Электричество сегодня считается чем-то обыденным, ведь оно есть в каждом доме. И никто не задумывается, откуда оно берется. Электричество в основной массе вырабатывается электростанциями, работающими на нефти, природном газе, ядерном топливе или угле. Эти традиционные источники представляют определенную опасность для окружающей среды, вследствие чего все большее внимание уделяется альтернативным видам энергии. К последним можно отнести ветрогенераторы, которым для выработки электричества нужен лишь ветер.
Устройство
Конструктивно ветрогенераторы в большинстве случаев предполагают наличие следующих элементов:
Лопасти турбины (пропеллер).
Турбина (вращающаяся часть).
Электрогенератор.
Ось электрогенератора.
Инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный, для возможности зарядки батареи.
Механизм вращения лопастей.
Механизм вращения турбины.
Аккумулятор.
Мачта.
Контроллер вращения(анемометр).
Демпфер.
Датчик ветра и анемоскоп.
Хвостовик анемоскопа.
Гондола и ряд других элементов.
В зависимости от вида ветрогенератора конструкция и входящие в него элементы могут разниться. К примеру, промышленные устройства также предусматривают наличие системы молниезащиты, силового шкафа, поворотного механизма, надежного фундамента, системы пожаротушения, системы изменения угла атаки лопасти, телекоммуникационной системы для передачи информации о работе ветрогенератора и так далее.
Принцип действия
Ветрогенератор представляет устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Прародителями современных видов ветрогенераторов являются ветряные мельницы, которые применялись для получения муки из зерен. И принцип их работы изменился ненамного: лопасти вращают вал, который передает необходимую энергию на другие элементы.
- Ветер вращает лопасти, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора.
- При вращении ротора образуется трехфазный переменный ток.
- Полученный ток направляется на аккумуляторную батарею через контроллер. Аккумуляторы применяют для создания стабильности работы ветрогенератора. Генератор заряжает аккумуляторы при наличии ветра. При его отсутствии всегда можно взять энергию с аккумулятора, чтобы потребитель не прекращал получать электричество.
- С целью защиты от ураганов в ветрогенераторах применяется система с уводом ветроколеса от ветра при помощи складывания хвоста, либо торможения ветроколеса электротормозом.
- Для зарядки аккумуляторов ставится контроллер между ветряком и АКБ. Он отслеживает зарядку АКБ, чтобы не испортить аккумуляторы. При необходимости он может сбрасывать лишнюю энергию на определенный балласт, к примеру, большой резистор или тэны для отопления.
- В аккумуляторах имеется лишь постоянное низкое напряжение рядностью 12/24/48 вольт. Однако потребителю нужно напряжение в 220 вольт, именно поэтому ставится инвертор. Это устройство преобразует постоянное напряжение в переменное, создавая напряжение в 220 вольт. Естественно, что можно обойтись и без инвентора, но придется использовать электрические приборы, специально рассчитанные на низкое напряжение.
- Преобразованный ток направляется потребителю, чтобы питать отопительные батареи, освещение, телевизор и иные устройства.
В промышленных ветряках могут применяться и другие элементы, которые обеспечивают автономную работу устройства.
Типы и виды ветрогенераторов
Классифицировать ветряки можно по материалам, количеству лопастей, шагу винта и оси вращения.
Выделяют два основных типа ветрогенераторов по оси
вращения:
- С горизонтальной осью круглого вращения, то есть крыльчатые.
- С вертикальной осью вращения, то есть «лопастные» ортогональные, «карусельные».
Горизонтальные классические ветрогенераторы имеют пропеллер (в большинстве случаев трехлопастной), а вертикальные ветряки обладают ветроколесом, которое вращается вертикально.
По количеству лопастей ветряки могут быть:
- Трехлопастные и двухлопастные.
- Многолопастные.
Вращение многолопастных ветряков начинается при слабом ветре, тогда как для двухлопастных и трехлопастных устройств требуется более сильный ветер. Однако каждая
дополнительная лопасть создает дополнительное
сопротивление ветроколеса, вследствие чего достигнуть рабочих оборотов генератора становится сложнее.
По материалам лопастей ветряки могут быть:
- Парусные генераторы.
- Жесткие лопасти ветрогенератора.
Парусные лопасти дешевле и проще в изготовлении, однако, когда необходима стабильная и надежная работа для автономного электроснабжения они не подойдут.
По шагу винта:
- Изменяемый шаг винта.
- Фиксированный шаг винта.
Изменяемый шаг винта дает возможность повысить диапазон эффективных скоростей работы. В то же время данный механизм неизбежно,
1) усложняет конструкции лопасти,
2) снижает общую надежность ветрогенератора,
3) утяжеляет ветроколесо и требует дополнительного усиления конструкции.
Применение
Устройства могут использоваться в различных местах. В большинстве случаев в открытые пространства, где большой потенциал ветров:
В то же время генераторы современных конструкций дают возможность задействовать энергию даже слабых ветров – от 4 м/с. Благодаря им можно решать задачи электроснабжения и энергосбережения объектов любой мощности.
- Стационарные ветряные электростанции в виде альтернативных источников энергии способны полностью обеспечить электрической энергией небольшой производственный объект или жилой дом. В периоды отсутствия ветра необходимый запас электроэнергии будет выбираться из аккумуляторных батарей. Они отлично могут сочетаться с фотоэлектрическими батареями, газовым или дизельным генератором.
- Ветрогенераторы могут использоваться и для экономии при наличии центральной электросети.
- Ветроустановки средней и малой мощности часто используются владельцами фермерских хозяйств и домов, удаленных от централизованных электросетей, в качестве автономного источника.
Типы ветрогенераторов
Ветрогенераторы представляют устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Двухлопастные, трехлопастные, многолопастные…
Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.
Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:
1. Крыльчатые ветрогенераторы
имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру
(фиг. 5,а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ= 0,42.
2. Карусельные и роторные ветрогенераторы
имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра, ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (фиг. 5,б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.
3. Барабанные ветрогенераторы
имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (фиг. 5,г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.
Так как крыльчатые ветрогенераторы работают значительно эффективнее карусельных и роторных, то в дальнейшем изложении мы будем говорить только о крыльчатых ветродвигателях.
Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (фиг. 6):
1.
Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными, если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным.
2.
Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).
3.
Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.
4.
Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.
5.
У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.
6.
Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.
Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты
Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветрогенератораа и положению его в потоке ветра типы ветрогенераторов разделяются на тр
Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра. Энергия ветра применялась людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.
Принцип действия ветрогенератора:
- Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
- Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
- Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.
Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.
Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:
- Оси вращения.
- Количеству лопастей.
- Материалу, из которого выполнены лопасти.
- Шагу винта.
Классификация по оси вращения:
- Горизонтальные.
- Вертикальные.
Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.
Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.
Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.
Классификация по количеству лопастей:
- Двухлопастные.
- Трехлопастные.
- Многолопастные (50 и более лопастей).
По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.
Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.
Классификация по материалам лопастей:
- Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
- Парусные ветрогенераторы.
Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратны, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.
Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.
Классификация по шагу винта:
- Фиксированный шаг винта.
- Изменяемый шаг винта.
Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.
Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.
Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы
Классификации ветряных турбин по видам, строению и принципам работы схемы и фотографии
Прежде чем заняться подбором ветрогенератора выясним, какие они бывают. Итак, их условно разделяют на:
- Карусельные – они имеют ось вращения вертикальную;
- Крыльчатые – имеют ось вращения горизонтальную;
Карусельные ветрогенераторы
Главным плюсом будет то, что такой тип установки при увеличении скорости ветра довольно быстро набирает силу тяги, после чего ее скорость вращения практически все время постоянна и не изменяется. Ей не требуется никаких дополнительных устройств и систем, так как она сама в состоянии определить «откуда дует ветер». Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять довольно таки простые электрические схемы соединения, например схему с асинхронным генератором.
Но в большинстве случаев в карусельных установках применяют еще и повышающие редукторы – мультиплексоры, что значительно снижает их КПД. Эксплуатация без мультиплексора довольно проблемная, так как тихоходные многополюсные генераторы не слишком распространены.
Крыльчатые ветрогенераторы
Они имеют довольно большую скорость вращения, что позволяет соединять их с генераторами электрического тока без редукторов (мультиплексоров).
Лопасти данного устройства располагаются вертикально-перпендикулярно воздушному потоку. Чтоб достичь этого применяют специальные устройства – стабилизаторы. Более того, у крыльчатых ветрогенераторов более высокий коэффициент использования энергии ветра. Как правило, установки с количеством лопастей более трех на практике не применяются, это вызвано тем, что скорость их вращения обратно пропорциональна количеству лопастей.
Простота изготовления, а также скорость вращения, способствующая прямому соединению ветряка с электрическим генератором, обусловили довольно широкое распространение крыльчатых ветрогенераторов.
Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.
Расчёт
Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.
Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P - мощность;
D - диаметр винта в м;
V - скорость ветра в м/сек.
Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.
Виды
На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:
Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.
Преимущества:
- Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
- Простота изготовления;
- Большое разнообразие моделей.
Недостатки:
- Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
- Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
- Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.
Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.
Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.
Выбор модели
Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.
| Максимальная мощность кВт | Диаметр ротора м | Высота мачты | Номинальная скорость м/с | Напряжение |
| 0,55 | 2,5 | 6 | 8 | 24 |
| 2,6 | 3,2 | 9 | 9 | 120 |
| 6,5 | 6,4 | 12 | 10 | 240 |
| 11,2 | 8 | 12 | 10 | 240 |
| 22 | 10 | 18 | 12 | 360 |
Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.
Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.
И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.
Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.
Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.
Новейшие разработки
Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.
Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.
Электричество сегодня считается чем-то обыденным, ведь оно есть в каждом доме. И никто не задумывается, откуда оно берется. Электричество в основной массе вырабатывается электростанциями, работающими на нефти, природном газе, ядерном топливе или угле. Эти традиционные источники представляют определенную опасность для окружающей среды, вследствие чего все большее внимание уделяется альтернативным видам энергии. К последним можно отнести ветрогенераторы, которым для выработки электричества нужен лишь ветер.
Устройство
Конструктивно ветрогенераторы в большинстве случаев предполагают наличие следующих элементов:
- Лопасти турбины (пропеллер).
- Турбина (вращающаяся часть).
- Электрогенератор.
- Ось электрогенератора.
- Инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный, для возможности зарядки батареи.
- Механизм вращения лопастей.
- Механизм вращения турбины.
- Мачта.
- Контроллер вращения(анемометр).
- Демпфер.
- Датчик ветра и анемоскоп.
- Хвостовик анемоскопа.
- Гондола и ряд других элементов.
В зависимости от вида ветрогенератора конструкция и входящие в него элементы могут разниться. К примеру, промышленные устройства также предусматривают наличие системы молниезащиты, силового шкафа, поворотного механизма, надежного фундамента, системы пожаротушения, системы изменения угла атаки лопасти, телекоммуникационной системы для передачи информации о работе ветрогенератора и так далее.
Принцип действия
Ветрогенератор представляет устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Прародителями современных видов ветрогенераторов являются ветряные мельницы, которые применялись для получения муки из зерен. И принцип их работы изменился ненамного: лопасти вращают вал, который передает необходимую энергию на другие элементы.
- Ветер вращает лопасти, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора.
- При вращении ротора образуется трехфазный переменный ток.
- Полученный ток направляется на аккумуляторную батарею через контроллер. Аккумуляторы применяют для создания стабильности работы ветрогенератора. Генератор заряжает аккумуляторы при наличии ветра. При его отсутствии всегда можно взять энергию с аккумулятора, чтобы потребитель не прекращал получать электричество.
- С целью защиты от ураганов в ветрогенераторах применяется система с уводом ветроколеса от ветра при помощи складывания хвоста, либо торможения ветроколеса электротормозом.
- Для зарядки аккумуляторов ставится контроллер между ветряком и АКБ. Он отслеживает зарядку АКБ, чтобы не испортить аккумуляторы. При необходимости он может сбрасывать лишнюю энергию на определенный балласт, к примеру, большой резистор или тэны для отопления.
- В аккумуляторах имеется лишь постоянное низкое напряжение рядностью 12/24/48 вольт. Однако потребителю нужно напряжение в 220 вольт, именно поэтому ставится инвертор. Это устройство преобразует постоянное напряжение в переменное, создавая напряжение в 220 вольт. Естественно, что можно обойтись и без инвентора, но придется использовать электрические приборы, специально рассчитанные на низкое напряжение.
- Преобразованный ток направляется потребителю, чтобы питать отопительные батареи, освещение, телевизор и иные устройства.
В промышленных ветряках могут применяться и другие элементы, которые обеспечивают автономную работу устройства.
Типы и виды ветрогенераторов
Классифицировать ветряки можно по материалам, количеству лопастей, шагу винта и оси вращения.
Выделяют два основных типа ветрогенераторов по оси вращения:
- С горизонтальной осью круглого вращения, то есть крыльчатые.
- С вертикальной осью вращения, то есть «лопастные» ортогональные, «карусельные».
Горизонтальные классические ветрогенераторы имеют пропеллер (в большинстве случаев трехлопастной), а вертикальные ветряки обладают ветроколесом, которое вращается вертикально.
По количеству лопастей ветряки могут быть:
- Трехлопастные и двухлопастные.
- Многолопастные.
Вращение многолопастных ветряков начинается при слабом ветре, тогда как для двухлопастных и трехлопастных устройств требуется более сильный ветер. Однако каждая
дополнительная лопасть создает дополнительное
сопротивление ветроколеса, вследствие чего достигнуть рабочих оборотов генератора становится сложнее.
По материалам лопастей ветряки могут быть:
- Парусные генераторы.
- Жесткие лопасти ветрогенератора.
Парусные лопасти дешевле и проще в изготовлении, однако, когда необходима стабильная и надежная работа для автономного электроснабжения они не подойдут.
По шагу винта:
- Изменяемый шаг винта.
- Фиксированный шаг винта.
Изменяемый шаг винта дает возможность повысить диапазон эффективных скоростей работы. В то же время данный механизм неизбежно:
- Усложняет конструкции лопасти.
- Снижает общую надежность ветрогенератора.
- Утяжеляет ветроколесо и требует дополнительного усиления конструкции.
Применение
Устройства могут использоваться в различных местах. В большинстве случаев в открытые пространства, где большой потенциал ветров:
- Горы.
- Мелководье.
- Острова.
- Поля.
В то же время ветрогенераторы современных конструкций дают возможность задействовать энергию даже слабых ветров – от 4 м/с. Благодаря им можно решать задачи электроснабжения и энергосбережения объектов любой мощности.
- Стационарные ветряные электростанции в виде альтернативных источников энергии способны полностью обеспечить электрической энергией небольшой производственный объект или жилой дом. В периоды отсутствия ветра необходимый запас электроэнергии будет выбираться из аккумуляторных батарей. Они отлично могут сочетаться с фотоэлектрическими батареями, газовым или дизельным генератором.
- Ветрогенераторы могут использоваться и для экономии при наличии центральной электросети.
- Ветроустановки средней и малой мощности часто используются владельцами фермерских хозяйств и домов, удаленных от централизованных электросетей, в качестве автономного источника.
Достоинства и недостатки
К преимуществам можно отнести:
- Энергия ветра является возобновляемой энергией. Ветер создается бесплатно и постоянно, без ущерба окружающей среде. Энергия ветра доступна в любом месте на планете.
- Энергия ветра является достаточно дешевой.
- Ветряные турбины находятся на мачтах, им требуется минимум места. Благодаря этому их можно устанавливать совместно с иными объектами и строениями.
- Ветрогенераторы в процессе эксплуатации не производят вредных выбросов.
- Энергия ветра в особенности требуется в удаленных местах, куда затруднена доставка электричества иными привычными способами.
К недостаткам можно отнести:
- Сила ветра очень переменчива и непредсказуема, вследствие чего требуется дополнительный буфер для накапливания электроэнергии, либо дублирования источника.
- Высокая начальная стоимость создания и установки ветрогенераторов.
- Ветряные турбины создают шум, который сравним с шумом автомобиля, перемещающегося со скоростью 70 км/ч. Это отпугивает животных и создает определенный дискомфорт для людей.
- Вращающиеся лопасти представляют потенциальную опасность для птиц.
Среди всех имеющихся конструкций ветроколес различают две большие группы, принципиально отличающиеся друг от друга. Это и конструкции. Обе группы имеют свои признаки, достоинства и недостатки, обладают массой особенностей и специфических свойств. Рассмотрим роторные (вертикальные) образцы, наиболее многочисленную группу.
Что такое роторный ветрогенератор?
представляет собой устройство для приема во вращательное движение. Ось вращения таких конструкций расположена вертикально, что существенно изменяет физику вращения и придает устройству массу особенностей:
- вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер. Поток, движущийся с любой стороны, одинаково воздействует на лопасти устройства
- воздействие потока происходит одновременно на рабочую и на обратную стороны лопастей, что несколько снижает эффективность крыльчатки
- вертикальные виды ветрогенераторов не используются для промышленной выработки энергии, используясь преимущественно для использования в частных целях
Самая значительная особенность вертикальный конструкций состоит в векторе приложения усилия потока. Если для горизонтальных крыльчаток усилие ветра приходится на наклонную поверхность и работает на сдвиг, то вертикальные устройства в большинстве получают импульс, направленный на лопасть во фронтальном направлении, что позволяет использовать энергию потока в максимальной степени.
При этом, одновременно с полезным воздействием поток контактирует и с обратной стороной лопасти, что создает противодействующее, тормозящее вращение усилие. Это является причиной меньшей эффективности вертикальных турбин по сравнению с горизонтальными.
Внешне большинство роторных конструкций напоминают детскую карусель - вокруг вертикальной оси расположены , числом от 2 и больше. Форма лопастей может быть разной, от подобия вертикально установленных желобов до плоскостей в форме крыла самолета, расположенных вертикально по касательной к окружности вращения.
Все разновидности имеют собственные наименования, большинство их них разработаны уже давно и являются модификациями и переосмыслениями друг друга.
Достоинства и недостатки
Роторные конструкции имеют ряд достоинств:
- отсутствует необходимость наведения конструкции на ветер. Это значительно упрощает механизм ветряка и повышает его надежность
- устройства способны принимать потоки ветра, находящиеся невысоко над поверхностью земли. Турбулентность им не страшна. Это делает возможным отказаться от использования высоких мачт, усложняющих ремонт или обслуживание
- имеется много разновидностей вертикальных конструкций, позволяющих получить наиболее подходящее устройство для данных конкретных условий
- вертикальные устройства являются наиболее удобными для изготовления своими руками
К недостаткам роторных ветрогенераторов следует отнести:
- меньшая эффективность по сравнению с горизонтальными устройствами
- рабочие колеса имеют довольно большой вес, что затрудняет их вращение, особенно на слабых ветрах
- при ураганных или шквалистых ветрах установки нуждаются в защите от разрушения
Наиболее значимым достоинством роторных ветряков считается возможность самостоятельного изготовления из подручных материалов.
Примечательно, что промышленных моделей роторных установок относительно немного , большинство разработок до сих пор находятся в состоянии проектов, рабочих чертежей. Это объясняется слабым интересом к ветроэнергетике со стороны российских производителей и высокими ценами зарубежных моделей, недоступными для массового покупателя в России.
Виды устройств
Существует немало разновидностей роторных установок. К наиболее известным можно отнести:
- ортогональный ротор
- гелиоцентрический ротор
- ротор Дарье
- и т.д.
Большинство конструкций создавались в начале прошлого века, но широкого распространения не получили из-за низкого интереса к бытовым установкам, к которым относили роторные ветряки. В Европе назревала серьезная потребность в больших мощностях, что требовало использования крупных установок.
Роторные устройства большой величины неработоспособны из-за большой массы покоя и значительного сопротивления потоку ветра. Поэтому первенство было отдано горизонтальным типам конструкции, как более эффективным.
В России отношение к ветроэнергетике изначально было чисто научным, направление рассматривалось как прикладное и не имеющее высокой значимости. Обилие мощных полноводных рек позволило развивать гидроэнергетику, которая гораздо эффективнее использования энергии ветра, по крайней мере, на нынешнем уровне развития технологий.
Интерес к ветрогенераторам появился буквально в последние десятилетия и вызван нехваткой сетевых ресурсов и общей изношенностью сетей. Появилось большое число разработок, самодельных устройств, которые продемонстрировали свою пригодность к употреблению в частных целях для обеспечения дома или усадьбы.
Роторный ветрогенератор - это выгодно, или нет?
Рассматривать роторные устройства с точки зрения выгоды можно лишь в сравнении с какими-либо другими вариантами обеспечения энергией. Если сопоставить сетевую энергию и роторные ветрогенераторы, то однозначное первенство получат сети. Они стабильно поставляют энергию, не зависят от наличия или скорости ветра. Единственным минусом являются частые перебои, происходящие из-за общей ветхости сетевого хозяйства, устарелого оборудования и роста потребителей.
Если же рассматривать роторные установки в сравнении с солнечными батареями, то можно отметить независимость от времени суток или погоды. При этом часто совмещают солнечные батареи и ветряки из соображений, что хоть один источник будет доступен.
Для домовладений или отдаленных поселков, вовсе не имеющих возможности подключения к сетевой электроэнергии, говорить о выгоде нет смысла, поскольку сравнивать не с чем. Ситуация проста - или нет энергии, или есть.
Сборка своими руками
Приобретение готового ветряка, изготовленного на заводе, не по карману большинству потенциальных пользователей. Даже относительно дешевые китайские модели достаточно дороги, а европейские образцы имеют цену в несколько раз выше. Учитывая относительно небольшой срок службы установок - около 25 лет - становится ясно, что приобретение готовых комплектов для российского пользователя вариант неподходящий.
Решением вопроса становится самостоятельное изготовление роторного ветрогенератора . При использовании подручных материалов вполне можно уложиться в относительно невысокую сумму, на все вполне хватит 20000 рублей. Это обстоятельство вызвало рост изготовления различных моделей ветряков, что положительным образом сказывается на развитии направления в целом и на отработке конструктивных особенностей разных типов роторных ветряков.
Для создания действующего ветрогенератора требуются соответствующие материалы. Некоторые элементы комплекта придется приобрести. Например, аккумуляторные батареи, некоторые приборы (контроллер заряда или инвертор), которые нет возможности собрать самостоятельно, тоже придется покупать.
Практически все элементы рабочего колеса можно создать из подручных материалов. Генератор можно использовать готовый, например, мотор-колесо, автомобильный или тракторный генератор. Можно переделать асинхронный двигатель, или собрать аксиальный генератор на неодимовых магнитах. Обилие вариантов способствует развитию самодельных устройств на территории России, многие из которых успешно выполняют свои задачи на практике и способствуют подвижению ветроэнергетики среди населения.
Инструкция
Перед началом работ следует определиться с выбором конструкции ветряка. Наиболее удачными моделями, способными обеспечивать энергией достаточно большое число потребителей, считаются карусельные установки, прозванные в народе «бочка-загребушка». Они представляют собой несколько лопастей, похожих на продольно разрезанные половины металлических бочек, установленные вертикально вокруг оси вращения.
Можно действительно использовать разрезанные бочки, но лучшим решением станет изготовление лопастей из листового алюминия для облегчения крыльчатки.
Вал устанавливается на ступицах, а крыльчатка монтируется на выступающем верхнем конце. Для ограничения скорости вращения при внезапных порывах ветра обычно используют центробежные ограничители, представляющие собой грузики, подвешенные на цепочках. При повышении скорости вращения они увеличивают давление на лопасти и складывают их, снижая площадь воздействия потока и, соответственно, скорость вращения.
Монтаж генератора производится либо непосредственно на валу в нижней части, либо посредством клиноременной передачи на отдельной опорной площадке. Рекомендуется установить защитный кожух, предохраняющий устройство от попадания дождя или снега, пыли и прочих нежелательных воздействий.
Монтаж ветряка производится на возвышении. Высоких мачт для таких конструкций не требуется, однако, зачастую подобные устройства встречаются на крышах домов. Это нежелательный вариант, так как вибрации от работы ветряка полностью исключить пока не удается, что способно создать некоторое неудобство жителям дома.
