31043 Опубликовано 7 января 2017
В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом.
Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.
Принцип работы
Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии.
Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума.
Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.
Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов
Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором.
Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках.
Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.
Принципиальная схема ветрогенератора
Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки.
Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию.
Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:
- для автономной работы;
- параллельно с резервным аккумулятором;
- вместе с солнечными батареями;
- параллельно с дизельным или бензиновым генератором.
Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.
Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.
Система торможения вращения лопастей
Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.
Конструкция ветрогенератора и узлов
При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти.
Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество.
Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.
Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер
Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:
- установка экологически чистая;
- отсутствует потребность её заправки топливом;
- не накапливаются какие-либо отходы;
- устройство работает очень тихо;
- имеет большой срок эксплуатации.
Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток.
Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду.
Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.
Увеличение мощности установки
Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока.
Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных.
На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.
Увеличить мощность ветроустановки можно с помощью системы резервирования электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.
Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.
Для трехфазных схемы электропитания необходимо установить по инвертору на каждую фазу.
Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.
Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора
Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки.
Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем.
Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.
Выбор ветрогенератора
Самые качественные ветряки производят в Германии, Франции и Дании.
Эти страны делают ветровые установки для снабжения электричеством жилого частного сектора, фермерских хозяйств, школ, небольших торговых точек.
В России из-за низкой стоимости электроэнергии и негласной монополии на продажу электроэнергии ветроустановки, солнечные панели и другие виды альтернативной энергии не сильно распространены.
Мобильный ветрогенератор подойдет для нефтепромышленности или монтажных бригад, которые ведут строительство в полях (прототип)
Но высокая стоимость подключения удаленных объектов от электросетей (есть до сих пор не электрифицированные деревни), хамство чиновников, длительные процедуры хождения и получения ТУ у монопольных компаний вынуждают собственников использовать альтернативную энергию своих объектов.
Прежде все вы должны понимать, что КПД ветровой установки составляет около 60%, есть зависимость от скорости ветра, и потребуется периодически проводить ТО.
Если вы все-таки решили сделать выбор в пользу ветрогенератора, следует знать. Выбирать ветрогенератор нужно исходя из конкретных обстоятельств его применения.
Существуют новые разработки и модели: с повышенным КПД, вертикальные, горизонтальные, ортогональные, безлопастные.
Подсчитывается активная и резистивная мощность всех потребителей энергии.
Для предприятий или частного дома эти данные могут быть в проекте или счетах за электроэнергию.
Если вам необходимо обеспечить электроэнергией дачу выбирается модель ветроустановки на 1-3 кВт, инвертор нужно небольшой мощности и можно обойтись без аккумуляторных батарей.
Принцип наличия дачной ветроустановки прост: есть ветер — есть электричество, нет ветра — работаем в огороде или по хозяйству. Простой ветрогенератор можно сделать самому, достаточно собрать необходимые материалы и соединить их вместе.
Для частного дома постоянного проживания, такой принцип не подойдет. При частом отсутствии ветра следует придать особое значение аккумулятору. Здесь нужна большая ёмкость.
Однако, чтобы он быстрее заряжался, сам генератор электричества также должен быть большой мощности. То есть отдельные узлы установки тесно взаимосвязаны друг с другом.
Более надежная комбинация — симбиоз с дизель-генератором и солнечными панелями. Это 100% гарантия наличия электричества в доме, но и более дорогая.
При наличии скважины вы будете полностью энергонезависимые от внешних сетей.
Сейчас большое распространение получили коммерческие ветровые установки. Получаемая с их помощью электроэнергия продается различным предприятиям, испытывающим недостаток в энергоснабжении. Обычно такие электростанции состоят из нескольких ветрогенераторов различной мощности.
Вырабатываемое ими переменное напряжение в 380 вольт подается непосредственно в электросеть предприятия.
Кроме того, ветрогенераторы могут использоваться для зарядки большого числа аккумуляторных батарей, с которых потом преобразованная в переменное напряжение энергия также подается в электрическую сеть.
Ветрогенераторы российского производства
В большинстве случаев владельцы предприятий ставят ветроустановки, солнечные панели и дизель-генераторы для нужд собственного производства.
Получение разрешение на продажу электричества в России — это, скажем так, отдельная история. После проведения энергоаудита, высвобождаются мощности, например, путем замены ламп освещения на светодиодные.
Подсчитывается срок окупаемости, при отсутствии бюджета можно разделить модернизацию на этапы.
Технологии развиваются. Создаются энергонезависимые дома, офисы, станции на земле и воде. Наша команда инженеров поможет вам с выбором, расчетом, проектом и монтажом оборудования. Готовы ответить на ваши вопросы в х или через форму.
Ветровые генераторы: обзор, принцип работы, конструкция и устройство :
Системы альтернативного энергообеспечения для дома становятся все более актуальными по мере развития средств электрического преобразования. Практически бесплатную энергию природных явлений сегодня можно конвертировать в полноценный ток, который может питать бытовые приборы.
Наиболее популярной концепцией такого рода является солнечная энергетика, но и ветровые генераторы имеют массу преимуществ. Прежде всего, вырабатываемой таким образом энергии может хватить на обслуживание частного дома. Другой вопрос, как технически реализовать такую станцию.
Принцип работы ветрогенератора
Начать следует с того, что в результате неравномерного нагрева атмосферы Солнцем формируются перемещающиеся потоки воздуха – от зон повышенного давления к зонам с низким давлением.
В процессе воздушных течений и возникает ветер, энергию которого можно использовать в разных целях.
К слову, простейшим примером ветряка-генератора является мельница – хотя она не преобразует энергию, а сразу направляет ее в рабочее русло.
Для плодотворного использования современных ветряков требуется соответствующая скорость воздушных потоков. Например, ветер со скоростью порядка 5-6 м/с дает лишь минимальный энергетический эффект. Оптимальным же считается уровень в 15-20 м/с.
Этого достаточно, чтобы снабжать ветровые генераторы для дома, но промышленные станции требуют в разы большего силового воздействия. Ветер воздействует на рабочие части генератора, в результате чего активизируется двигатель. Он, в свою очередь, транслирует энергию в блок преобразователя. Конечным приемником энергии выступает аккумулятор.
Батарея накапливает энергетический потенциал, отдавая его потребителю уже в виде электричества.
Общее устройство станции
Традиционное устройство ветряка предполагает наличие генераторного блока, хвостовика с мачтой (элементы забора ветровой энергии), инвертора и аккумулятора. В состав более современных станций входит и контроллер – это блок управления ветряком, который регулирует параметры конструкции и батареи.
Что касается элементов забора усилия, то они обычно представлены лопастями, которые крепятся на роторе. В результате его вращения генерирующий двигатель формирует переменный ток. Далее через преобразователь система создает напряжение в аккумуляторе. Последний выступает связующим звеном между генератором ветряка и потребителями.
Надо отметить, что в большинстве своем ветровые генераторы являются автономными устройствами. То есть они не требуют стороннего энергоснабжения.
Во всяком случае, аккумулятор питается непосредственно от энергии, получаемой от преобразователя.
Однако в промышленных крупных установках предусматриваются системы аварийного энергоснабжения, которые обеспечивают энергией обслуживающую генератор инфраструктуру в случаях, когда местной вырабатываемой мощности оказывается недостаточно.
Виды конструкций
В современных конструкциях ветряков используют один из двух вариантов двигателей – с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Иначе их называют, соответственно, крыльчатыми и карусельными. Что касается горизонтального устройства, то оно внешне напоминает ту же мельницу, но с меньшим количеством лопастей. Это ветровые генераторы, в которых акцент делается на аэродинамические характеристики. По расчетам специалистов, эффективность работы ветряка зависит не от количества лопастей, а от их длины и качества ротора. Поэтому крыльчатые ветродвигатели часто оснащаются всего одной-двумя лопастями, длина которых может достигать 100 м – разумеется, в крупных промышленных установках.
Карусельные модели выгодны тем, что не зависят от направления ветра. В простейших конструкциях предусматривается всего одна лентообразная лопасть, которая спиралью проходит через столбчатый стержень.
Поэтому вертикальный ветровой генератор даже при небольшой скорости потоков воздуха может генерировать минимальные объемы энергии.
С другой стороны, при сильном ветре такие конструкции невыгодны по той причине, что из-за сил противодействия спиральная лента тормозит саму себя, ограничивая производительность.
Проблематика использования ветряков
При всей привлекательности ветродвигателей как бесплатного источника энергии, их эксплуатация сопрягается с целым рядом неэкономических проблем. Прежде всего это непостоянство. Очевидно, что пользователь никак не может влиять на силу ветра и ему остается лишь надеяться на изменение погодных условий. Именно по этой причине на крупных ветровых станциях подключают аварийное энергоснабжение – как раз на случай длительного отсутствия ветровых потоков достаточной силы.
Этим же аспектом обусловлено и внедрение в комплекс генераторов вспомогательной аппаратуры. Наличие батареи аккумулятора, инвертора и резервного генератора обязательно для того, чтобы мощность стабилизировалась и напряжение выравнивалось, так как ветер может вовсе отсутствовать, а может выдавать разную скорость движения.
И здесь уже возникает экономический аспект, поскольку широко укомплектованные ветровые генераторы в любом случае требуют расходов на техническое содержание. Тем не менее по мере оптимизации энергетического оборудования и эта проблема постепенно утрачивает главенствующее значение, оставляя возможности для развития отрасли.
Самодельные ветряки
Реализация собственного проекта ветродвигателя вполне возможна без подключения специалистов. Конечно, если речь идет о домашнем изготовлении, то проект с расчетами мощности и балансировки будет шаблонным.
Начинать подобные предприятия рекомендуется с небольших ветряков, силовой потенциал которых составляет 10-20 Вт. Такие устройства требуют минимальных затрат, но зато дадут практический опыт и наглядное представление о том, каким образом вырабатывается энергия.
Далее — по мере усложнения конструкции и увеличения ее размеров — можно получить эффективный ветровой генератор для дома. Своими руками такую конструкцию можно собрать из готовых технических компонентов, агрегатов и деталей, которые доступны на рынке.
Ниже представлено несколько вариантов сборки домашнего ветрогенератора.
Модели на электродвигателе
Чаще всего бытовые ветрогенераторы выполняют из электродвигателей постоянного тока, работающих на низких оборотах. Желательно ориентироваться на конструкцию с постоянными магнитами, которая позволит обеспечивать напряжение на уровне 80–100 Вт.
Нередко для подобных целей применяются автомобильные генераторы, однако в такую конструкцию должен будет войти и мультипликатор. Связано это с тем, что автогенератор способен обеспечивать достаточное напряжение лишь в условиях повышенных оборотов – частотой до 2500 об/мин.
На такую нагрузку просто не рассчитан домашний ветровой генератор. Своими руками потребуется реконструировать силовую установку, дополнив ее неодимовыми магнитами в роторной области. Могут потребоваться и точные токарные работы, но это уже зависит от типа конструкции ветряка.
Модели из ротора Савониуса
Это концепция вертикально-осевого генератора, который базируется на так называемом роторе Савониуса карусельного типа. Сразу надо сказать, что самодельный ветровой генератор этого типа будет способен обеспечивать мощность на уровне 20 Вт. Этого недостаточно для энергоснабжения дома, но на питание некоторых приборов хватит. В работе будут использоваться алюминиевые листы, трубы и аккумулятор. Из листов и труб сооружается карусельный каркас с внутренними лопастями. Может получиться 2-3 секции в зависимости от объема материала.
В качестве фиксирующих элементов применяют саморезы и заклепки с уголками. Если удастся сделать ветровой генератор своими руками на базе ротора Савониуса для энергоснабжения 12-вольтных приборов, то будет смысл увеличить размеры рабочей конструкции-приемника, и тогда можно говорить о существенной экономии на энергоснабжении всего дома.
Монтажные установочные работы
С конструктивной точки зрения ветряк состоит из трех базовых компонентов – двигателя, приемника ветрового усилия (лопастей) и аккумулятора с преобразователем. Разумеется, в конструкцию могут добавляться и другие части, но для монтажа стоит рассматривать эти узлы в качестве базовых. Как же выполняется установка ветровых генераторов из разных компонентов? Работа начинается с соединения вала двигателя с несущей трубой генератора. Труба станет стержнем всей конструкции. В ней следует изначально проделать несколько отверстий на обоих концах, что облегчит монтажные операции.
На следующем этапе монтируется мачта с ротором. Она должна быть или жестко приварена, или зафиксирована специальными скобами.
Затем следует другой вопрос – как сделать ветровой генератор, чтобы он физически выдерживал сильные воздушные потоки? Эта способность в немалой степени будет зависеть от фундамента, в который интегрирована труба. Желательно устроить бетонную площадку с несколькими пластами укрепления.
Заключение
Пока еще энтузиасты, которые экспериментируют с подобными источниками энергии, в основном руководствуются любительским интересом. На практике ветровые генераторы лишь в единичных случаях оказываются финансово выгодным оснащением. Безусловно, сам принцип выработки энергии из ветра действует и дает выгоды. Но полноценное обеспечение дома за счет таких стаций пока реализуется в небольшом проценте случаев. Несмотря на это, технологическое развитие компонентов генератора внушает оптимизм в успешность развития этого сегмента энергетики.
Ветряной генератор для дома: устройство, принцип работы, виды
Получение электрической энергии с помощью ветра становится одним из модных трендов последнего времени. Бытовой ветряной генератор, который относится к техническим средствам альтернативной электроэнергетики, приобрел свою популярность вполне заслуженно, так как обращение к нему обеспечивает владельцу ряд преимуществ:
- ветроэнергетика относится к экологически чистым средствам выработки электроэнергии, отсутствие генерация отходов;
- удобен в использовании из-за своей высокой надежности и низких эксплуатационных расходов;
- может быть смонтирован самостоятельно при наличии минимальных навыков в области строительства и электрики;
- его привлекательность с течением времени будет только увеличиваться из-за неизбежного увеличения тарифов электросбытовых компаний.
Устройство и принцип работы
Любой ветряной генератор состоит из нескольких типовых укрупненных блоков.
Агрегат обязательно содержит турбину, которая вращается под действием воздушного потока, непосредственно или чаще всего через повышающий редуктор передает создаваемый момент на вал электрического генератора. Ротор вращается внутри статора на основе неодимовых магнитов, в результате чего вырабатывается электрическая энергия.
Конструкция ветряного генератора небольшой мощности показана на рисунке 1.
Рис. 1. Конструкция самодельного ветрового генератора
Вырабатываемая ветряным генератором электрическая энергия поступает в промежуточный накопитель, функции которого обычно берет на себя аккумуляторная батарея. Ток, отдаваемый аккумулятором, питает инвертор, с выхода которого снимают нормальное 220-вольтовое переменное напряжение бытовой частоты.
Наличие аккумулятора обязательно, т.к. он позволяет сгладить колебания мощности, снимаемой с турбины. Свою роль в этом играет факт того, что бытовой ветряной генератор устойчиво функционирует при скорости ветра от 6 м/с и выше, тогда как среднегодовое значение этого параметра на большинстве территории России оказывается примерно в полтора раза ниже.
Необходимые переключения, регулировки и прочие функции реализует блок автоматики.
Соответствующий уровень эксплуатационной надежности достигается наличие у конструкции запасов по отдаваемой мощности (обычно 10 – 20%).
Виды ветряков
Основное отличие ветряных генераторов между собой — исполнение воздушной турбины, которая может иметь различную конструкцию. Обычно полная совокупность агрегатов по ориентации вала вращения турбины делят на две основные разновидности: вертикальные и горизонтальные.
Вертикальные
Отличительная особенность и главное преимущество вертикального агрегата ветряного генератора — отсутствие жестких требований к высоте его установки, что заметно упрощает выбор места установки, процесс монтажа, последующее обслуживание механически подвижных частей. Воздушная турбина относится к тихоходной разновидности этой техники, может быть исполнена как
- простейший классический ротор с минимумом тремя вертикально ориентированными лопастями (пример такого устройства представлен на рисунке 2);
- двухрядный ротор, наличие внутреннего ряа регулируемых лопастей обеспечивает ему повышенный КПД)
- ротор Дарье;
- ротор Савониуса;
- геликоидный ротор.
Читайте также: Роботы-пылесосы philips: топ-10 лучших моделей, отзывы + советы покупателям
Более сложная форма трех последних типов турбин обеспечивает им меньшую материалоемкость.
Рисунок 2. Роторная воздушная турбина вертикального ветрогенератора
Отличается минимумом подвижных частей, КПД установки мало зависит от направления ветра.
Горизонтальные
Ветрогенераторы с горизонтальной ориентацией вала турбины приводятся во вращение пропеллером. Пропеллер может быть двух-, трех и многолопастным. Лопастям некоторых пропеллеров иногда придают довольно сложную форму для некоторого увеличения эффективности функционирования установки. Пример такого агрегата показан на рисунке 3.
Рис. 3. Горизонтальный многолопастной ветрогенератор
За счет большого диаметра винта обычно монтируются на стальной трубчатой или решетчатой мачте на высоте вплоть до нескольких десятков метров. Примеры таких мачт показаны на рисунке 4 и рисунке 5.
Оборотной стороной увеличения высоты установки становится снижение турбулентности воздушного потока из-за ослабевания влияния земли, т.е. увеличение КПД и генерируемой мощности.
С учетом этой особенности не рекомендуется использовать ветряки этой конструкции для коттеджных поселков из-за сильного экранирующего действия соседних строений.
Рисунок 4. Мачта ферменной конструкции для установки горизонтального ветрогенератора
Рис. 5. Крепежный узел для мачты трубчатой конструкции
Для создания баланса по крутящему моменту генератор закрывают обтекателем вала таким образом, чтобы он выполнял функции противовеса винта. Дополнительно удлиненная конструкция корпуса облегчает его ориентацию “по потоку”.
По сравнению с вертикальным устройством позволяет снять большую мощность. Платой за это становится трудности с выбором места установки, сложность монтажа, текущего обслуживания, а также неприятные акустические шумы при работе. Кроме того, из-за большой высоты конструкции горизонтальные ветряные генераторы обязательно требуют молниезащиты.
Малые ветрогенераторы
К малым или бытовым ветрогенераторам обычно относят агрегаты с мощностью не свыше 5 кВт. В розничной продаже доступны агрегаты различной мощности и исполнения отечественного и импортного производства, что позволяет подобрать нужное устройство без переплаты.
Обычно агрегаты поставляются в минимальном комплекте, который:
- включает контроллер;
- не содержит буферной аккумуляторной батареи;
- обеспечивает сборку агрегата на месте установки при условии отсутствия местных ограничений.
Проект установки устройств горизонтального типа из-за их технической сложности требует тщательной проработки, может потребоваться консультация специалиста.
Стоимость маломощных моделей начинается с нескольких десятков тысяч рублей, сильно зависит от отдаваемой мощности.
Автоматика ветроэлектростанций
Современные электрические ветровые установки оборудуются развитой системой автоматики, которая:
- значительно улучшает характеристики;
- обеспечивает выравнивание отдаваемой мощности;
- делает эксплуатацию безопасной.
Типовой набор автоматики включает в себя:
- ограничитель частоты вращения ветряного колеса при высоких скоростях ветра;
- выравнивание колеса “по потоку” (важно для горизонтальных ветряков);
- защиту от короткого замыкания;
- отключение при отказах техники, ураганных ветрах, превышении порогового уровня вибрации.
Модели среднего и старшего классов обязательно поддерживают дистанционное управление и диагностику. Часть агрегатов дополнительно контролирует направление и силу воздушного потока для максимизации снимаемой мощности за счет выбора соответствующего угла установки всего устройства и лопастей турбины.
Система торможения
Система торможения предотвращает механическое разрушение агрегата при слишком высокой скорости ветра. Суть этой системы заключается в том, что автоматика производит замыкание электрических цепей магнитной системы генератора, что приводит к появлению мощного тормозящего усилия.
Дополнительно алгоритм функционирования системы управления предусматривает полный останов воздушной турбины при ветрах ураганной силы. Порог останова может регулироваться пользователем, типовые заводские настройки этого параметра предполагают включение режима останова при скорости 80 км/час.
Производители
Отечественной промышленностью налажен серийный выпуск широкой гаммы бытовых ветрогенераторов. Их параметры приведены в таблице:
| Модель | Производитель | Тип | Мощность | Примечание |
| ВГ 0,25 | Ветро Свет, Россия | Г | 250 Вт | — |
| ВЭУ-3(4) | СКБ Искра, Россия | В | 3 кВт | 4-лопастная модель |
| Серия L | Ветроэнергетика, Россия | В | 0,8 – 10 кВт | — |
| RKraft | Германия | Г | 0,5 – 5 кВт | — |
| Wind Generator М300 | Китай | В | 100 – 270 Вт | 6-лопастной ротор диаметром 1 м, масса 11 кг, не имеет контроллера |
| Condor Home | EDS Group, Россия | Г | 500 Вт | 3-лопастной стеклопластиковый ротор Максимальная скорость ветра 25 м/с Масса 56 кг |
Примечание: Г – горизонтальный, В — вертикальный
Плюсы и минусы
Основное преимущество ветряных электростанций – это их автономность.
Главные технические минусы оборудования этой разновидности — зависимость от погоды (кроме силы ветра влияет также снег и дождь) и сравнительно небольшая мощность, значение которой в среднем не превышает нескольких сотен Ватт. Требуют обязательного применения промежуточной буферной аккумуляторной батареи, которая требует замены через несколько лет службы.
- При сравнении с дизель-генераторами уступают им по продолжительности работы, но зато не требуют подвоза топлива и выполнения сложных и дорогостоящих мероприятий по пожарной безопасности его хранения.
- Солнечные батареи, которые в средних широтах реально работают максимум пять месяцев, заметно превосходит тем, что функционируют круглый год.
- При существующих тарифах на электроэнергию не дают существенного выигрыша по приведенным затратам, однако не оказываются убыточными.
Изготовители ветровых электростанций большое значение уделяют их внешнему оформлению. Так что наличие этого агрегата на загородном участке не только свидетельствует о “технической продвинутости” его обладателя, но и может стать важным элементом дизайна и наглядной демонстрации заботы об окружающей среде.
О эстетических параметрах можно судить по рисунку 6.
Рис. 6. Горизонтальный ветрогенератор Condor Home отечественного производства
Заключение.
Ветровые электростанции могут считаться полноценным альтернативным источником электрической энергии.
С учетом типовых климатических условий большинства местностей нашей страны малые ветрогенераторы имеет смысл комбинировать в единую систему с солнечной батареей и дизельным генератором.
В этом случае они вполне могут стать эффективным автономным вспомогательным средством выработки электроэнергии на даче или в загородном доме.
Принцип работы ветрогенератора
Поиск альтернативных способов получения энергии ведется уже
немало лет. Одной из разновидностей такого оборудования являются
ветрогенераторы, которые способны вырабатывать электроэнергию
благодаря ветру. Принцип работы ветрогенератора основывается на
возможности энергии переходить из одного вида в другой.
Данное оборудование функционирует следующим образом: ветер
обладает кинетической энергией, которая способна превращаться в
механическую энергию ротора. Далее устройство превращает
механическую энергию в электрическую.
Таким образом можно получать
электроэнергию бесплатно. Мощность ветряных электростанций может
варьироваться в пределах 5-4500 кВт.
Сегодня разработано
оборудование, которое способно вырабатывать электроэнергию даже при
очень слабой ветровой скорости 4 м/с.
Принцип работы ветряка достаточно прост, поэтому такое
оборудование можно изготовить самостоятельно. Использование данного
оборудования предоставит возможность не только экономить на оплате
электроэнергии, но и продавать ее на условиях «зеленого тарифа»
государству.
Данный способ получения энергии подходит для любых
объектов, находящихся в местности без централизованного
энергоснабжения либо может быть использован в качестве
дополнительного источника.
Он является оптимальным выбором и
позволяет электрифицировать автономно любой объект.
Особенности устройства
ветрогенератора
Данное оборудование имеет лопасти, которые приводятся в движение
вследствие воздействия силы ветра. Данное вращение запускает
турбину, которая также начинает вращаться. В турбине начинает
генерироваться энергия, мощность которой определяется силой ветра.
С ростом ветровой энергии увеличивается и механическая,
вырабатываемая турбиной.
Устройство ветрогенератора может отличаться наличием или
отсутствием мультипликатора на роторе. Если он предусмотрен,
энергия от турбины передается ему. Назначением мультипликатора
является ускорение вращения оси.
Установки без этого оборудования
являются более эффективными, поскольку в них не происходит
генерации дополнительной энергии (для ускорения вращения оси), а
значит, и ее растраты.
Такому оборудованию вполне достаточно
ветровой энергии для полноценного функционирования.
Принцип работы ветряной электростанции позволил получать
электроэнергию альтернативным способом и обеспечить автономность
каждого объекта. Мощность данного оборудования полностью
определяется размерами его лопастей. Чем больше их площадь, тем
выше мощность можно получить, используя принцип работы
ветроустановки.
Расчет мощности ветряного оборудования производится на основе
кубической зависимости скорости ветряного потока. Кубическая
зависимость означает, что если ветровой поток скорости, условно 6
м/сек, обеспечивает мощность установки 100 Вт, то увеличение потока
до 12 м/сек приведет к возрастанию мощности в восемь раз – до 800
Вт.
Если турбина характеризуется небольшими размерами, для получения
высокой мощности будет необходим очень сильный ветер. Если же
турбина большая, она способна и при незначительной ветровой
скорости выдавать необходимую мощность.
Конструкция ветряка полностью определяет его способности
вырабатывать определенное количество электроэнергии за единицу
времени в зависимости от скорости ветрового потока.
Конструкция ветряных генераторов энергии
Многим интересно, как устроен ветрогенератор именно с точки
зрения его конструкции, поэтому мы уделим отдельное внимание этому
вопросу. Такие установки включают следующие функциональные
узлы:
- установка, превращающая ветровую силу в энергию;
- аккумуляторная батарея;
- инвертор;
- контроллер заряда.
Оборудование, преобразующее ветровую энергию в электрическую,
включает в себя:
- турбину, т.е. ротор, осуществляющий превращение энергии
ветрового потока прямолинейного движения; - генератор, осуществляющий преобразование механической энергии в
электрическую; - мачту (данный конструктивный элемент может быть типа «ферма»
либо трубчатым); - систему управления турбиной;
- мультипликатор (в зависимости от модели);
- хвост или систему азимутального привода;
- выпрямитель, который необходим при использовании генераторов
переменного тока для правильной зарядки аккумулятора.
С точки зрения мощности все ветровое генераторное оборудование
классифицируется на бытовое, характеризующееся мощностью 1-10 кВт и
промышленное – от 500 кВт.
Модификации ветряного генераторного
оборудования
Принцип работы ветроэлектростанции позволил создавать бытовое
оборудование, отличающееся расположением оси турбины. В
модификациях с горизонтальным расположением есть различия в
системах, управляющих роторами. При азимутальном приводе фиксация
направления ветра осуществляется электроникой. В зависимости от
полученных данных происходит разворот от ветра в случае, если его
скорость выше номинальной.
Читайте также: Септик “биокси”: полный обзор, отзывы, достоинства и недостатки
Если система управления аэромеханическая, на лопастях
генераторов есть специальные подвижные элементы. Именно это
конструкционное решение позволяет менять расположение плоскости
лопастей в зависимости от направления ветра. Таким образом
достигается наиболее эффективное функционирование оборудования.
Ветровые генераторы, характеризующиеся вертикальным
расположением оси, представляют собой низкоэффективные установки,
которые не рекомендуется использовать вследствие этого. К такому
неэффективному оборудованию относятся:
- «Дарье» («Darrieus») – ротор, который пригоден для
использования лишь в качестве анемоскопа. - «Савониуса» («Savonius») – ротор, недостатком которого является
существующий коэффициент опережения. Это оборудование
самостоятельно запуститься не способно, его необходимо
раскручивать. Если этого не сделать, получать электроэнергию станет
возможным только после достижения ветром скорости 10 м/с.
Наибольшее распространение в наши дни получили ветряные
крыльчатые генераторы с горизонтально расположенной осью вращения.
Это обусловлено тем, что в таких установках несложно достичь 30%
коэффициента использования энергии ветрового потока. Данная
величина может быть при определенных условиях и выше.
При
вертикальной оси вращения данный коэффициент в лучшем случае
достигает 20%. Следовательно, энергия ветра используется
неэффективно.
Если сравнивать электроснабжение от ветрогенератора и солнечных
модулей, то по схеме подключения для определенного строительного
объекта они являются идентичными. Поэтому в одной такой системе
энергоснабжения могут быть и те, и другие генераторы. Это позволит
получить максимальное количество электроэнергии от альтернативных
источников.
Особенности использования
ветряного генератора
Следует учитывать, что каждые 10 метров подъема позволяют
получить скорость ветра на 1 м/с больше. Соответственно, от высоты
мачты непосредственно зависит, насколько эффективно сможет
функционировать генераторное оборудование. Также на эффективность
работы будет оказывать влияние и диаметр ротора, поэтому
предпочтительнее, чтобы он был большим.
Скорость ветрового потока имеет значение для работы
оборудования. При скорости 1,5 м/с лопасти начинают вращаться.
Генерация энергии начинается, когда скорость ветра достигает
значения 3 м/с.
Для украинских ветряных генераторных установок
номинальной является скорость ветра 7-9 м/с.
Такое оборудование
способно функционировать при скорости потока воздуха до 52 м/с, что
составляет около 200 км/ч.
Ветряные генераторы характеризуются обширной сферой применения.
Их устанавливают в частных домовладениях, предприятиях,
обособленных сооружениях и других объектах, нуждающихся в
автономном энергоснабжении. Для установки предпочтительнее выбирать
открытые пространства. Это могут быть возвышенности, холмы и даже
мелководье.
Ветряное генераторное оборудование может быть использовано в
единичном экземпляре либо группой. Для масштабных объектов такие
устройства объединяют в парки. Использование возможно в качестве
основного или дополнительного источника энергии.
Для чего нужен ветрогенератор: описание, конструкция, принцип работы и изготовление своими руками
Подключение к магистральной сети электроснабжения до сих пор доступно не всем. Есть немалое число населенных пунктов, до которых линии электропередач не дошли.
Да и подключенные поселки и деревни, вследствие общей изношенности линий, испытывают частые перебои с электроснабжением.
Кроме того, дачные поселки, выстроенные недавно, зачастую не имеют возможности подключиться к линии, расположенной в солидном отдалении.
Решение вопроса с электроснабжением традиционно возлагается на бензиновые или дизельные электростанции, нуждающиеся в снабжении топливом, капризные и требующие постоянного наблюдения устройства. При этом, есть альтернативные источники, не нуждающиеся в топливе. Одним из них является ветрогенератор.
Что из себя представляет ветрогенератор?
Ветрогенератор — это устройство, использующее энергию ветра для выработки электрического тока. Воздушные потоки, свободно перемещающиеся в атмосфере, имеют гигантскую энергию, причем, совершенно бесплатную. Ветроэнергетика — это попытка извлечь ее и обратить на пользу.
Ветрогенератор представляет собой набор устройств, принимающих, обрабатывающих и подготавливающих для использования энергию. Потоки ветра взаимодействуют с ротором ветряка, заставляя его вращаться.
Ротор посредством повышающей передачи (или напрямую) соединяется с генератором, который заряжает аккумуляторные батареи.
Заряд через инвертор перерабатывается в стандартный вид (220 В, 50 Гц) и подается на приборы потребления.
На первый взгляд, комплекс устроен довольно сложно. Существуют и более простые конструкции, например, ветряки, питающие насосы. Тем не менее, для сложных приборов требуется полный комплект оборудования, способный обеспечить стабильное и качественное электроснабжение.
Зачем он нужен?
Отличительное свойство электроэнергии состоит в том, что ее можно производить в любых количествах, если позволяет оборудование. Ветрогенератор как раз и относится к таким устройствам — он производит электроэнергию. Таким образом, ветряк представляет собой электростанцию, способную обеспечивать как крупные участки с большим количеством потребителей, так и отдельные дома или приборы.
Возможности устройства зависят от размеров крыльчатки и мощности генератора. Эти два параметра являются определяющими и зависят друг от друга. Чем мощнее ротор, тем большей мощности генератор он сможет вращать, вырабатывая большое количество энергии.
При этом, ветряк может быть создан самостоятельно и обеспечивать потребности отдельной группы приборов — например, освещения, водоснабжения, вентиляции и т.д. Такая избирательность удобна для сокращения расходов на электроэнергию, обеспечения бесперебойной подачи питания на старых изношенных линиях.
Конструкция и принцип работы
Конструктивно ветрогенераторы сочетают механическую, электромеханическую и электрическую части.
К механической относится ветряк, непосредственно принимающий энергию ветра и преобразующий ее во вращательное движение.
Оно передается на электромеханическое устройство — генератор, преобразующий кинетическую энергию вращения в электрический ток. После этого действуют чисто электронные устройства:
- выпрямитель. Генератор вырабатывает переменный ток, который не годится для заряда аккумуляторных батарей. Для дальнейшего использования его надо выпрямить, для чего используется выпрямительное устройство
- контроллер заряда. Обеспечивает своевременное переключение аккумуляторных батарей с режима зарядки на режим питания потребителей, чтобы избежать выхода АКБ из строя
- аккумулятор (АКБ). Накапливает заряд, необходимый для поддержания напряжения в сети при ослаблении ветра
- инвертор. Преобразует постоянный ток аккумулятора в обычные 220В 50 Гц переменного тока, необходимых для питания стандартных потребителей.
Все перечисленные электронные устройства являются типичным комплектом оборудования, используемым с любым типом ветряка. Изменение конструкции крыльчатки не влияет на состав комплекта, если только не происходит значительного увеличения скорости вращения, требующего изменения параметров генератора.
Виды ветрогенераторов
Используются два основных вида ветряков, имеющих принципиальные различия:
- горизонтальные
- вертикальные
В обоих случаях речь идет об оси вращения ротора. Конструкция различных моделей горизонтальных устройств мало отличается друг от друга, представляя собой подобие бытового вентилятора или пропеллера. Вертикальные устройства обладают намного большим разнообразием типов конструкции, внешне значительно отличаясь друг от друга. Рассмотрим их подробнее:
Горизонтальные ветряки
Горизонтальные конструкции имеют большую эффективность, так как поток ветра они воспринимают только рабочей стороной лопастей. Наибольшее распространение получили трехлопастные крыльчатки, но для небольших конструкций число лопастей может быть увеличено.
Именно горизонтальные конструкции используются для изготовления больших промышленных образцов, имеющих огромный размах лопастей (больше 100 м), которые в объединенном виде образуют довольно производительные электростанции. Государства западной Европы, такие как Дания, Германия, скандинавские страны активно используют ветряки для обеспечения населения энергией.
Устройства имеют один недостаток — они нуждаются в наведении на ветер. Для небольших ветрогенераторов проблема решается установкой хвоста наподобие самолетного, который автоматически располагает конструкцию по ветру. Большие модели имеют специальное устройство наведения, контролирующее положение крыльчатки относительно потока.
Вертикальные конструкции
Ветрогенераторы вертикального типа имеют меньшую эффективность, вследствие чего используются для обеспечения энергией лишь отдельных потребителей — частный дом, коттедж, группу приборов и т.д.
Для самостоятельного изготовления такие устройства подходят больше всего, так как обладают широким выбором вариантов конструкции, не нуждаются в подъеме на очень высокую мачту (хотя это им и не противопоказано).
Вертикальные роторы могут быть собраны из любых подручных материалов, в качестве образца можно использовать любой тип из множества известных:
- роторы Савониуса или Дарье
- более современный ротор Третьякова
- ортогональные конструкции
- геликоидные устройства и т.д.
Описывать все типы подробно незачем, так как их количество постоянно увеличивается. Практически все новые разработки базируются на вертикальной оси вращения и предназначены для использования в частных домах или усадьбах.
Большинство разработок предлагает собственный вариант решения основной проблемы вертикальных устройств — низкого КПД.
Некоторые варианты имеют довольно высокие показатели, но обладают сложным устройством корпуса (например, конструкция Третьякова).
Расчет и выбор
Расчет мощности ветряка сводится к подсчету суммарной мощности потребления осветительными, вспомогательными и бытовыми приборами. Полученное значение увеличивается на 15-20% (запас мощности необходим при возникновении непредвиденных ситуаций), и на основании этих данных рассчитывается или выбирается готовый генератор.
От его параметров ведется построение всего остального комплекта — механические требования ложатся в основу проектирования ветряка, а эксплуатационные параметры — мощность, напряжение, сила тока — используются при создании системы накопления и обработки полученного тока.
Выбирая приборы, следует также обеспечивать небольшой (15-20%) запас мощности, который обеспечит устойчивость комплекса при возникновении форс-мажорных ситуаций.
Изготовление ветряка своими руками
Основные работы, которые предстоит сделать, это — изготовление и установка вращающегося ротора. Прежде всего следует выбрать тип конструкции и ее размеры. Определиться в этом поможет знание требуемой мощности устройства и производственные возможности.
Большинство узлов (если не все целиком) придется изготовить самостоятельно, поэтому на выбор повлияет, какие познания имеются у создателя конструкции, с какими приборами и устройствами он знаком наилучшим образом. Обычно сначала делается пробный ветряк, с помощью которого проверяется работоспособность и уточняются параметры сооружения, после чего приступают к изготовлению рабочего ветрогенератора.
