Ветрогенераторы. Виды и устройство. Работа и применение

Современные ветрогенераторы относятся к одной из разновидностей источников альтернативной энергии и уступают по своей эффективности только солнечным концентраторам. Чтобы получить электроэнергию с помощью этих устройств – потребуется целый ряд преобразований, реализуемых посредством специальных генераторных установок. Для рядового пользователя важно определиться с тем, можно ли с их помощью обеспечить электропитанием, например, загородный частный дом.

Многие годы ветряные установки применялись только в промышленных масштабах, что объяснялось их крупными размерами и сравнительно высокой стоимостью. С появлением компактного генераторного оборудования, а также с развитием новых технологий КПД ветряных агрегатов удалось повысить с одновременным уменьшением габаритов установок. После улучшения технических и эксплуатационных показателей ветрогенераторы стали доступны для владельцев частных домов, использующих их в хозяйственных целях.

Такие генераторы целесообразно устанавливать в местностях, где наблюдается стабильная «роза ветров» с преимущественными направлениями воздушных потоков.

Кроме того, они востребованы на объектах, испытывающих затруднения с централизованным энергоснабжением. Производительность бытовых моделей достаточна для того, чтобы полностью обеспечить частный жилой дом электроэнергией. При этом установка всего лишь одного ветрового агрегата позволяет существенно снизить расходы на коммунальные нужды (в части энергоснабжения).

Принцип работы

Ветрогенераторы представляют собой современные устройства, в которых реализуется принцип преобразования механической энергии вращения в электрический ток. В качестве привода, формирующего импульс движения, используются ветряные лопасти с валом, который механически связан с ротором генераторного устройства.

При воздействии направленного потока ветра на лопасти такого агрегата вал начинает вращаться, передавая импульс движения ротору электрогенератора. В катушках последнего за счет вращающегося электромагнитного поля наводится переменная ЭДС, используемая в качестве питающего напряжения. Мощности, развиваемой такой генераторной установкой, достаточно для того, чтобы обеспечить электроэнергией небольшое частное хозяйство.

Устройство ветряного генератора

При рассмотрении принципа работы использовался общий подход к описанию его функционирования, без указания всех задействованных элементов.

В общем случае, помимо приводного механизма и генерирующего устройства, ветрогенераторы содержат в своем составе следующие узлы и модули:

• Регулятор скорости вращения лопастей, необходимый для предотвращения их поломки при сильном ветре.
• Электронное выпрямительное устройство, преобразующее переменный ток в постоянное напряжение, удобное для аккумулирования энергии.
• Батарейный узел, необходимый для хранения выработанной энергии и использования ее в периоды безветрия.

Помимо этого, в сложные системы преобразования входит электронная система контроля работы узлов, исключающая аварийные ситуации.

Известные разновидности ветрогенераторов

КПД и производительность зависит от их конструктивных особенностей. Различные варианты исполнения отличаются размерами и формой лопастей, а также способом их ориентации в пространстве. Согласно этому, все существующие ветрогенераторы подразделяются на следующие виды:

• С горизонтальным расположением оси вращения.
• Вертикальные конструкции.
• Со спиральными турбинами.

Ветряки с горизонтальным расположением оси представлены несколькими известными видами с роторным колесом (двух, трех или четырех- лопастными образцами). КПД таких малогабаритных устройств редко превышает 20%. Эффективность работы напрямую зависит от варианта исполнения роторного привода. Последнее может быть тихоходным, предназначенным для эксплуатации при малых скоростях с низким КПД и обычным, работающим при ветре не менее 5-7 м в секунду.

Агрегаты вертикальных конструкций оснащаются «генератором Савониуса» со специальным карусельным колесом. Ось вращения в этих устройствах располагается вертикально, что избавляет от необходимости регулирования угла атаки лопастей, как это делается у типовых горизонтальных моделей.

Кроме того, вертикальные конструкции более компактны и удобны в обслуживании. Несмотря на это, они не пользуются большим спросом у потребителя из-за низкого КПД (этот показатель у них редко превышает 20%). Разработчики ветряных генераторов постоянно работают над улучшением дизайна и усовершенствованием конструкции этих агрегатов применительно к различным целям.

В качестве примера можно привести компактные ветрогенераторы типа «Медуза», которые при общей высоте не более 40 см способны генерировать до 40 кВт в месяц. Эта модель считается самой привлекательной для потребителя, если рассматривать ее с точки зрения соотношения габаритов и мощности.

К типичным представителям ветрогенераторов со спиральными турбинами относятся конструкции под названием «Тихая революция» и «Flower Plants». Они обеспечены надежной защитой от случайного попадания птиц в приводной механизм, а показатель шумности у них вдвое ниже, чем у моделей других типов. Еще одна модель со спиральной турбиной под названием «Liam F1» имеет диаметр в поперечнике порядка 1,5 метра и может обеспечить энергией небольшое строение. Показатель шумности у такого агрегата не превышает 45 Дб.

Ветрогенераторы для частного дома

При рассмотрении различных исполнений генераторов уже упоминалось большинство компонентов и узлов, входящих в состав ветряного агрегата. Полностью укомплектованные устройства должны содержать в своем составе следующие элементы и механизмы:

• Лопасти (основные и резервные).
• Турбину с генератором, преобразующим механическое вращение в электрический ток.
• Систему торможения и выпрямитель.
• Аккумулятор, используемый для накопления выработанной и неизрасходованной энергии и контроллер к нему.
• Электронный модуль преобразования постоянного тока в переменный (инвертор).

Система торможения позволяет стабилизировать преобразовательный процесс при резком изменении скорости ветра. Выпрямитель необходим для получения постоянного напряжения из переменного тока (с его помощью удается накапливать энергию в аккумуляторных батареях). К бытовому генератору обычно подключается один или два аккумулятора, которых достаточно для непродолжительного электропитания небольшого домика во время отсутствия ветра.

Контроллер заряда обеспечивает корректную работу накопительного модуля. С его помощью удается направлять полученную энергию в аккумулятор, а также отключать его в нужный момент (например, по окончании зарядки). К тому же контроллер позволяет не допустить полного разряда батарей при возросшем потреблении тока в нагрузке.

Инвертор необходим для обратного преобразования – получения переменного напряжения из постоянного. Без него невозможно полноценное питание бытовых приборов в частном жилье, рассчитанных на 220 В 50 герц. Рабочая мощность всего генераторного комплекса зависит от характеристик инвертора, поскольку он является последним звеном в цепочке электрических преобразований.

Самостоятельный выбор

Перед выбором подходящего верогенератора, удовлетворяющего нуждам небольшого домашнего хозяйства, придется проделать следующие подготовительные операции:

• Рассчитать энергопотребление дома в целом, просуммировав мощности всех установленных в нем приборов и агрегатов (включая сам «ветряк»).
• Узнать в характеристиках приобретаемого ветрогенератора мощность, развиваемую его турбиной.
• По результатам сравнения этих двух параметров определиться с нужным количеством однотипных «ветряков».

Реальная или фактическая мощность, которую способны развить ветрогенераторы, может заметно отличаться от ее номинального значения. Этот показатель в значительной мере зависит от скорости и направления ветров в каждой конкретной местности.

Мощность типового «ветряка», используемого для бытовых нужд, обычно не превышает 500 Вт. По этой причине для энергообеспечения частного дома может потребоваться установить несколько ветрогенераторов.

Преимущества и недостатки

К числу основных преимуществ применения ветрогенераторов в народнохозяйственных сферах и в быту относят:

• Абсолютная экологичность процесса выработки энергии.
• Автономность (независимость от централизованных источников питания).
• Возможность самостоятельного обустройства ветряной станции.
• Простота обслуживания.

При этом нельзя забывать и о недостатках ветряных установок, проявляющихся в сложности схемы преобразования и в сравнительно низком КПД. Также важно помнить о том, что применять ветрогенераторы имеет смысл только в местностях с подходящей ветровой обстановкой.

Похожие темы:

• Приливная электростанция. Виды и устройство. Работа и особенности
• Солнечные электростанции для дома. Виды и устройство. Как выбрать
• Автомобильный генератор. Виды и устройство. Работа и особенности
• Динамо-машина (Велогенератор). Виды и особенности. Работа
• Генераторы электроэнергии (альтернаторы). Виды и устройство
• Микросети. Виды и применение. Плюсы и минусы. Особенности
• Водород и энергия. Свойства и применение. Особенности

Виды ветрогенераторов

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.

По количеству лопастей

• Двухлопастные и трёхлопастные ветрогенераторы




• Многолопастные ветрогенераторы

Многолопастные ветряки действительно начинают вращаться на меньших скоростях, чем двух- и трёхлопастные, но для выработки электроэнергии требуется важен не сам факт фращения, а выход на нужные обороты. Каждая дополнительная лопасть увеличивает общее сопротивление ветроколеса, а это усложняет выход на рабочие обороты генератора, увеличивая необходимую рабочую скорость ветра. Таким образом многолопастные действительно будут начинать вращаться при меньших скоростях, но они больше применимы, где важен сам факт вращения, то есть для перекачки воды или других подобных действий. При применении же для выработки электроэнергии многолопастных ветряков, они создают лишь видимость работы. Установление же редукторов не рекомендуется, так как, во-первых, усложняет конструкцию ветрогенератора, делает его менее надёжным, и, во-вторых, редуктор будет забирать мощность.

По материалам лопастей

• Жёсткие лопасти ветрогенератора
  




• Парусные ветрогенераторы

Парусные лопасти действительно стоят значительно меньше жёстких стеклопластиковых и металических, проще в изготовлени. Но это дешивизна может обернуться большими расходами. При диаметре ветроколеса в 3 метра на рабочих оборотах генератора (400-600 оборотов в минуту) конец лопасти движется со скоростями в 500 км/ч. Даже в идеальных условиях это серъёзное испытание, а если учеть что в востухе постоянно есть пыль и песок, то даже для жёстких лопастей требуются ежегодное обслуживание (замена антикорозийной плёнки на концах лопастей). Без обслуживания жёсткая лопасть продолжит работать, чуть потеряв в своих характеристиках. Для парусной же лопасти может потребоваться полная замена не через год, а уже после первых сильных ветров. Поэтому для автономного электроснабжения, где требуется значительная наджность компонентов системы, применение парусных лопастей не рекомендуется.

По рабочей оси вращения

• Горизонтальные ветрогенераторы




• Вертикальные ветрогенераторы

Вертикальные ветрогенераторы действительно учитывают порывы, не требует ориентирования по ветру, но любой вертикальный ветрогенратор обладает рабочей площадью поверхности в два раза меньшей, чем у классического горизонтального ветрогенератора с такой же площадью ветроколеса. Это значит, чтобы получить такую же мощность потребуется ветряк в два раза больший. Кроме того большое количество лопаток, а также часть ветроколеса в каждый момент времени часть ветроколеса движется против ветра. Это значительно увеличивает сопротивление ветроколеса, что увеличивает рабочую скорость ветра.

С учётом что для ориентирования горизонтального ветрогенератора достачно флюгера, то вертикальный ветрогенератор для автономного электроснабжения теряет все преимущества.

По шагу винта

• Фиксированый шаг винта




• Изменяемый шаг винта

Изменяемый шаг винта безусловно позволяет увеличить диапазон эффективных скоростей работы. Но внедрение этого механзма неизбежно ведёт к усложнению конструкции лопасти, уменьшению общей надёжности ветрогенратора, утяжелению ветроколеса, а значит будут требоваться дополнительные усиления конструкции. Всё это приводит к удоражанию всей системы, как при покупке, так и при эксплуатации. Поэтому мы выбираем фиксированный шаг лопастей.

Типы ветряных турбин — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Существует два разных типа ветряных турбин . Эти турбины часто используются для микрогенерации, а это означает, что их можно установить в доме для выработки электроэнергии. Оба этих типа ветряных турбин имеют свои преимущества и недостатки.

Ветряные турбины с горизонтальной осью

Рис. 1. Горизонтальная ветряная турбина мощностью 1 кВт для выработки электроэнергии. ^[1]

Рис. 2. Турбина с вертикальной осью мощностью 6,5 кВт, используемая для выработки электроэнергии. ^[2]

Ветряные турбины с горизонтальной осью являются наиболее часто используемыми турбинами из-за их прочности и эффективности. Основание башен должно быть чрезвычайно прочным, чтобы вал ротора мог быть установлен наверху башни, что позволяет турбине подвергаться воздействию более сильных ветров. Поскольку лопасти турбины расположены перпендикулярно ветру, вращение лопастей может генерировать больше энергии по сравнению с ветряной турбиной с вертикальной осью. Однако конструкция турбины этого типа требует тяжелой опоры для башни, чтобы выдержать вес лопастей, редуктора и генератора, а также использования крупного крана для подъема компонентов на вершину башни.

В ситуации, когда ветер дует вниз, конструкция турбины может испытывать усталость металла, что может привести к разрушению конструкции. Это решается путем проектирования турбин с противопоточной конструкцией. Для ветряных турбин с горизонтальной осью необходим дополнительный контроль рыскания, чтобы отслеживать направление ветра и предотвращать повреждение турбины. ^[3]

Ветряные турбины с вертикальной осью

Ветряные турбины с вертикальной осью меньше подвержены влиянию частых изменений направления ветра по сравнению с ветряными турбинами с горизонтальной осью из-за того, что лопасти вращаются на валу ротора перпендикулярно земле. При такой установке лопастей и вала турбине не нужно вращаться, чтобы отслеживать направление ветра. Вал монтируется близко к уровню земли из-за сложности монтажа вала и его компонентов на башне. Преимущество установки на уровне земли заключается в том, что обслуживание турбины упрощается, и ее можно устанавливать в таких местах, как крыши. Недостатки этой турбинной установки заключаются в том, что эффективность ниже из-за сопротивления воздуха и более низких скоростей ветра по сравнению с более высокими скоростями ветра, встречающимися на больших высотах. ^[3]

Для дальнейшего чтения

• Ветер
• Потоки первичной энергии
• Энергия ветра
• Предел Беца
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

2. ↑ Wikimedia Commons [онлайн], доступно: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/Quietrevolution_Bristol_3513051949.jpg
3. ↑ ^{3.0 3.1} Центурион Энергия. (2013, 26 июня). Типы ветряных турбин [Онлайн]. Доступно: http://centurionenergy.net/types-of-wind-turbines

Факты и статистика ветроэнергетики

Факты

Факты

Сегодня почти 70 000 ветряных турбин по всей стране производят чистую и надежную электроэнергию. Мощность ветроэнергетики составляет почти 140 ГВт, что делает ее четвертым по величине источником электроэнергии в стране. Этой энергии ветра достаточно, чтобы обслуживать эквивалент 43 миллионов американских домов.

Отчеты

Это первое в своем роде исследование подробно описывает потенциал экологически чистой энергии для обеспечения экономического роста и достижения большей части производства электроэнергии из возобновляемых источников в течение следующего десятилетия.

Скачать

Экономический вклад

За последнее десятилетие в ветер было инвестировано 135 миллиардов долларов. Только в 2021 году отрасль инвестировала в новые проекты 12 миллиардов долларов.

Экологические преимущества

Ветер помогает избежать 340 миллионов метрических тонн выбросов CO2 в год, что эквивалентно выбросам 74 миллионов автомобилей.

Основной сектор занятости

В отрасли занято более 120 000 американцев во всех 50 штатах, в том числе около 24 000 рабочих мест в области ветроэнергетики на более чем 500 предприятиях.

Быстрорастущие рабочие места

Техник по ветряным турбинам — вторая по темпам роста профессия в стране, увеличившаяся на 44% за следующее десятилетие.

Работа для ветеранов США

В ветроэнергетике США нанимают американских ветеранов на 50% больше, чем в среднем по стране.

Стабильные налоговые поступления

Ветроэнергетические проекты ежегодно приносят около 1,9 миллиарда долларов государственных и местных налоговых платежей и платежей за аренду земли.

Как работает энергия ветра

Ветер дует

Энергия ветра (или энергия ветра) относится к процессу создания электричества с использованием ветра или воздушных потоков, которые естественным образом возникают в земной атмосфере. Современные ветряные турбины используют кинетическую энергию ветра для выработки электроэнергии. Первый шаг — ветер, дующий на лопасти турбины.

Как работает энергия ветра

Гигантские лопасти вращаются

Лопастной ротор вращает главный вал, соединенный с коробкой передач, которая преобразует низкоскоростную мощность лопастного ротора с высоким крутящим моментом в высокоскоростную мощность с низким крутящим моментом, которая передается генератор. Некоторые турбины с прямым приводом пропускают ступень редуктора и напрямую возбуждают компоненты генератора электроэнергии.

Как работает энергия ветра

Вращающиеся лопасти передают энергию

В ветряных турбинах используются различные конструкции трансмиссии для извлечения энергии. Некоторые из них имеют прямой привод, в котором отсутствует коробка передач, а некоторые имеют среднескоростной редуктор, который, по сути, представляет собой смесь редуктора и прямого привода. Во всех вариантах конструкции генераторы создают электроэнергию за счет мощности вращения лопастного ротора.

Как работает энергия ветра

Кондиционирование, сбор и экспорт

Ветряные турбины производят энергию постоянного тока, которая преобразуется в электроэнергию переменного тока с помощью преобразователей мощности и передается по кабелям, проложенным по всей территории ветряной электростанции. Затем электроэнергия высокого напряжения доставляется в энергосистему коммунального предприятия, которая передает ее в дома, на предприятия и другим конечным пользователям.

Сколько ветра нужно для работы ветряка?

Типичная современная турбина начинает вырабатывать электроэнергию, когда скорость ветра достигает шести-девяти миль в час (миль в час), что называется скоростью включения. Турбины отключаются, если ветер дует слишком сильно (примерно 55 миль в час), чтобы предотвратить повреждение оборудования. В течение года современные турбины могут вырабатывать полезное количество электроэнергии более 90% времени. Например, если ветер на турбине достигает скорости включения от шести до девяти миль в час, турбина начнет вырабатывать электроэнергию. По мере увеличения скорости ветра увеличивается и производство электроэнергии.

Надежна ли энергия ветра?

Энергия ветра лишь незначительно увеличивает общую изменчивость энергосистемы, поскольку большинство изменений в выработке энергии ветра компенсируются противоположными изменениями в спросе на электроэнергию или другими источниками поставки. Крупная электростанция может внезапно отключиться в любое время, что вынуждает операторов держать наготове большое количество быстродействующих и дорогостоящих резервов 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. Изменения ветра, как правило, постепенны и предсказуемы, что делает их гораздо менее затратными для использования менее дорогих, более медленно действующих резервов. Когда ветряные турбины рассредоточены по большой территории, их мощность становится гораздо более постоянной, и их становится еще легче разместить. Кроме того, современные ветряные электростанции могут обеспечивать такие же услуги по обеспечению надежности сети, как и обычные электростанции, а во многих случаях даже лучше, чем обычные электростанции, благодаря использованию своих сложных средств управления и силовой электроники.

Что означает термин «коэффициент мощности»?

Он измеряет количество электроэнергии, производимой ветряной турбиной за определенный период времени (обычно год) по отношению к ее максимальному потенциалу. Например, предположим, что максимальная теоретическая мощность ветровой турбины мощностью 2 мегаватта в год составляет 17 520 мегаватт-часов (дважды 8760 часов, количество часов в году). Тем не менее, турбина может производить только 7 884 мегаватт-часа в течение года, потому что ветер не всегда дул достаточно сильно, чтобы вырабатывать максимальное количество электроэнергии, которое турбина могла производить. В этом случае коэффициент мощности турбины составляет 45% (7 884, деленное на 17 520). Это не означает, что турбина вырабатывала электричество только 45% времени. Современные ветряные электростанции часто имеют коэффициент мощности более 40%, что близко к некоторым типам угольных или газовых электростанций.

Как энергия ветра попадает к вам?

Турбины ветряной электростанции соединены таким образом, чтобы вырабатываемая ими электроэнергия могла передаваться от ветряной электростанции в энергосистему. Как только энергия ветра будет включена в основную энергосистему, электроэнергетические компании или энергетические операторы будут направлять электроэнергию туда, где она нужна людям. Меньшие линии электропередачи, называемые распределительными, собирают электроэнергию, вырабатываемую ветровой электростанцией, и транспортируют ее к более крупным «сетевым» линиям электропередач, по которым электроэнергия может передаваться на большие расстояния в места, где она необходима. Наконец, небольшие распределительные линии доставляют электроэнергию прямо в ваш город, дом или офис.

Какие существуют типы ветряных турбин?

Ветряные турбины бывают разных размеров и конфигураций и производятся рядом как отечественных, так и международных компаний. Вообще говоря, существует три основных типа ветряных турбин: коммунальные, морские ветряные и распределенные или «малые» ветряные. Подавляющее большинство установленных турбин и энергии, вырабатываемой ветряными турбинами, поступает от ветряных турбин коммунального масштаба, а меньшая, но быстрорастущая доля — от морских ветряных турбин. Мощность ветряных турбин коммунального масштаба варьируется от 100 киловатт до нескольких мегаватт. Электроэнергия доставляется в энергосистему и распределяется конечному потребителю электроэнергетическими компаниями или операторами энергосистемы. Оффшорные ветряные турбины также представляют собой ветряные турбины коммунального масштаба, которые устанавливаются в больших водоемах, обычно на континентальном шельфе. Морские ветряные турбины крупнее наземных и могут генерировать больше энергии. Распределенный или «малый» ветер — это одиночные небольшие ветряные турбины мощностью менее 100 киловатт, которые используются для прямого питания дома, фермы или малого бизнеса и не подключены к сети.

Энергия ветра дорогая? Стоимость

Wind снизилась на 47% за последнее десятилетие благодаря усовершенствованным технологиям и производству в США, что делает его конкурентоспособным с другими источниками энергии и самым дешевым новым источником электроэнергии во многих частях страны.

Влияет ли энергия ветра на птиц и других диких животных?

Ветер — это серьезное решение проблемы изменения климата, представляющее наибольшую угрозу для многих видов и мест их обитания. Энергия ветра гораздо менее вредна для дикой природы, чем традиционные источники энергии, которые она вытесняет, в том числе для птиц и их жизненно важных мест обитания. В целом ветер вызывает менее 0,01% всех смертей птиц, связанных с человеком. Другие причины включают здания (550 миллионов), линии электропередач (130 миллионов), автомобили (80 миллионов), отравление пестицидами (67 миллионов), а также радиовышки и вышки сотовой связи (6,8 миллиона).

Есть ли проблемы со здоровьем и безопасностью при использовании энергии ветра?

Опасения по поводу энергии ветра иногда связаны с мерцанием теней или шумом. Однако наука ясно и однозначно говорит о том, что ветровые проекты не вызывают негативных последствий для здоровья. Десятки независимых рецензируемых исследований, проведенных по всему миру, в том числе в США, неизменно не находили доказательств того, что ветряные электростанции вызывают какие-либо негативные последствия для физического здоровья. Мерцание теней предсказуемо, безвредно и быстро проходит. Он основан на угле наклона солнца, местоположении турбины и расстоянии до наблюдателя; этого можно избежать несколькими способами. Что касается шума, как правило, два человека могут вести разговор с нормальным уровнем голоса, даже стоя прямо под турбиной. Миллионы людей во всем мире без проблем живут и работают рядом с ветряными электростанциями, и Национальная лаборатория Лоуренса в Беркли обнаружила 92% людей, живущих в пределах пяти миль от ветряной турбины, сообщают о положительном или нейтральном опыте.