцію.

Специфіка складання і монтажу вітрогенератора з пральної машинки і вітроустановки з автомобільного генератора докладно викладена в рекомендованих нами статтях.

Плюси і мінуси вітрогенератора

Розглянемо детально переваги і недоліки вітротурбін, так як саме від них залежить вирішення придбати вітряк або відмовитися від нього.

Переваги вітряних пристроїв

До числа переваг пристроїв, що використовують вітрову енергію, відносяться:

  • Екологічність. Установки використовують поновлюване джерело енергії, яким можна користуватися постійно, не завдаючи шкоди навколишньому середовищу. Електрика, що виробляється вітрогенераторами замінює енергію теплових електростанцій, зменшуючи викид парникових газів.
  • Універсальність. Вітрові електростанції можна будувати практично скрізь: на рівнинах, в горах, на полях, на островах і навіть на мілководді. Вітрова енергія особливо цінується в віддалених місцях, куди складно протягнути звичні електричні комунікації. Вітрогенератори в цьому випадку дозволяють налагодити енергопостачання об'єктів, забезпечуючи йому незалежність від випадкових чинників (наприклад, від недоставлені вчасно палива).
  • Ефективність використання. Сучасні моделі переробляють енергію навіть слабких вітрів - мінімальна межа становить 3, 5 м / с. Подібним чином можна проводити допоставку електроенергії в централізовану мережу, а також організувати електропостачання окремих об'єктів (острівних або локальних) незалежно від їх потужності.
  • Гідна альтернатива традиційним джерелам. Стаціонарні вітрові електростанції можуть повністю забезпечити електрикою житловий будинок або навіть дрібний виробничий об'єкт. В цьому випадку турбіна буде накопичувати в акумуляторах необхідний запас електроенергії, призначений для використання під час тихих періодів.
  • Економічність. У порівнянні з традиційними джерелами електричної енергії (газ, торф, кам'яне вугілля, нафта), велотурбіни дозволяють значно знизити енерговитрати. У багатьох випадках споруда вітроелектростанції обходиться дешевше, ніж підключення до існуючих енергосистем.

Застосування вітряків може виступати альтернативою використанню дорогих дизельних генераторів, додатково знижуючи витрати на транспортування і зберігання пального до 80%.

Усереднена потужність вітротурбіни в рази відрізняється від показника пікового навантаження. Вітрогенератор відповідає лише за величину вироблення енергії за певний проміжок часу при середньомісячній швидкості вітру, характерною для даної місцевості.

Для більш точної оцінки вітрових ресурсів можна скористатися спеціально виведеними даними (параметрами Вейбулла). Ці показники відображають характерний для конкретної місцевості розподіл вітрів різної сили. Подібні відомості важливо враховувати при розробці проектів вітропарків, потужність яких становить десятки МВт.

Виробляється вітротурбіни потужність пропорційна потроєною швидкості вітру. Отже, цей показник дуже малий при слабких вітрових потоках, проте при їх посиленні - різко зростає. Через мінливості напрямку вітрів і їх швидкості при конструкції вітрової турбіни необхідно передбачити стабілізуючі компоненти.

Правила і формули для розрахунку потужності вітрогенератора наведені тут, рекомендуємо ознайомитися з вельми корисною інформацією.

У невеликих автономних системах їх функцію виконують батареї, заряд яких починає збільшуватися, як тільки потужність вітрогенератора перевищить показник навантаження.

При зростанні навантаження батарея може розрядитися. Таку особливість роботи важливо враховувати при виборі побутового агрегату, його потужність повинна збігатися з місячної або річної нормою споживання електроенергії

Слід зазначити, що ефективному застосуванню вітрових потоків сприяє різноманітність конструкцій вітрогенераторів.

Горизонтальні турбіни дають високі показники на рівнинних місцях, де багато вітрів, тоді як вертикальні турбіни краще працюють в регіонах з турбулентними потоками, що спостерігаються низько від землі (у верхній частині пагорбів, гірських хребтах).

Головні недоліки вітряків

У той же час, у вітряків є і свої негативні сторони:

  • Величину сили вітру складно передбачити заздалегідь, так як вона часто змінюється. Через це бажано продумати підстрахування, передбачивши дублюючий джерело енергії (солярні панелі, підключення до електромережі).
  • Вертикальні пристрої наражаються на небезпеку руйнування лопатей гвинта через вплив відцентрових сил при обертанні лопатей навколо головної осі. Внаслідок подібного ефекту важливі елементи конструкції з часом деформуються і руйнуються, а механізм виходить з ладу.
  • Вітряки краще встановлювати на вільному просторі, оскільки розташовані поруч будівлі можуть «гасити» вітер, утворюючи «мертву» повітряну зону.
  • Для збереження надлишкової енергії вітротурбін необхідно передбачити в конструкції використання акумуляторів та інших додаткових приладів, що служать для перетворення отриманого електрики в ток з відповідними споживчими характеристиками.
  • При роботі вітряні генератори видають шум, який може заподіювати дискомфорт людям, відлякувати тварин. Лопаті установок можуть також стати причиною загибелі підлетіли до них птахів.
  • На думку деяких фахівців, вітротурбіни здатні погіршувати прийом радіо- і телевізійних передач.

До негативних моментів можна також віднести досить високу вартість подібних агрегатів, проте дешевизна джерела енергії багато в чому нівелює цей фактор.

Схеми і способи підключення

Хоча ветроустановка може працювати і автономно, значно кращого результату вдається досягти за допомогою комбінованих схем, які передбачають поєднання вітрового пристрої з сонячними батареями, централізованої електромережею, дизельними або газовими джерелами енергії.

Автономна робота. У цьому випадку ставиться одинична установка, за допомогою якої вловлюється і накопичується вітрова енергія, яка потім перетворюється в необхідний споживачам електричний струм.

На схемі продемонстрований найбільш простий спосіб застосування вітрогенератора, який доцільно використовувати в регіонах, де постійно дмуть сильні вітри

Поєднання вітрогенератора з сонячними панелями. Комбінований варіант вважається надійним і ефективним способом електропостачання. У разі відсутності вітру акумулятор працює від сонячних панелей, а в похмуру погоду і протягом ночі зарядка походить від вітрової установки.

Ідеальний варіант для приватного будинку або господарства, розташованого далеко централізованої електромережі. Така комбінована схема дозволяє використовувати два види відновлюваної енергії

Комбінована робота вітрогенератора і електромережі. Вітротурбіну можна поєднувати з елетрокоммунікаціямі.

Подібна схема типова для промислових і комерційних пристроїв. Підключення до Електрокомунікації передбачають також деякі моделі побутових вітрогенераторів

При надлишку виробленої електрики воно надходить в централізовану мережу, а при його нестачі є можливість скористатися електричним струмом із загальної енергосистеми.

Нюанси застосування вітрогенераторів

В даний час вітряні турбіни використовуються в різних сферах народного господарства. Промислові моделі різної потужності застосовуються нафтогазовими, телекомунікаційними компаніями, буровими і геолого-розвідувальними станціями, виробничими об'єктами і державними установами.

Вітряк може використовуватися в якості додаткового джерела енергії в лікарнях та інших установах, щоб забезпечити безперервну подачу електроенергії в аварійних ситуаціях

Особливо слід відзначити важливість застосування вітряних установок для оперативного відновлення порушеного електрики при катаклізмах і стихійних лихах. З цією метою вітрогенератори часто застосовуються підрозділами МНС.

Побутові вітротурбіни прекрасно підходять для організації освітлення та опалення котеджних селищ і приватних будинків, а також для господарських цілей на фермах.

При цьому слід врахувати деякі моменти:

  • Пристрої до 1 кВт можуть дати достатню кількість електроенергії лише в вітряних місцях. Зазвичай виробленої ними енергії вистачає лише на світлодіодне освітлення та живлення дрібних електронних приладів.
  • Щоб повністю забезпечити електрикою дачу (заміський будиночок) знадобиться вітряної генератор потужністю понад 1 кВт. Такого показника достатньо для живлення освітлювальних приладів, а також комп'ютера і телевізора, проте його потужності недостатньо, щоб забезпечити електрикою цілодобово працює сучасний холодильник.
  • Для забезпечення енергією котеджу знадобиться вітряк потужністю 3-5 кВт, проте навіть такого показника не вистачить для опалення будинків. Щоб скористатися подібною функцією необхідний потужний варіант, починаючи від 10 кВт.

При виборі моделі слід врахувати, що показник потужності, вказаний на пристрої, досягається лише при максимальній швидкості вітру. Так, установка в 300В буде виробляти вказану кількість енергії лише при швидкості потоків повітря в 10-12 м / с.

Бажаючим спорудити вітрогенератор власними руками ми пропонуємо наступну статтю, в якій детально викладена корисна інформація.

Висновки і корисне відео по темі

На представленому нижче відеоролику дається детальна інформація про принцип роботи і пристрій побутової моделі вітряного генератора:

Вітрогенератор - відмінне джерело виробництва електричної енергії, який особливо оцінять жителі віддалених місць. Різні російські і зарубіжні підприємства пропонують великий асортимент вітряних конструкцій, крім того, побутові моделі можна зробити і своїми руками.

Пишіть, будь ласка, коментарі в розташованому нижче блоці. Розкажіть про те, як споруджували вітряної генератор на вашій ділянці, або про те, як працює вітряк у ваших сусідів. Задавайте питання, діліться корисною інформацією та фото по темі.

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія:

Будівництво