Кинетический ветрогенератор: устройство, принцип работы, применение

Современный кинетический ветрогенератор позволяет воспользоваться силой воздушных потоков, преобразовав ее в электричество. Для этой цели существуют заводские и самодельные модели устройств, которые применяют как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

Мы расскажем о том, как устроены ветряки этого типа, познакомим с особенностями устройства и конструктивными вариантами. В предложенной нами статье приведены слабые и сильные стороны ветряной энергетической установки. Самостоятельные мастера у нас найдут полезные схемы и рекомендации по сборке.

Принцип работы ветрогенератора

В основу функционирования ветрогенератора положена трансформация кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электроэнергию.

Принцип работы достаточно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, приводит к круговым движениям роторгенератора, благодаря чему вырабатывается электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно применять силу воздушных потоков, используя ее для выработки электричества

Получаемый нестабильный переменный ток «стекает» в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, способное зарядить батареи. Оттуда питание поступает на инвертор, где оно трансформируется в переменное напряжение с показателем 220/380 В, которое и подается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), рассчитывается согласно формуле N=pSV³/2, где V – скорость ветра, S – рабочая площадь, p – плотность воздуха.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

На приведенной схеме представлено внутреннее устройство классического горизонтального ветряного генератора. Такие модели наиболее часто используются как в промышленности, так и в быту

Промышленные устройства представляют собой сложную многометровую конструкцию, для установки которой требуется фундамент, в то время как бытовая модель может состоять из минимума компонентов (электродвигателя постоянного тока 3-12В, электроконденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Типовая установка включает в себя следующие составные части:

• генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветровых потоков);
• лопасти, которые передают вращение к валу генератора (часто они дополнительно оснащены редукторами, стабилизаторами скорости вращения ротора);
• мачта ветряка, к которой крепятся лопасти (чем выше находятся эти элементы, тем большее количество ветровой энергии они могут получить);
• аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии. Батарея также выполняет функцию стабилизации электрической энергии, поступившей от генератора;
• контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет учитывать, куда движутся потоки воздуха;
• АВР – устройство автоматического переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями, электросетью);
• датчик направления ветров – прибор, облегчающий лопастям поиск ветрового потока;
• инвертор для преобразования постоянного тока из аккумуляторов в переменное напряжение, которое применяется в электрокоммуникациях.

Для более полного удовлетворения пользовательских потребностей прибор может быть снабжен различными типами инверторов:

• приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей квадратную синусоиду. Устройства этого типа подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и иных приборов, нетребовательных к качеству сети;
• инверторы трехфазного напряжения, рассчитанные для трехфазных электросетей;
• установки с чистой синусоидой, которые производят энергию для более чувствительной техники;
• инверторы сетевые, способные функционировать без батарей. Подобные устройства предназначены для схем, предполагающих попадание электрической энергии непосредственно в общую сеть.

При выборе моделей следует обязательно обращать внимание на разновидность инвертора.

Типы ветряных генераторов

При классификации ветротурбин могут учитываться такие характеристики как:

• назначение;
• конструктивные особенности;
• число лопастей;
• материалы, из которых они изготовлены;
• ось вращения;
• шаг винта.

Рассмотрим подробно две наиболее часто используемые классификации.

Классификация ветрогенераторов по назначению

Выделяют разновидности ветроустановок, отличающиеся назначением. От этого зависят и основные характеристики устройств, например, мощность.

Промышленные ветряные турбины

Такие устройства устанавливаются крупными энергетическими компаниями либо государством для снабжения электроэнергией промышленных объектов. Турбины, имеющие мощность в десятки мегаватт, обычно размещаются на ветряных участках (открытых возвышенностях, побережьях).

Ветропарки, где устанавливаются десятки ветряных турбин, разбиваются не только на земле, но и на мелководье. Получаемое электричество обычно применяется в промышленных целях

Выработанная электроэнергия, как правило, поступает прямо в сеть, при этом для стабильности и регулирования частоты вращения лопастей ветротурбины оснащаются дополнительными механизмами.

Коммерческие ветровые генераторы

Такие установки используются для получения электроэнергии на продажу или для обеспечения электричеством производств в регионах с маломощной электросетью (либо с полным ее отсутствием). Подобные ветроэлектростанции состоят из скопления электрогенераторов, которые могут иметь разную мощность.

Энергия коммерческих установок может поступать непосредственно в электрические коммуникации либо использоваться для зарядки большого массива батарей, где она скапливается и преобразуется для подачи в энергосистему.

Бытовые ветряные устройства

Агрегаты малой мощности применяются для частного использования. Согласно правилам, ветряки с мачтами высотой менее 25 метров могут устанавливаться хозяевами участков без согласования с властями, для более высоких мачт необходимо получить особое разрешение.

Ветряки слабой и средней мощности могут служить источником электрической энергии для коттеджей, дач, загородных домов, фермерских хозяйств

Бытовые ветрогенераторы подходят для зарядки аккумуляторов с напряжением 12/24/48В, энергия из которых трансформируется в напряжение 220 Вольт. Такие устройства позволяют полностью или частично решить проблему с питанием электроэнергией небольших объектов, которые располагаются вдали от централизованной электросети.

С ориентирами выбора ветрогенератора для обеспечения энергией частного дома ознакомит статья, посвященная этому интересному вопросу.

Разновидности конструкций ветряков

По конструктивным особенностям устройства также можно разделить на ряд категорий, хотя все разновидности сводятся к двум основным типам: вертикальные и горизонтальные.

Классические горизонтальные ветрогенераторы

Подобные установки (их также называют пропеллерными или крыльчатыми) обычно имеют 3-5 лопастей, установленных на горизонтальной оси. Вращаясь с высокой скоростью, такие элементы позволяют получить максимальное количество энергии (КИЭВ до 0.4).

При этом количество выработанной электроэнергии во многом зависит от высоты устройства (чем оно выше, тем больше результат).

Горизонтальный ветрогенератор использует подъемную силу, возникающую при возрастании давления в точке, где прямой воздушный поток проходит сквозь лопасти, отражаясь от этих элементов

Подобные устройства обычно устанавливаются в ветропарках, где вырабатывается энергия для промышленного и коммерческого использования, однако они подходят и для бытового применения.

Интересным решением горизонтального ветряка является модель с одной лопастью, с ее особенностями ознакомит следующая подборка фото:

Вертикальные ветровые турбины

Действующим элементом подобных установок является вращающееся ветроколесо. Из-за конструктивных особенностей подобные конструкции различаются по типам («Бочка», «Савониус»).

С принципом устройства турбины вертикального генератора Савониуса ознакомит следующая фото-подборка:

Несмотря на низкий показатель КИЭВ (0.1-0.2), они находят достаточно широкое применение: вертикальные установки действуют на турбулентных потоках воздуха, благодаря чему их можно размещать даже в районах, где редко дуют сильные ветра.

Работа вертикальных ветрогенераторов не зависит от направления ветров. Они просты в монтаже и эксплуатации, к тому же такие устройства можно ставить близко к земле

Для повышения результативности вертикальных ветряков производители часто повышают их размерные параметры, что приводит к значительному увеличению стоимости. Поскольку подобные установки достаточно хрупки, им требуется повышенная защита от ураганов и других природных явлений.

Ветрогенераторы «Ротор Дарье»

Такие устройства относятся к категории вертикальных ветряных турбин, однако имеют выраженные отличия в конструкции. Благодаря подобным особенностям, достигается понижение шума, а также вырастает КИЭВ, который приближается к показателям горизонтальных моделей.

Предложенная в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье турбина низкого давления с осью вращения, перпендикулярной воздушной среде, нашла широкое применение в ветроэнергетике

Недостатком подобных конструкций является низкий стартовый момент (из-за наличия всего двух лопастей устройству сложно стартовать самостоятельно). Для решения проблемы часто применяется гибрид «Савониус+Дарье».

Парусные ветровые установки

Для подобных установок может применяться принцип устройства как вертикального, так и горизонтального ветряков. Основной конструктивной особенностью является ветроколесо, покрытое множеством лопастей или парусов, при этом аэродинамический профиль у таких моделей отсутствует.

Существует множество моделей парусных ветряных генераторов, которые различаются по количеству лопастей, весу, мощности. Все эти параметры следует учитывать при выборе устройства

Несмотря на то, что парусные установки отличаются тихоходностью и небольшой эффективностью, их часто применяют в народном хозяйстве. Подобные конструкции легки в монтаже и эксплуатации, а сочетание высокого крутящего момента с низкими оборотами позволяет напрямую приводить в движение различные полезные механизмы, например, насос для выкачивания воды.

С одной из реализованных на практике моделей парусных ветряков ознакомит следующая галерея:

Генератор для ветровой турбины

Для функционирования ветряков необходимы обычные трехфазные генераторы. Конструкция таких устройств аналогична моделям, применяемым на автомобилях, но имеет большие параметры.

В приборах для ветряных турбин предусмотрена трехфазная обмотка статора (соединение по типу «звезда»), откуда выходят три провода, идущие на контроллер, где происходит трансформация переменного напряжения в постоянное.

Ротор генератора для ветротурбины изготовляется на неодимовых магнитах: в подобных конструкциях нецелесообразно использовать электровозбуждение, поскольку катушка потребляет много энергии

Для повышения оборотов нередко применяется мультипликатор. Такое приспособление позволяет увеличить мощность действующего генератора или использовать устройство меньшего размера, что снижает стоимость установки.

Мультипликаторы чаще применяются в вертикальных ветрогенераторах, у которых процесс вращения ветроколеса осуществляется медленнее. Для горизонтальных устройств с высокой скоростью вращения лопастей мультипликаторы не требуются, что упрощает и удешевляет конструкцию.

Специфика сборки и монтажа ветрогенератора из стиральной машинки и ветроустановки из автомобильного генератора подробно изложена в рекомендуемых нами статьях.

Плюсы и минусы ветрогенератора

Рассмотрим подробно достоинства и недостатки ветротурбин, так как именно от них зависит решение приобрести ветряк или отказаться от него.

Достоинства ветряных устройств

К числу преимуществ устройств, использующих ветровую энергию, относятся:

• Экологичность. Установки используют возобновляемый источник энергии, которым можно пользоваться постоянно, не нанося ущерба окружающей среде. Электричество, вырабатываемое ветрогенераторами заменяет энергию тепловых электростанций, уменьшая выброс парниковых газов.
• Универсальность. Ветровые электростанции можно строить практически всюду: на равнинах, в горах, на полях, на островах и даже на мелководье. Ветровая энергия особенно ценится в удаленных местах, куда сложно протянуть привычные электрические коммуникации. Ветрогенераторы в этом случае позволяют наладить энергоснабжение объектов, обеспечивая ему независимость от случайных факторов (например, от не доставленного вовремя топлива).
• Эффективность использования. Современные модели перерабатывают энергию даже слабых ветров – минимальный предел составляет 3,5 м/с. Подобным образом можно производить допоставку электроэнергии в централизованную сеть, а также организовать электроснабжение отдельных объектов (островных либо локальных) вне зависимости от их мощности.
• Достойная альтернатива традиционным источникам. Стационарные ветровые электростанции могут полностью обеспечить электричеством жилой дом или даже некрупный производственный объект. В этом случае турбина будет накапливать в аккумуляторах требуемый запас электроэнергии, предназначенный для использования во время безветренных периодов.
• Экономичность. По сравнению с традиционными источниками электрической энергии (газ, торф, каменный уголь, нефть), велотурбины позволяют значительно снизить энергозатраты. Во многих случаях постройка ветроэлектростанции обходится дешевле, нежели подключение к существующим энергосистемам.

Применение ветряков может выступать альтернативой использованию дорогостоящих дизельных генераторов, дополнительно снижая затраты на транспортировку и хранение горючего до 80%.

Усредненная мощность ветротурбины в разы отличается от показателя пиковой нагрузки. Ветрогенератор отвечает лишь за величину выработки энергии за определенный промежуток времени при среднемесячной скорости ветра, характерной для данной местности.

Для более точной оценки ветровых ресурсов можно воспользоваться специально выведенными данными (параметрами Вейбулла). Эти показатели отражают характерное для конкретной местности распределение ветров разной силы. Подобные сведения важно учитывать при разработке проектов ветропарков, мощность которых составляет десятки МВт.

Вырабатываемая ветротурбиной мощность пропорциональна утроенной скорости ветра. Следовательно, этот показатель очень мал при слабых ветровых потоках, однако при их усилении —  резко возрастает. Из-за переменчивости направления ветров и их скорости при конструкции ветровой турбины необходимо предусмотреть стабилизирующие компоненты.

Правила и формулы для расчета мощности ветрогенератора приведены здесь, рекомендуем ознакомиться с весьма полезной информацией.

В небольших автономных системах их функцию выполняют батареи, заряд которых начинает увеличиваться, как только мощность ветрогенератора превысит показатель нагрузки.

При росте нагрузки батарея может разрядиться. Такую особенность работы важно учитывать при выборе бытового агрегата, его мощность должна совпадать с месячной или годовой нормой потребления электроэнергии

Следует отметить, что эффективному применению ветровых потоков способствует разнообразие конструкций ветрогенераторов.

Горизонтальные турбины дают высокие показатели на равнинных местах, где много ветров, тогда как вертикальные турбины лучше работают в регионах с турбулентными потоками, наблюдающимися низко от земли (в верхней части холмов, горных хребтах).

Главные недостатки ветряков

В тоже время, у ветряков есть и свои негативные стороны:

• Величину силы ветра сложно предсказать заранее, так как она часто меняется. Из-за этого желательно  продумать подстраховку, предусмотрев дублирующий источник энергии (солярные панели, подключение к электросети).
• Вертикальные устройства подвергаются опасности разрушения лопастей винта из-за воздействия центробежных сил при вращении лопастей вокруг главной оси. Вследствие подобного эффекта важные элементы конструкции со временем деформируются и разрушаются, а механизм выходит из строя.
• Ветряки лучше устанавливать на свободном пространстве, поскольку расположенные рядом здания могут «гасить» ветер, образуя «мертвую» воздушную зону.
• Для сохранения избыточной энергии ветротурбин необходимо предусмотреть в конструкции использование аккумуляторов и других дополнительных приборов, служащих для преобразования полученного электричества в ток с подходящими потребительскими характеристиками.
• При работе ветряные генераторы издают шум, который может причинять дискомфорт людям, отпугивать животных. Лопасти установок могут также стать причиной гибели подлетевших к ним птиц.
• По мнению некоторых специалистов, ветротурбины способны ухудшать прием радио- и телевизионных передач.

К негативным моментам можно также отнести довольно высокую стоимость подобных агрегатов, однако дешевизна источника энергии во многом нивелирует этот фактор.

Схемы и способы подключения

Хотя ветроустановка может работать и автономно, значительно лучшего результата удается достичь при помощи комбинированных схем, предусматривающих сочетание ветрового устройства с солнечными батареями, централизованной электросетью, дизельными или газовыми источниками энергии.

Автономная работа. В этом случае ставится единичная установка, при помощи которой улавливается и накапливается ветровая энергия, которая затем преобразуется в необходимый потребителям электрический ток.

На схеме продемонстрирован наиболее простой способ применения ветрогенератора, который целесообразно использовать в регионах, где постоянно дуют сильные ветра

Совмещение ветрогенератора с солнечными панелями. Комбинированный вариант считается надежным и эффективным способом электроснабжения. В случае отсутствия ветра аккумулятор работает от солнечных панелей, а в пасмурную погоду и в течение ночи зарядка происходит от ветровой установки.

Идеальный вариант для частного дома или хозяйства, расположенного вдали централизованной электросети. Такая комбинированная схема позволяет использовать два вида возобновляемой энергии

Комбинированная работа ветрогенератора и электросети. Ветротурбину можно совмещать с элетрокоммуникациями.

Подобная схема типична для промышленных и коммерческих устройств. Подключение к электрокоммуникациям предусматривают также некоторые модели бытовых ветрогенераторов

При избытке произведенного электричества оно поступает в централизованную сеть, а при его недостатке имеется возможность воспользоваться электрическим током из общей энергосистемы.

Нюансы применения ветрогенераторов

В настоящее время ветряные турбины используются в различных сферах народного хозяйства. Промышленные модели разной мощности применяются нефтегазовыми, телекоммуникационными компаниями, буровыми и геолого-разведочными станциями, производственными объектами и государственными учреждениями.

Ветряк может использоваться в качестве дополнительного источника энергии в больницах и других учреждениях, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии в аварийных ситуациях

Особо следует отметить важность применения ветряных установок для оперативного восстановления нарушенного электричества при катаклизмах и стихийных бедствиях. С этой целью ветрогенераторы часто применяются подразделениями МЧС.

Бытовые ветротурбины прекрасно подходят для организации освещения и отопления коттеджных поселков и частных домов, а также для хозяйственных целей на фермах.

При этом следует учесть некоторые моменты:

• Устройства до 1 кВт могут дать достаточное количество электроэнергии лишь в ветряных местах. Обычно выработанной ими энергии хватает лишь на светодиодное освещение и питание мелких электронных приборов.
• Чтобы полностью обеспечить электричеством дачу (загородный домик) понадобится ветряной генератор мощностью свыше 1 кВт. Такого показателя достаточно для питания осветительных приборов, а также компьютера и телевизора, однако его мощности недостаточно, чтобы снабдить электричеством круглосуточно работающий современный холодильник.
• Для обеспечения энергией коттеджа понадобится ветряк мощностью 3-5 кВт, однако даже такого показателя не хватит для отопления домов. Чтобы воспользоваться подобной функцией необходим мощный вариант, начиная от 10 кВт.

При выборе модели следует учесть, что показатель мощности, указанный на устройстве, достигается лишь при максимальной скорости ветра. Так, установка в 300В будет вырабатывать указанное количество энергии лишь при скорости потоков воздуха в 10-12 м/с.

Желающим соорудить ветрогенератор собственными руками мы предлагаем следующую статью, в которой детально изложена полезная информация.

Выводы и полезное видео по теме

На представленном ниже видеоролике дается подробная информация о принципе работы и устройстве бытовой модели ветряного генератора:

Ветрогенератор – отличный источник производства электрической энергии, который особенно оценят жители отдаленных мест. Различные российские и зарубежные предприятия предлагают большой ассортимент ветряных конструкций, кроме того, бытовые модели можно сделать и своими руками.

Пишите, пожалуйста, комментарии в находящемся ниже блоке. Расскажите о том, как сооружали ветряной генератор на вашем участке, или о том, как работает ветряк у ваших соседей. Задавайте вопросы, делитесь полезной информацией и фото по теме.