Кинетичен вятърен генератор: устройство, принцип на действие, приложение

Модерен кинетичен вятърен генератор ви позволява да се възползвате от силата на въздушните течения, превръщайки ги в електричество.За тази цел има фабрични и домашни модели устройства, които се използват както в индустрията, така и в частните домакинства.

Ще ви разкажем как са проектирани вятърни турбини от този тип и ще ви запознаем с характеристиките на устройството и опциите за дизайн. Статията, която предложихме, показва силните и слабите страни на една вятърна електроцентрала. Направи си сам майсторите ще намерят тук полезни диаграми и препоръки за сглобяване.

Принцип на работа на вятърния генератор

Работата на вятърния генератор се основава на трансформацията на кинетичната енергия на вятъра в механичната енергия на ротора, която след това се преобразува в електричество.

Принципът на работа е доста прост: въртенето на лопатките, фиксирани към оста на устройството, води до кръгови движения на роторния генератор, като по този начин генерира електричество.

Вятърната енергия е един от най-обещаващите сектори на възобновяемата енергия. Съвременните дизайни правят възможно рентабилното използване на силата на въздушните течения, като се използва за генериране на електричество

Полученият нестабилен променлив ток се „източва“ в контролера, където се преобразува в постоянно напрежение, което може да зареди батериите. Оттам захранването се подава към инвертора, където се трансформира в променливо напрежение с показател 220/380 V, което се подава към консуматорите.

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

Ветрогенераторно устройство

Различните версии на вятърните генератори се различават значително една от друга.

Диаграмата по-долу показва вътрешната структура на класически хоризонтален вятърен генератор. Такива модели най-често се използват както в индустрията, така и в ежедневието.

Индустриалните устройства са сложна многометрова структура, чието инсталиране изисква основа, докато домакинският модел може да се състои от минимум компоненти (DC електродвигател 3-12V, електрически кондензатор 1000 uF 6V, силициев токоизправителен диод).

Типичната инсталация включва следните компоненти:

• генератор на променлив ток (мощността зависи от скоростта на вятъра);
• лопатки, които предават въртене към вала на генератора (често те са допълнително оборудвани с редуктори и стабилизатори на скоростта на ротора);
• мачтата на вятърната мелница, към която са прикрепени лопатките (колкото по-високи са тези елементи, толкова повече вятърна енергия могат да получат);
• батерии, които съхраняват енергия, позволявайки тя да се използва, когато има малък или никакъв вятър. Батерията също така изпълнява функцията за стабилизиране на електрическата енергия, доставяна от генератора;
• контролер - преобразувател на променливо напрежение, получено от генератора, в постоянно напрежение, което се използва за зареждане на батерията. Контролерът се управлява чрез завъртане на лопатките, което ви позволява да вземете предвид къде се движат въздушните потоци;
• AVR е автоматично превключващо устройство, което свързва вятърния генератор с други източници на енергия (слънчеви панели, електрическа мрежа);
• сензор за посока на вятъра - устройство, което улеснява лопатките да открият потока на вятъра;
• инвертор за преобразуване на постоянен ток от батерии в променливо напрежение, който се използва в електрическите комуникации.

За да отговори по-добре на нуждите на потребителите, устройството може да бъде оборудвано с различни видове инвертори:

• устройства с инверторно модифицирана синусоида, която произвежда квадратна синусоида. Устройствата от този тип са подходящи за нагревателни елементи, лампи с нажежаема жичка и други устройства, които не са взискателни към качеството на мрежата;
• трифазни инвертори на напрежение, предназначени за трифазни електрически мрежи;
• единици с чиста синусоида, които произвеждат енергия за по-чувствително оборудване;
• мрежови инвертори, които могат да работят без батерии. Такива устройства са предназначени за вериги, които включват електрическа енергия, влизаща директно в общата мрежа.

Когато избирате модели, не забравяйте да обърнете внимание на вида на инвертора.

Видове вятърни генератори

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

• назначаване;
• характеристики на дизайна;
• брой остриета;
• материалите, от които са направени;
• ос на въртене;
• стъпка на витлото.

Нека разгледаме по-отблизо двете най-често използвани класификации.

Класификация на вятърните генератори по предназначение

Има видове вятърни турбини, които се различават по предназначение. Основните характеристики на устройствата, например мощността, зависят от това.

Промишлени вятърни турбини

Такива устройства се инсталират от големи енергийни компании или държавата за доставка на електричество на промишлени съоръжения.Турбините с мощност от десетки мегавати обикновено се намират във ветрови зони (открити хълмове, брегове).

Вятърните паркове, където са инсталирани десетки вятърни турбини, са разположени не само на сушата, но и в плитки води. Полученото електричество обикновено се използва за промишлени цели

Генерираната електроенергия по правило отива директно в мрежата, докато за стабилност и регулиране на скоростта на въртене на лопатките вятърните турбини са оборудвани с допълнителни механизми.

Търговски вятърни генератори

Такива инсталации се използват за генериране на електричество за продажба или за осигуряване на електричество за производство в региони с електрическа мрежа с ниска мощност (или изобщо без електрическа мрежа). Такива вятърни електроцентрали се състоят от клъстер от електрически генератори, които могат да имат различен капацитет.

Енергията от комерсиални инсталации може да се подава директно в електрически инсталации или да се използва за зареждане на голям набор от батерии, където се съхранява и преобразува за захранване на мрежата.

Битови вятърни устройства

Устройствата с ниска мощност се използват за лична употреба. Съгласно правилата, вятърни турбини с мачти, по-малки от 25 метра височина, могат да бъдат монтирани от собственици на земя без одобрение от властите; за по-високи мачти трябва да се получи специално разрешение.

Вятърните мелници с ниска и средна мощност могат да служат като източник на електрическа енергия за вили, дачи, селски къщи и ферми

Битовите ветрогенератори са подходящи за зареждане на батерии с напрежение 12/24/48V, енергията от които се трансформира в напрежение 220V.Такива устройства позволяват напълно или частично да се реши проблемът с електрозахранването на малки обекти, които се намират далеч от централизираната електрическа мрежа.

С насоки за избор на вятърен генератор за осигуряване на енергия в частен дом Прочети статиятапосветен на този интересен въпрос.

Видове конструкции на вятърни турбини

Въз основа на конструктивните си характеристики устройствата също могат да бъдат разделени на няколко категории, въпреки че всички разновидности се свеждат до два основни типа: вертикален и хоризонтално.

Класически хоризонтални вятърни турбини

Такива инсталации (наричани още витло или крило) обикновено имат 3-5 лопатки, монтирани на хоризонтална ос. Въртящи се с висока скорост, такива елементи ви позволяват да получите максимално количество енергия (КИЕВ до 0,4).

Освен това количеството генерирана електроенергия до голяма степен зависи от височината на устройството (колкото по-високо е, толкова по-голям е резултатът).

Хоризонталната вятърна турбина използва повдигане, което възниква, когато налягането се увеличи в точката, където директният въздушен поток преминава през лопатките и се отразява от тези елементи.

Тези устройства обикновено се инсталират във вятърни паркове, където се генерира енергия за промишлени и търговски цели, но те са подходящи и за домашна употреба.

Интересно решение за хоризонтална вятърна мелница е модел с едно острие, следната селекция от снимки ще ви запознае с неговите характеристики:

Вертикални вятърни турбини

Работният елемент на такива инсталации е въртящо се вятърно колело. Поради конструктивните си характеристики такива конструкции се различават по тип („Барел“, „Савониус“).

Следната селекция от снимки ще ви запознае с принципа на вертикалната генераторна турбина Savonius:

Въпреки ниския индекс KIEV (0,1-0,2), те се използват широко: вертикалните инсталации работят на турбулентни въздушни потоци, така че могат да бъдат поставени дори в райони, където силните ветрове рядко духат.

Работата на вертикалните вятърни генератори не зависи от посоката на ветровете. Те са лесни за инсталиране и работа и такива устройства могат да бъдат инсталирани близо до земята

За да подобрят ефективността на вертикалните вятърни турбини, производителите често увеличават техните размерни параметри, което води до значително увеличение на разходите. Тъй като такива инсталации са доста крехки, те изискват повишена защита от урагани и други природни явления.

Вятърни генератори "Ротор Дария"

Такива устройства принадлежат към категорията на вертикалните вятърни турбини, но имат изразени разлики в дизайна. Благодарение на такива характеристики се постига намаляване на шума, а KIEV също се увеличава, което се доближава до производителността на хоризонталните модели.

Турбина с ниско налягане с ос на въртене, перпендикулярна на въздуха, предложена през 1931 г. от френския авиоконструктор Жорж Дарие, намери широко приложение във вятърната енергия.

Недостатъкът на такива конструкции е ниският начален въртящ момент (поради наличието само на две остриета е трудно устройството да стартира самостоятелно). За решаване на проблема често се използва хибридът "Savonius + Darier".

Ветроходни вятърни инсталации

За такива инсталации може да се използва принципът на изграждане както на вертикални, така и на хоризонтални вятърни турбини. Основната характеристика на дизайна е вятърно колело, покрито с много лопатки или платна, докато такива модели нямат аеродинамичен профил.

Има много модели ветроходни генератори, които се различават по броя на лопатките, теглото и мощността. Всички тези параметри трябва да се вземат предвид при избора на устройство

Въпреки факта, че ветроходните инсталации се характеризират с ниска скорост и ниска ефективност, те често се използват в националната икономика.Такива конструкции са лесни за инсталиране и работа, а комбинацията от висок въртящ момент и ниска скорост ви позволява директно да задвижвате различни полезни механизми, например помпа за изпомпване на вода.

Следващата галерия ще ви запознае с един от моделите ветроходни вятърни турбини, внедрени в практиката:

Генератор за вятърна турбина

Вятърните турбини изискват конвенционални трифазни генератори, за да работят. Дизайнът на такива устройства е подобен на моделите, използвани на автомобили, но има по-големи параметри.

Инструментите за вятърни турбини имат трифазна статорна намотка (звезда), от която излизат три проводника и отиват към контролера, където променливото напрежение се преобразува в постоянно напрежение.

Роторът на генератора за вятърна турбина е направен от неодимови магнити: в такива конструкции е неподходящо да се използва електрическо възбуждане, тъй като намотката консумира много енергия

Често се използва множител за увеличаване на оборота.Това устройство ви позволява да увеличите мощността на съществуващия генератор или да използвате по-малко устройство, което намалява разходите за монтаж.

Мултипликаторите се използват по-често във вертикални вятърни генератори, при които процесът на въртене на вятърното колело е по-бавен. За хоризонтални устройства с висока скорост на въртене на лопатките не се изискват умножители, което опростява и намалява цената на дизайна.

Специфика на сглобяване и монтаж на вятърни генератори от пералнята и вятърни турбини от автомобилен генератор е описано подробно в статиите, които препоръчваме.

Плюсове и минуси на вятърен генератор

Нека разгледаме подробно предимствата и недостатъците на вятърните турбини, тъй като решението за закупуване на вятърна турбина или изоставяне зависи от тях.

Предимства на вятърните устройства

Предимствата на устройствата, използващи вятърна енергия, включват:

• Екологичност. Инсталациите използват възобновяем източник на енергия, който може да се използва непрекъснато, без да нанася щети на околната среда. Електричеството, генерирано от вятърни генератори, замества енергията на топлоелектрическите централи, намалявайки емисиите на парникови газове.
• Универсалност. Вятърните електроцентрали могат да бъдат построени почти навсякъде: в равнини, в планини, в полета, на острови и дори в плитки води. Вятърната енергия е особено ценна в отдалечени места, където е трудно да се разширят конвенционалните електрически комуникации. Вятърните генератори в този случай позволяват да се установи енергийно захранване на обекти, като се гарантира неговата независимост от случайни фактори (например гориво, което не е доставено навреме).
• Ефективност на използване. Съвременните модели обработват енергията дори на слаби ветрове - минималната граница е 3,5 m/s.По този начин е възможно да се доставя допълнителна електроенергия към централизираната мрежа, както и да се организира захранване на отделни обекти (островни или локални) независимо от тяхната мощност.
• Достойна алтернатива на традиционните източници. Стационарните вятърни електроцентрали могат напълно да осигурят електричество на жилищна сграда или дори малко промишлено съоръжение. В този случай турбината ще акумулира необходимото количество електроенергия в батерии, предназначени за използване през спокойни периоди.
• Икономичен. В сравнение с традиционните източници на електрическа енергия (газ, торф, въглища, петрол), велосипедните турбини могат значително да намалят разходите за енергия. В много случаи изграждането на вятърен парк е по-евтино от свързването към съществуващи енергийни системи.

Използването на вятърни турбини може да бъде алтернатива на използването на скъпи дизелови генератори, като допълнително намалява разходите за транспортиране и съхранение на гориво с до 80%.

Средната мощност на вятърна турбина се различава няколко пъти от върховото натоварване. Вятърният генератор отговаря само за количеството енергия, произведено за определен период от време при средната месечна скорост на вятъра, характерна за дадена област.

За по-точна оценка на вятърните ресурси можете да използвате специално получени данни (параметри на Weibull). Тези показатели отразяват разпределението на ветровете с различна сила, характерни за определен район. Важно е да се вземе предвид такава информация при разработването на проекти за вятърни паркове с мощност от десетки MW.

Мощността, генерирана от вятърна турбина, е пропорционална на утроената скорост на вятъра.Следователно този показател е много малък, когато вятърните потоци са слаби, но когато се засилят, рязко се увеличава. Поради променливостта на посоката и скоростта на вятъра, стабилизиращите компоненти трябва да бъдат включени в дизайна на вятърната турбина.

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

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

С увеличаване на натоварването батерията може да се разреди. Важно е да се вземе предвид тази характеристика при избора на домакински уред, неговата мощност трябва да съответства на месечната или годишната консумация на електроенергия

Трябва да се отбележи, че ефективното използване на вятърните потоци се улеснява от различни конструкции на вятърни генератори.

Хоризонталните турбини работят добре в равнинни райони, където има много вятър, докато вертикалните турбини работят по-добре в региони с турбулентни потоци, открити ниско до земята (горни хълмове, планински вериги).

Основните недостатъци на вятърните турбини

В същото време вятърните турбини имат и своите отрицателни страни:

• Големината на силата на вятъра е трудно да се предвиди предварително, тъй като се променя често. Поради това е препоръчително да се помисли за предпазна мрежа чрез осигуряване на резервен източник на енергия (слънчеви панели, връзка с електрическата мрежа).
• Вертикалните устройства са изложени на риск от разрушаване на лопатките на витлото поради въздействието на центробежните сили, когато лопатките се въртят около главната ос. В резултат на този ефект важни структурни елементи се деформират и разрушават с течение на времето и механизмът излиза от строя.
• По-добре е да инсталирате вятърни турбини в свободно пространство, тъй като близките сгради могат да „намалят“ вятъра, образувайки „мъртва“ въздушна зона.
• За спестяване на излишната енергия от вятърни турбини е необходимо в проекта да се включи използването на батерии и други допълнителни устройства, които служат за преобразуване на генерираната електроенергия в ток с подходящи потребителски характеристики.
• Когато работят, вятърните генератори произвеждат шум, който може да причини дискомфорт на хората и да изплаши животните. Остриетата на инсталациите също могат да причинят смъртта на летящи към тях птици.
• Според някои експерти вятърните турбини могат да влошат приемането на радио и телевизионни предавания.

Отрицателните аспекти също могат да включват доста високата цена на такива единици, но ниската цена на източника на енергия до голяма степен компенсира този фактор.

Схеми и методи на свързване

Въпреки че една вятърна турбина може да работи автономно, много по-добри резултати могат да бъдат постигнати чрез комбинирани схеми, които комбинират вятърна турбина със слънчеви панели, централизирана електрическа мрежа, дизелови или газови източници на енергия.

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

Диаграмата показва най-простия начин за използване на вятърен генератор, който е препоръчително да се използва в региони, където постоянно духат силни ветрове

Комбиниране на вятърен генератор със слънчеви панели. Комбинираната опция се счита за надежден и ефективен метод за захранване. Ако няма вятър, батерията работи слънчеви панели, а при облачно време и през нощта зареждането става от вятърна турбина.

Идеален вариант за частен дом или ферма, разположени далеч от централизирана електрическа мрежа. Тази комбинирана схема позволява използването на два вида възобновяема енергия

Комбинирана работа на вятърен генератор и електрическа мрежа. Вятърна турбина може да се комбинира с електрически комуникации.

Това разположение е типично за промишлени и търговски устройства. За някои модели битови вятърни генератори е предвидена и връзка с електрически комуникации

При излишък на произведена електроенергия тя отива в централизираната мрежа, а при недостиг е възможно да се използва електрически ток от общата енергийна система.

Нюанси на използване на вятърни генератори

В момента вятърните турбини се използват в различни сектори на националната икономика. Индустриални модели с различен капацитет се използват от петролни и газови компании, телекомуникационни компании, сондажни и геоложки проучвателни станции, производствени съоръжения и държавни агенции.

Вятърната турбина може да се използва като допълнителен източник на енергия в болници и други институции за осигуряване на непрекъснато захранване при извънредни ситуации

Особено забележително е значението на използването на вятърни турбини за бързото възстановяване на повредено електричество по време на катаклизми и природни бедствия. За тази цел вятърните генератори често се използват от звената на Министерството на извънредните ситуации.

Домакинските вятърни турбини са идеални за организиране на осветление и отопление във вилни общности и частни къщи, както и за икономически цели във ферми.

Има някои точки, които трябва да имате предвид:

• Устройствата до 1 kW могат да осигурят достатъчно количество електроенергия само на ветровити места.Обикновено генерираната от тях енергия е достатъчна само за захранване на LED осветление и малки електронни устройства.
• За да осигурите напълно електричество на дача (селска къща), ще ви е необходим вятърен генератор с мощност над 1 kW. Този индикатор е достатъчен за захранване на осветителни тела, както и компютър и телевизор, но мощността му не е достатъчна за захранване на модерен хладилник, който работи денонощно.
• За да осигурите енергия на вила, ще ви е необходима вятърна турбина с мощност 3-5 kW, но дори тази цифра няма да е достатъчна за отопление на къщи. За да използвате тази функция, ви е необходима мощна опция, започваща от 10 kW.

Когато избирате модел, трябва да имате предвид, че индикаторът за мощност, посочен на устройството, се постига само при максимална скорост на вятъра. Така инсталация 300V ще произведе определеното количество енергия само при скорост на въздушния поток 10-12 m/s.

За тези, които желаят да изградят вятърен генератор със собствените си ръце, ние предлагаме следващата статия, който предоставя полезна информация в детайли.

Изводи и полезно видео по темата

Видеото по-долу предоставя подробна информация за принципа на работа и дизайна на домашен модел на вятърен генератор:

Вятърният генератор е отличен източник за производство на електрическа енергия, който ще бъде особено оценен от жителите на отдалечени райони. Различни руски и чуждестранни предприятия предлагат широка гама от вятърни конструкции, освен това домашните модели могат да бъдат направени със собствените си ръце.

Моля, напишете коментари в блока по-долу. Разкажете ни как сте построили вятърен генератор във вашия имот или как работи вятърната турбина на вашите съседи.Задавайте въпроси, споделяйте полезна информация и снимки по темата.