Кинетический ветрогенератор: строение, принцип работы и области применения

Современные кинетические ветрогенераторы дают возможность использовать энергию ветра, превращая её в электрическую энергию. Существует как заводские, так и самодельные устройства, которые применяются как в промышленности, так и в частном использовании.

В данной статье мы подробно расскажем о конструкции таких ветрогенераторов, их характеристиках и конструктивных вариантах. Также приведем преимущества и недостатки ветряных установок и предложим полезные схемы и советы для домашних мастеров.

Принцип работы ветрогенератора

Основной принцип работы ветрогенератора заключается в преобразовании кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая позже трансформируется в электрическую энергию.

Процесс довольно прост: вращение лопастей, прикрепленных к оси устройства, приводит в движение ротор генератора, что инициирует выработку электроэнергии.

Ветроэнергетика считается одной из наиболее перспективных областей возобновляемой энергетики. Новейшие конструктивные разработки позволяют эффективно извлекать энергию ветра и использовать её для производства электроэнергии.

Получаемый переменный ток, который не имеет стабильного напряжения, поступает в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, необходимое для зарядки аккумуляторов. Затем это напряжение подается на инвертор, который преобразует его в переменное напряжение на уровне 220/380 В, пригодное для использования потребителями.

Эффективность работы ветрогенератора зависит от скорости ветра и рассчитывается по формуле N=pSV³/2, где V — скорость ветра, S — площадь вращения, p — плотность воздуха.

Конструкция ветряного генератора

Существуют различные типы ветрогенераторов, которые могут значительно различаться между собой.

На представленной схеме показано внутреннее устройство стандартного горизонтального ветрогенератора, которые чаще всего используются в быту и на производстве.

Промышленные ветрогенераторы представляют собой сложные конструкции и требуют специального фундамента для установки, в то время как бытовые модели могут состоять из нескольких основных компонентов (например, постоянного электрического двигателя 3-12В, конденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Стандартная установка включает следующие ключевые элементы:

• генератор переменного тока (его мощность зависит от силы ветра);
• лопасти, передающие вращательное движение генератору (обычно они дополнительно оснащены редукторами и стабилизаторами скорости вращения);
• мачта, поддерживающая лопасти (при более высоком расположении лопастей они способны улавливать больше ветровой энергии);
• аккумуляторы, которые накапливают энергию и обеспечивают её использование при недостаточном ветре или в его отсутствие. Они также помогают стабилизировать поступающую электрическую энергию;
• контроллер – устройство, которое преобразует переменное напряжение, полученное с генератора, в постоянное для зарядки аккумуляторов, регулируемое по направлению потока воздуха;
• АВР – автоматическое устройство переключения, которое соединяет ветрогенератор с другими источниками энергии (такими как солнечные панели или электросеть);
• датчик направления ветра, помогающий лопастям правильно ориентироваться по потоку;
• инвертор, преобразующий постоянный ток из аккумуляторов в переменное напряжение, используемое в электрических сетях.

Для удовлетворения различных потребностей пользователей устройства могут быть оснащены разными типами инверторов:

• инверторы с модифицированной синусоидой, которые обеспечивают квадратную синусоиду. Они подходят для ТЭНов, ламп накаливания и прочих менее чувствительных к качеству электроэнергии устройств;
• инверторы трехфазного напряжения, предназначенные для работы с трехфазными электрическими сетями;
• установки с чистой синусоидой, производящие ток для более чувствительного оборудования;
• сетевые инверторы, которые могут работать без аккумуляторов и предназначены для подключения к общей электрической сети.

При выборе ветрогенератора важно учесть тип инвертора.

Классификация ветряных генераторов

Ветрогенераторы можно классифицировать по множеству признаков, включая:

• назначение;
• конструктивные особенности;
• количество лопастей;
• материалы, использованные в производстве;
• ось вращения;
• шаг лопастей.

Рассмотрим наиболее распространенные классификации.

Классификация по назначению

Различают ветрогенераторы, которые отличаются по своему назначению, что также определяет их основные характеристики, включая мощность.

Промышленные ветряные турбины

Эти установки создаются крупными энергетическими компаниями или государственными учреждениями для электроснабжения промышленных объектов. Турбины с мощностью в десятки мегаваттов обычно устанавливаются на специальных площадках (например, на открытых холмах или побережьях).

Ветропарки, в которых размещены десятки ветряных турбин, могут располагаться как на суше, так и в мелководье, а получаемое электричество используется в промышленности.

Сформированная электроэнергия поступает непосредственно в сеть, при этом для управления частотой вращения и стабильностью работы турбин используются дополнительные механизмы.

Коммерческие ветровые генераторы

Эти установки предназначены как для продажи электроэнергии, так и для обеспечения электрической энергией производств в регионах с недостаточной мощностью сетей или полной их отсутствием. Коммерческие ветряные электростанции зачастую состоят из множества электрогенераторов с различными указателями мощности.

Энергия, получаемая от таких установок, может поступать сразу же в электрические коммуникации или использоваться для заряда больших батарей, где она будет накоплена и преобразована для последующего использования в энергосистеме.

Бытовые ветряные устройства

Ветрогенераторы малой мощности ориентированы на частное использование. По существующим нормам, ветряки с высотой мачты до 25 метров могут устанавливаться владельцами участков без необходимости получения разрешений от властей, в то время как для более высоких мачт такое разрешение требуется.

Ветряки средних и малых мощностей подходят для обеспечения электричеством загородных домов, дач и фермерских хозяйств.

Бытовые ветрогенераторы могут заряжать аккумуляторы с напряжением 12/24/48В, энергия из которых затем преобразуется в 220 Вольт. Такие устройства помогают решить проблемы с энергоснабжением для небольших объектов, расположенных вдали от централизованных электросетей.

С статьей, посвященной выбору ветрогенератора для частного дома, вы сможете ознакомиться для получения более детальных рекомендаций.

Конструктивные особенности ветряков

В зависимости от конструкции ветрогенераторы могут быть разделены на несколько категорий, хотя все они относятся к двум основным группам: вертикальные и горизонтальные.

Классические горизонтальные ветрогенераторы

Эти установки (также известные как пропеллерные или крыльчатые) обычно имеют 3-5 лопастей, находящихся на горизонтальной оси. Благодаря высокой скорости вращения, такие лопасти обеспечивают максимальное получение энергии (ККД до 0.4).

Количество выработанной электроэнергии также зависит от высоты установки (чем выше, тем эффективнее ее работа).

Горизонтальные ветрогенераторы используют подъемную силу, которая возникает при изменении давления в точке, где поток воздуха проходит сквозь лопасти, отражаясь от них.

Данные устройства часто устанавливаются в ветропарках, создающих электроэнергию для промышленного и коммерческого использования, однако они также подходят для домашнего использования.

Интересной альтернативой горизонтальным ветрогенераторам является модель с одною лопастью; с её особенностями можно ознакомиться в следующей фотогалерее:

Галерея изображений

Построение однолопастного ветряка связано с необходимостью обеспечивает его балансировку. Даже небольшие расхождения могут вызвать значительные вибрации, которые в итоге могут привести к повреждению конструкции.

Для адаптации автомобильного или тракторного генератора к использованию в ветроэнергетической установке необходимо перемотать его, добавив витки для снижения выходного напряжения или перенастроить его под меньшие обороты.

Для крепления лопасти к ее оси использованы два металлических уголка, соединенных между собой болтом М6. Аналогичным образом сделаны ограничители, предотвращающие выход лопасти за пределы заданной траектории.

Вращающаяся часть конструкции должна свободно отклоняться во время движения лопасти, чтобы минимизировать вибрации.

Генератор, который подает потребителю постоянный ток, фиксирован в системе. Это решение трижды эффективнее, чем аналогичная установка с тремя лопастями.

На противоположной стороне трубы, где закреплена лопасть, установлены шайбы – необходимый противовес для оптимальной балансировки.

Лопасть в примере представляет собой деталь, вырезанную из дюралюминиевой трубы диаметром 110 мм. Перед установкой она была немного выпрямлена с помощью раскатки.

Мачта для однолопастной модели спроектирована так, чтобы её соединительный узел не попадал в зону вращения лопасти при любом отклонении.

Однолопастной ветрогенератор

Модернизация генератора для установки

Элемент крепления лопасти и противовеса

Уникальная вращающаяся структура

Устойчивое закрепление генератора

Противовес для лопасти ветряной установки

Лопасть однолопастного ветрогенератора

Мачта для однолопастного ветряка

Вертикальные ветряные турбины

Ключевым компонентом этих установок является вращающееся ветроколесо. В зависимости от конструктивных решений, такие турбины могут иметь разные разновидности, например, «Савониус» или «Бочка».

Фотогалерея, посвященная устройству вертикального генератора Савониуса:

Лопасти ветрогенератора прикрепляются к вращающейся части, созданной из деревянного стержня и нескольких фанерных колец.

Лопасти изготавливаются из стальных или алюминиевых листов и могут быть числом от 3 до 7 и более.

Фиксация лопастей осуществляется при помощи обычных винтов с гайками, которые рекомендуется дополнительно закреплять с помощью сварки или подобного способа.

Для установки вертикальной турбины требуется неподвижная основа, выполненная из фанеры, в верхней части которой нужно проделать отверстие под генератор.

Высота стенок для ветряка Савониуса должна составлять 14-15 см. Их можно нарезать из доски, МДФ или толстой фанеры.

Для установки генератора внутри основного корпуса ветряка создает специальный бокс, который следует теплоизолировать, чтобы избежать перегрева во время работы лопастей.

Чтобы избежать нагрева, который может нарушить баланс вращения лопастей, из металлического листа делают дефлектор.

Вертикальные ветряные турбины способны вращаться даже от слабого ветра и могут вырабатывать электроэнергию в условиях низкой ветрености.

Несмотря на сравнительно низкие значения коэффициента полезного использования (0.1-0.2), эти установки активно применяются благодаря способности работать в условиях турбулентных воздушных потоков, что позволяет устанавливать их даже в местах с низкой интенсивностью ветра.

Работа вертикальных ветрогенераторов не зависит от направления воздушных потоков. Такие устройства легко монтируются и могут устанавливаться близко к уровню земли.

Для повышения эффективности вертикальных ветряков производители часто увеличивают их размеры, что, в свою очередь, приводит к росту стоимости. Поскольку эти установки достаточно хрупкие, им необходимо защищаться от ураганных потоков и прочих природных факторов.

Ветрогенераторы «Ротор Дарье»

Эти устройства также относятся к вертикальным ветряным турбино, но имеют ряд конструктивных отличий. Благодаря таким особенностям удалось снизить уровень шума и увеличить коэффициент полезного использования, который приближается к характеристикам горизонтальных моделей.

Представленный в 1931 году французским инженером Жоржем Дарье, ротор с низким давлением и осью вращения, перпендикулярной воздушным потокам, получил широкую популярность в сфере ветроэнергетики.

Однако такая конструкция обладает недостатком: низким стартовым моментом из-за того, что в ней всего две лопасти, что затрудняет самостоятельный запуск. Для решения этой задачи часто применяют гибридные модели «Савониус + Дарье».

Парусные ветряные установки

В конструкции таких установок могут использоваться принципы как вертикальных, так и горизонтальных ветряков. Главной особенностью является ветроколесо, состоящее из множества лопастей или парусов, при этом у таких моделей отсутствует аэродинамический профиль.

Существует множество моделей парусных ветряков, которые отличаются по количеству лопастей, весу и мощностям. Все эти характеристики важны при выборе устройства.

Хотя парусные установки обладают низкой скоростью и не так эффективны, они активно применяются в народном хозяйстве благодаря простоте монтажа и эксплуатации. Комбинация высокого крутящего момента и низких оборотов позволяет напрямую приводить в движение различные полезные механизмы, такие как насосы для откачки воды.

Следующая галерея изображений представит одну из реализованных моделей парусных ветряков:

Диаметр колеса данной модели парусного ветряка составляет 5 метров. Спицы изготовлены из труб диаметром 48 мм. Лопасти выполнены из прочной баннерной ткани.

Передача крутящего момента осуществляется с помощью редуктора с отношением 1/45. Установлено два генератора, соединенные с валом при помощи двух плоских ремней, которые можно подтягивать аналогично автомобилям.

Эта эффективная парусная установка используется для зарядки аккумуляторов. Энергия, вырабатываемая устройством, достаточна для выполнения различных бытовых задач. Установка развивает мощность до 4 кВт/ч.

Для накопления энергии к парусному ветрогенератору подключены два аккумулятора, которые соединяются параллельно с каждым генератором.

Двигатель для ветряной турбины

Для работы ветряных установок необходимы стандартные трехфазные генераторы. Конструкция этих устройств аналогична автомобильным моделям, но с большим размером.

В генераторах для ветряных турбин предусмотрена трехфазная обмотка статора, соединенная по схеме «звезда», откуда выходят три провода, ведущие к контроллеру, где преобразуется переменное напряжение в постоянное.

Ротор генератора сделан с использованием неодимовых магнитов, так как в таких системах нецелесообразно применять электромагниты, так как они требуют большого потребления энергии.

Часто для повышения оборотов используется редуктор, который увеличивает мощность работающего генератора или позволяет применять устройства меньшего размера, что снижает общую стоимость установки.

Редукторы чаще применяются в вертикальных ветрогенераторах, где вращение ветроколеса происходит медленнее. Для горизонтальных устройств с высокой скоростью вращения лопастей редукторы не нужны, что облегчает и удешевляет конструкцию.

Подробная информация о сборке ветрогенератора из стиральной машинки и о ветряных установках на основе автомобильных генераторов изложена в рекомендуемых статьях.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов

Рассмотрим подробнее плюсы и минусы ветряных установок, так как именно они влияют на решение о покупке или отказе от ветряка.

Преимущества ветряных систем

К преимуществам ветровых энергетических устройств можно отнести:

• Экологическая чистота. Такие установки используют возобновляемые источники энергии, которые позволяют получать электричество без вреда для экологии. Энергия, вырабатываемая ветрогенераторами, понижает потребление ресурсов тепловых электростанций, уменьшая выбросы парниковых газов.
• Универсальность. Ветряные установки можно интегрировать практически в любом месте: на равнинах, в горах, на полях, островах и даже мелиорациях. Ветер становится особенно ценным в удаленных районах, где сложно провести традиционные электрические коммуникации, что обеспечивает независимое энергоснабжение объектов.
• Эффективность применения. Современные устройства способны использовать энергию даже слабого ветра — нижний предел составляет 3,5 м/с. Это позволяет как подключать систему к централизованным сетям, так и обеспечивать электричеством отдельные, в том числе локальные объекты.
• Стоящая альтернатива традиционным источникам. Стационарные ветряные электростанции могут полностью обеспечивать домовладения или малые промышленные объекты. В таких случаях турбина накапливает необходимую электроэнергию для использования в периоды безветрия.
• Экономическое преимущество. Использование ветряных установок в сравнении с традиционными энергетическими источниками (газ, уголь, нефть) позволяет значительно сократить затраты на электроэнергию. В некоторых случаях строительство ветроэлектростанции оказывается дешевле, чем подключение к существующим сетям.

Установка ветряков может служить альтернативой затратным дизельным генераторам и уменьшать затраты на транспортировку и хранение топлива до 80%.

Средняя мощность ветряной турбины значительно отличается от пиковых значений. Генератор отвечает за выработку электроэнергии за определенный промежуток времени при средней месячной скорости ветра, характерной для данной территории.

Для более точной оценки ветровых ресурсов можно воспользоваться специальными статистическими данными (параметры Вейбулла), отражающими характерное распределение ветровой силы для конкретной местности. Эти данные важны для проектирования ветропарков с мощностью десятки МВт.

Показатель вырабатываемой ветрогенератором мощности пропорционален кубу скорости ветра. Таким образом, он очень мал при слабых ветрах, но резко увеличивается при их усилении. Из-за изменчивости направления и скорости ветров, при проектировании ветряной турбины необходимо предусматривать элементы стабилизации.

Правила и рекомендации для вычисления мощности ветрогенератора можно найти по этой ссылке, что поможет углубить свои знания в данной области.

В небольших автономных системах батареи выполняют роль накопителей энергии, и их заряд начинает возрастать в тот момент, когда мощность ветрогенератора превышает нагрузки.

При увеличении нагрузки может произойти разрядка батареи, что является важным фактором при выборе бытового оборудования. Мощностные характеристики агрегата должны соответствовать среднему месячному или годовому потреблению электроэнергии.

Стоит подчеркнуть, что эффективность использования ветровых потоков значительно зависит от разнообразия конструкций ветрогенераторов.

Горизонтальные турбины демонстрируют высокие результаты на равнинных территориях, где дует много ветра, в то время как вертикальные конструкции эффективно работают в зонах с бурными потоками, наблюдаемыми вблизи земли, например, на склонах холмов или в горной местности.

Основные недостатки ветряных установок

Тем не менее, у ветряных установок имеются и свои недостатки:

• Трудно предсказать силу ветра, поскольку она непостоянна. Поэтому важно продумать резервный источник энергии, например, солнечные панели или подключение к центральной электросети.
• Вертикальные турбины подвержены риску повреждения лопастей из-за центробежных сил, возникающих во время вращения. Это приводит к деформации критически важных частей конструкции и, как следствие, к выходу механизма из строя.
• Рекомендуется устанавливать ветряки на открытой местности, так как близлежащие строения могут препятствовать ветру, создавая «мертвые» зоны.
• Для хранения избытка энергии, производимой ветрогенераторами, важно включить в конструкцию аккумуляторы и дополнительные устройства, трансформирующие выработанное электричество в ток с нужными параметрами.
• Во время работы ветряные генераторы создают шум, который может быть некомфортным для людей и отпугивать животных. Также есть риск, что птицы могут пострадать от вращающихся лопастей.
• Некоторые специалисты утверждают, что ветрогенераторы могут негативно влиять на качество приема радио- и телевизионных сигналов.

К минусам также следует отнести высокую стоимость таких устройств, однако, несмотря на это, конкурентоспособная цена на электроэнергию существенно компенсирует этот момент.

Схемы и способы подключения

Несмотря на возможность автономной работы, используя комбинированные схемы, где ветрогенератор сочетается с солнечными панелями, централизованной электросетью или дизельными и газовыми источниками энергии, можно достигнуть значительно лучших результатов.

Автономная работа. В данном случае устанавливается единичный агрегат, который захватывает и накапливает ветер, преобразовывая его в электрическую энергию для потребителей.

На схеме показан самый простой способ использования ветрогенератора, который будет особенно эффективен в регионах, где регулярно дуют сильные ветры.

Комбинация ветрогенератора и солнечных панелей. Такой комбинированный подход является надежным и эффективным методом обеспечения электроэнергией. Если нет ветра, аккумуляторы будут заряжаться от солнечных панелей, а в пасмурную погоду и ночью — от ветряной установки.

Это идеальное решение для загородного дома или фермерского хозяйства, удаленного от централизованных электрических сетей. Такая схема позволяет одновременно использовать два источника возобновляемой энергии.

Сочетание ветрогенератора с электрическими сетями. Ветротурбина может быть интегрирована с электросетями.

Такой подход характерен для промышленных и коммерческих установок. Подключение к электросетям предусмотрено также для некоторых моделей домашних ветрогенераторов.

При избытке выработанного электричества оно может возвращаться в центральную сеть, а в случае нехватки предусмотрено использование электроэнергии из общей энергосистемы.

Особенности эксплуатации ветрогенераторов

В настоящее время ветряные установки находят применение в разных сферах экономики. Промышленные модели с различной мощностью используются в нефтегазовой и телекоммуникационной отраслях, а также в геолого-разведочных и буровых станциях, промышленных предприятиях и государственных учреждениях.

Ветряки могут играть роль дополнительного источника энергии в медицинских учреждениях, обеспечивая надежное электроснабжение в экстренных ситуациях.

Важно отметить, что ветрогенераторы являются ценным инструментом для быстрого восстановления электроснабжения, нарушенного из-за катастроф и стихийных бедствий. С этой целью ветряные установки часто используются структурными подразделениями МЧС.

Бытовые ветротурбины отлично подходят для организации освещения и отопления в загородных домах, а также для хозяйственных нужд на фермах.

При этом стоит учесть несколько важных моментов:

• Устройства с мощностью до 1 кВт могут обеспечивать достаточное количество электроэнергии только в ветреных местах. Обычно такой мощности хватает лишь на светодиодное освещение и оборудование малой мощности.
• Для полного электроснабжения дачи будет необходим ветрогенератор мощностью более 1 кВт. Такого агрегата будет достаточно для освещения, работы компьютера и телевизора, но его мощности недостаточно для круглосуточной работы современного холодильника.
• Коттедж потребует ветряную установку мощностью от 3 до 5 кВт, но даже такое количество не будет достаточным для отопления домов. Для этих целей понадобится устройство с мощностью от 10 кВт.

При выборе модели необходимо учитывать, что заявленная мощность, указная на устройстве, достигается только при оптимальных условиях ветра. Например, установка на 300 В будет производить указанное количество энергии только при скорости ветра 10-12 м/с.

Тем, кто хочет создать ветрогенератор своими руками, рекомендуем ознакомиться с соответствующей статьей, в которой подробно описаны полезные советы.

Заключение и полезное видео

Ниже представлено видео, в котором подробно объясняется принцип работы и конструкция бытового ветряного генератора:

Ветрогенератор — отличный агрегат для производства электроэнергии, который особенно востребован среди жителей удаленных районов. Множество российских и зарубежных компаний предлагает широкий выбор ветряных конструкций, также есть возможность собрать бытовую модель самостоятельно.

Пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже. Поделитесь опытом строительства ветряного генератора на вашем участке или расскажите о работе ветряка у соседей. Задавайте вопросы, делитесь полезной информацией и фотографиями!

Видео:

На что способен Ветрогенератор — своя энергия для дома. Как работает ветрогенератор.