Кинетичен ветрогенератор: устройство, принцип на работа, приложение

Съвременният кинетичен вятърен генератор позволява да се използва силата на въздушните потоци, като я превръща в електричество. За тази цел съществвуват фабрични и самоделни модели устройства, които се прилагат както в промишлеността, така и в частните домакинства.

Ще разкажем за това как са устроени вятърните мелници от този тип, ще запо знаниям с особеностите на устройството и конструктивните варианти. В предло жената от нас статия са по сочени слабите и силните страни на вятърната енергийна инсталация. Самостоятелните майстори при нас ще намерят полезни схеми и препоръки за сглобяване.

Принцип на работа на вятърен генератор

В основата на функционирането на вятърния генератор е заложена трансформацията на кинетичната енергия на вятъра в механична енергия на ротора, която след това се преобразува в електрическа енергия.

Принципът на работа е доста прост: въртенето на лопатките, закрепени на оста на устройството, води до кръгови движен ия на ротора на генератора, благодарение на което се произвежда електричество.

Вятърната енергетика е една от най-перспективните отрасли на възобновяемата енергия. Съвременните конс трукции позволяват икономически ефективно да се прилага силата на въздушните потоци, като се използва за произведство на електричество.

Получаваният нестабилен променлив ток „се стича” в контролера, където се преобразува в постоянно напрежение, способно да зареди батериите. Оттам захранването постъпва в инвертора, където се трансформира в променливо напрежение с показател 220/380 V, което се подава на потребите лите.

Мощността на вятърния генератор зависи пряко от мощността на въздушния поток (N), изчислява се по формулата N=pSV³/2, където V е скоростта на вятъра, S е работната площ, p е плътността на въздуха.

Устройство на вятърен генератор

Различните варианти на вятърните генератори се различават значително един от друг.

На представената схема е показано вътрешното устройство на класически хоризонтален вятърен генератор. Такива модели най-често се използват както в промишлеността, така и в бита.

Промишлените устройства представляват сложна многометрова конструкция, за чието монтиране е необходим фундамент, докато битовата модел може да се състои от минимум компоненти (електродвигател с постоянен ток 3-12V, електрокондензатор 1000 μF 6V, силициев изправителен диод).

Типичната инсталация включва следните съставни части:

• генератор за променлив ток (мощността зависи от скоростта на ветровите потоци);
• лопатки, които предават въртене на вала на генератора (често те са допълнително оборудвани с редуктори, стабилизатори на скоростта на въртене на ротора);
• мачта на вятърния генератор, към която се закрепват лопатките (колкото по-високо са разположени тези елементи, толкова повече вятърна енергия могат да получат);
• акумулатори, които натрупват енергия, което позволява тя да се използва при слаб вятърен поток или при пълното му отсъствие. Батерията също така изпълнява функцията на стабилизиране на електрическата енергия, постъпила от генератора;
• контролер – преобразувател на променливото напрежение, получено от генератора, в постоянно, което се използва за зареждане на батерията. Управлението на контролера се осъществява чрез завъртане на лопатките, което позволява да се отчита накъде се движат въздушните потоци;
• АВР – устройство за автоматично превключване, което свързва вятърния генератор с други източници на енергия (слънчеви панели, електрическа мрежа);
• датчик за посока на вятъра – уред, улесняващ лопатките в търсенето на вятърен поток;
• инвертор за преобразуване на постоянен ток от акумулаторите в променливо напрежение, което се използва в електрокомуникациите.

За по-пълно задоволяване на потребителските нужди, уредът може да бъде оборудван с различни типове инвертори:

• устройства с инвертор с модифицирана синусоида, които произвеждат квадратна синусоида. Уредите от този тип са подходящи за ТЕН-ове, лампи с нажежаема жичка и други уреди, които не изискват високо качество на мрежата;
• инвертори за трифазно напрежение, предназначени за трифазни електрически мрежи;
• инсталации с чиста синусоида, които произвеждат енергия за по-чувствителна техника;
• инвертори мрежови, способни да функционират без батерии. Подобни устройства са предназначени за схеми, които предполагат постъпване на електрическа енергия директно в общата мрежа.

При избора на модели трябва задължително да се обръща внимание на разновидността на инвертора.

Видове вятърни генератори

При класификацията на вятърните турбини могат да се вземат предвид следните характеристики:

• предназначение;
• конструктивни особености;
• брой лопатки;
• материали, от които са изработени;
• ос на въртене;
• стъпка на витлото.

Нека разгледаме подробно двете най-често използвани класификации.

Класификация на вятърните генератори по предназначение

Различават се разновидности на вятърните инсталации, които се различават по предназначение. От това зависят и основните характеристики на устройствата, например мощност.

Промишлени вятърни турбини

Такива устройства се инсталират от големи енергийни компании или от държавата за захранване на промишлени обекти с електричество. Турбините с мощност от десетки мегавати обикновено се разполагат на ветровити места (открити възвишения, крайбрежия).

Ветропарковете, където се инсталират десетки вятърни турбини, се разполагат не само на земята, но и в плитки води. Полученото електричество обикновено се използва за промишлени цели.

Произведената електрическа енергия обикновено постъпва директно в мрежата, като за стабилност и регулиране на честотата на въртене на лопатките вятърните турбини са оборудвани с допълнителни механизми.

Търговски вятърни генератори

Такива инсталации се използват за получаване на електрическа енергия за продажба или за захранване на производства в региони с нискомощна електрическа мрежа (или с пълното ѝ отсъствие). Подобни вятърни електроцентрали се състоят от множество електрогенератори, които могат да имат различна мощност.

Енергията от търговските инсталации може да постъпва директно в електрическите комуникации или да се използва за зареждане на голям масив от батерии, където се натрупва и преобразува за подаване в енергийната система.

Битови вятърни устройства

Агрегатите с ниска мощност се използват за частно ползване. Според правилата, вятърните генератори с мачти с височина под 25 метра могат да се инсталират от собствениците на парцелите без съгласуване с властите, за по-високи мачти е необходимо да се получи специално разрешение.

Вятърните генератори със слаба и средна мощност могат да служат като източник на електрическа енергия за къщи, вили, селски домове, фермерски стопанства.

Битовите вятърни генератори са подходящи за зареждане на акумулатори с напрежение 12/24/48V, енергията от които се трансформира в напрежение 220 волта. Такива устройства позволяват напълно или частично да се реши проблемът с захранването с електрическа енергия на малки обекти, които се намират далеч от централизирана електрическа мрежа.

С насоките за избор на вятърен генератор за осигуряване на енергия за частен дом ще ви запознае статия, посветена на този интересен въпрос.

Разновидности на конструкциите на вятърните мелници

По конструктивни особености устройствата също могат да се разделят на няколко категории, въпреки че всички разновидности се свеждат до два основни типа: вертикални и хоризонтални.

Класически хоризонтални вятърни генератори

Подобни инсталации (наричат ги още пропелерни или с перки) обикновено имат 3-5 лопатки, монтирани на хоризонтална ос. Въртейки се с висока скорост, тези елементи позволяват да се получи максимално количество енергия (КИЕВ до 0.4).

При това количеството произведена електрическа енергия до голяма степен зависи от височината на устройството (колкото по-високо е то, толкова по-голям е резултатът).

Хоризонталният вятърен генератор използва подемна сила, която възниква при повишаване на налягането в точката, където директният въздушен поток преминава през лопатките, като се отразява от тези елементи.

Подобни устройства обикновено се инсталират във вятърни паркове, където се произвежда енергия за промишлена и търговска употреба, но те са подходящи и за битово приложение.

Интересно решение на хоризонталния вятърник е моделът с една лопатка, с неговите особености ще ви запознае следващата селекция от снимки:

Вертикални вятърни турбини

Действащият елемент на подобни инсталации е въртящото се вятърно колело. Поради конструктивни особености подобни конструкции се различават по типове („Бъчва“, „Савониус“).

С принципа на устройството на турбината на вертикалния генератор Савониус ще ви запознае следващата селекция от снимки:

Въпреки ниския показател на КИЕВ (0.1-0.2), те намират доста широко приложение: вертикалните инсталации работят върху турбулентни въздушни потоци, благодарение на което могат да се поставят дори в райони, където силни ветрове духат рядко.

Работата на вертикалните ветрогенератори не зависи от посоката на ветровете. Те са лесни за монтаж и експлоатация, освен това такива устройства могат да се поставят близо до земята.

За повишаване на резултатността на вертикалните вятърни турбини производителите често увеличават техните размерни параметри, което води до значително увеличение на цената. Тъй като подобни инсталации са доста крехки, те се нуждаят от повишена защита от урагани и други природни явления.

Ветрогенератори „Ротор на Дарие“

Такива устройства спадат към категорията на вертикалните вятърни турбини, но имат изразени разлики в конструкцията. Благодарение на подобни особености се постига намаляване на шума, а също така се повишава КИЕВ, който се приближава към показателите на хоризонталните модели.

Предложената през 1931 г. от френския авиоконструктор Жорж Дарие турбина с ниско налягане и ос на въртене, перпендикулярна на въздушната среда, намери широко приложение във вятърната енергетика.

Недостатък на подобни конструкции е ниският стартов момент (поради наличието само на две лопатки, устройството трудно стартира самостоятелно). За решаване на проблема често се прилага хибридът „Савониус+Дарие“.

Платнени вятърни инсталации

За подобни инсталации може да се прилага принципът на устройството както на вертикални, така и на хоризонтални вятърни турбини. Основната конструктивна особеност е ветроколелото, покрито с множество лопатки или платна, като при тези модели липсва аеродинамичен профил.

Съществуват множество модели платнени вятърни генератори, които се различават по брой на лопатките, тегло, мощност. Всички тези параметри трябва да се вземат предвид при избора на устройство.

Въпреки че платнените инсталации се отличават с ниска скорост и малка ефективност, те често се използват в народното стопанство. Подобни конструкции са лесни за монтаж и експлоатация, а комбинацията от висок въртящ момент с ниски обороти позволява директното задвижване на различни полезни механизми, например помпа за изпомпване на вода.

С една от реализираните на практика модели на платнени ветрогенератори ще ви запознае следната галерия:

Генератор за вятърна турбина

За функционирането на ветрогенераторите са необходими обикновени трифазни генератори. Конструкцията на такива устройства е аналогична на моделите, използвани в автомобилите, но има по-големи параметри.

В устройствата за вятърни турбини е предвидена трифазна намотка на статора (свързване по тип «звезда»), откъдето излизат три проводника, които отиват към контролера, където става трансформацията на променливото напрежение в постоянно.

Роторът на генератора за вятърна турбина се изработва на неодимови магнити: в подобни конструкции е нецелесъобразно да се използва електровъзбуждане, тъй като намотката консумира много енергия.

За повишаване на оборотите не рядко се прилага мултипликатор. Такова приспособление позволява да се увеличи мощността на действащия генератор или да се използва устройство с по-малък размер, което намалява цената на инсталацията.

Мултипликаторите по-често се прилагат във вертикални ветрогенератори, при които процесът на въртене на ветроколелото се осъществява по-бавно. За хоризонтални устройства с висока скорост на въртене на лопатките мултипликатори не са необходими, което опростява и поевтинява конструкцията.

Спецификата на сглобяване и монтаж на ветрогенератор от пералня и на вятърна инсталация от автомобилен генератор е подробно изложена в препоръчваните от нас статии.

Плюсове и минуси на вятърния генератор

Нека разгледаме подробно предимствата и недостатъците на вятърните турбини, тъй като именно от тях зависи решението да се закупи ветрогенератор или да се откажете от него.

Предимства на вятърните устройства

Към предимствата на устройствата, използващи вятърна енергия, се отнасят:

• Екологичност. Инсталациите използват възобновяем енергиен източник, който може да се използва постоянно, без да се нанася вреда на околната среда. Електричеството, произвеждано от ветрогенераторите, замества енергията на топлоелектрическите централи, като намалява емисиите на парникови газове.
• Универсалност. Вятърни електроцентрали могат да се строят почти навсякъде: в равнини, в планини, в полета, на острови и дори в плитки води. Вятърната енергия е особено ценена в отдалечени места, където е трудно да се прокарват обичайните електрически комуникации. Вятърните генератори в този случай позволяват да се осигури енергоснабдяване на обектите, като им осигуряват независимост от случайни фактори (например от недоставено навреме гориво).
• Ефективност на използването. Съвременните модели преработват енергията дори на слаби ветрове – минималната граница е 3,5 м/с. По подобен начин може да се произвежда допълнително доставяне на електроенергия в централизираната мрежа, както и да се организира електроснабдяване на отделни обекти (островни или локални), независимо от тяхната мощност.
• Достойна алтернатива на традиционните източници. Стационарните вятърни електроцентрали могат напълно да осигурят електричество за жилищна къща или дори за малък производствен обект. В този случай турбината ще натрупва в акумулаторите необходимия запас от електроенергия, предназначен за използване по време на безветрени периоди.
• Икономичност. В сравнение с традиционните източници на електрическа енергия (газ, торф, каменни въглища, нефт), вятърните турбини позволяват значително да се намалят енергийните разходи. В много случаи построяването на вятърна електроцентрала излиза по-евтино, отколкото свързването към съществуващите енергийни системи.

Прилагането на ветрогенератори може да бъде алтернатива на използването на скъпи дизелови генератори, като допълнително намалява разходите за транспортиране и съхранение на гориво до 80%.

Средната мощност на вятърната турбина се различава многократно от показателя на пиковото натоварване. Вятърният генератор отговаря само за размера на произведената енергия за определен период от време при средномесечна скорост на вятъра, характерна за дадената местност.

За по-точна оценка на вятърните ресурси може да се използват специално извлечени данни (параметри на Вейбул). Тези показатели отразяват характерното за конкретна местност разпределение на ветрове с различна сила. Подобна информация е важно да се вземе предвид при разработване на проекти за вятърни паркове, чиято мощност е десетки MW.

Произвежданата от вятърната турбина мощност е пропорционална на утроената скорост на вятъра. Следователно този показател е много малък при слаби вятърни потоци, но при тяхното усилване – рязко нараства. Поради променливостта на посоката на ветровете и тяхната скорост, при конструкцията на вятърната турбина е необходимо да се предвидят стабилизиращи компоненти.

Правила и формули за изчисляване на мощността на вятърния генератор са представени тук, препоръчваме да се запознаете с много полезна информация.

В малки автономни системи тяхната функция се изпълнява от батерии, чийто заряд започва да се увеличава, веднага щом мощността на вятърния генератор надвиши показателя на натоварването.

При нарастване на натоварването батерията може да се разреди. Тази особеност на работата е важно да се вземе предвид при избора на домашен агрегат; неговата мощност трябва да съвпада с месечната или годишната норма на потребление на електроенергия.

Следва да се отбележи, че за ефективното използване на вятърните потоци допринася разнообразието от конструкции на вятърните генератори.

Хоризонталните турбини дават високи показатели в равнинни места, където има много вятър, докато вертикалните турбини работят по-добре в региони с турбулентни потоци, наблюдаващи се ниско от земята (в горната част на хълмовете, планинските хребети).

Основни недостатъци на вятърните мелници

В същото време, вятърните генератори имат и своите отрицателни страни:

• Големината на силата на вятъра е трудно да се предвиди предварително, тъй като тя често се променя. Поради това е желателно да се обмисли резервен вариант, като се предвиди дублиращ източник на енергия (слънчеви панели, свързване към електропреносната мрежа).
• Вертикалните устройства са изложени на опасност от разрушаване на лопатките на витлото поради въздействието на центробежните сили при въртене на лопатките около главната ос. Вследствие на подобен ефект, важните елементи на конструкцията с времето се деформират и разрушават, а механизмът излиза от строя.
• Вятърните генератори е по-добре да се инсталират на открито пространство, тъй като разположените наблизо сгради могат да „гасят“ вятъра, образувайки „мъртва“ въздушна зона.
• За съхраняване на излишната енергия от вятърните турбини е необходимо да се предвиди в конструкцията използването на акумулатори и други допълнителни устройства, които служат за преобразуване на полученото електричество в ток с подходящи потребителски характеристики.
• При работа вятърните генератори издават шум, който може да причинява дискомфорт на хората и да плаши животните. Лопатките на инсталациите могат също да станат причина за смъртта на долетели до тях птици.
• Според някои специалисти, вятърните турбини могат да влошават приема на радио- и телевизионни предавания.

Към отрицателните моменти може да се отнесе и доста високата цена на подобни агрегати, но евтиността на източника на енергия до голяма степен неутрализира този фактор.

Схеми и начини на свързване

Въпреки че вятърната инсталация може да работи и автономно, значително по-добър резултат може да се постигне с помощта на комбинирани схеми, които предвиждат съчетаване на вятърното устройство със слънчеви батерии, централизирана електропреносна мрежа, дизелови или газови източници на енергия.

Автономна работа. В този случай се монтира единична инсталация, с помощта на която се улавя и натрупва вятърна енергия, която след това се преобразува в необходимия на потребителите електрически ток.

На схемата е демонстриран най-простият начин за използване на ветрогенератор, който е целесъобразно да се прилага в региони, където постоянно духат силни ветрове.

Комбиниране на ветрогенератора със слънчеви панели. Комбинираният вариант се счита за надежден и ефективен начин за електроснабдяване. При липса на вятър акумулаторът се захранва от слънчеви панели, а при облачно време и през нощта зареждането се осъществява от вятърната уредба.

Идеален вариант за частна къща или стопанство, разположени далеч от централизираната електропреносна мрежа. Тази комбинирана схема позволява да се използват два вида възобновяема енергия.

Комбинирана работа на ветрогенератора и електропреносната мрежа. Ветротурбината може да се комбинира с електрокомуникациите.

Подобна схема е типична за промишлени и търговски устройства. Някои модели битови ветрогенератори също предвиждат свързване към електрокомуникациите.

При излишък на произведената електроенергия тя постъпва в централизираната мрежа, а при недостиг има възможност да се използва електрически ток от общата енергийна система.

Нюанси при прилагането на вятърните генератори

В момента вятърните турбини се използват в различни сфери на икономиката. Промишлени модели с различна мощност се прилагат от нефтени и газови компании, телекомуникационни компании, сондажни и геоложки проучвателни станции, производствени обекти и държавни учреждения.

Ветрогенераторът може да се използва като допълнителен източник на енергия в болници и други учреждения, за да осигури непрекъснато подаване на електроенергия при аварийни ситуации.

Особено трябва да се отбележи важността на прилагането на вятърни уредби за бързо възстановяване на нарушеното електроснабдяване при катаклизми и природни бедствия. За тази цел ветрогенераторите често се използват от подразделенията на службите за извънредни ситуации.

Битовите вятърни турбини са отлични за осигуряване на осветление и отопление на вилни селища и частни къщи, както и за стопански цели във ферми.

При това трябва да се вземат предвид някои моменти:

• Устройствата до 1 kW могат да осигурят достатъчно количество електроенергия само в ветровити места. Обикновено произведената от тях енергия стига само за светодиодно осветление и захранване на дребни електронни уреди.
• За да се осигури напълно електричество за вила (извънградска къща), ще е необходим вятърен генератор с мощност над 1 kW. Такъв показател е достатъчен за захранване на осветителни уреди, както и на компютър и телевизор, но мощността му не е достатъчна, за да снабди с електричество постоянно работещия модерен хладилник.
• За осигуряване на енергия за вилата ще е необходим вятърник с мощност 3-5 kW, но дори такъв показател няма да е достатъчен за отопление на къщи. За да се използва подобна функция, е необходим мощен вариант, започващ от 10 kW.

При избора на модел трябва да се вземе предвид, че показателят на мощност, посочен на устройството, се постига само при максимална скорост на вятъра. Така, инсталация от 300 V ще произвежда посоченото количество енергия само при скорост на въздушните потоци от 10-12 m/s.

На желаещите да построят вятърен генератор със собствени ръце предлагаме следната статия, в която подробно е изложена полезна информация.

Изводи и полезно видео по темата

В представеното по-долу видео се дава подробна информация за принципа на работа и устройството на битов модел вятърен генератор:

Вятърният генератор е отличен източник за производство на електрическа енергия, който особено ще оценят жителите на отдалечени места. Различни руски и чуждестранни предприятия предлагат голям асортимент от вятърни конструкции, освен това, битовите модели могат да се направят и със собствени ръце.

Пишете, моля, коментари в разположения по-долу блок. Разкажете за това как сте построили вятърен генератор на вашия парцел, или за това как работи вятърникът при вашите съседи. Задавайте въпроси, споделяйте полезна информация и снимки по темата.