Kinetyczny generator wiatrowy: urządzenie, zasada działania, zastosowanie

Nowoczesny kinetyczny generator wiatrowy pozwala na wykorzystanie mocy prądów powietrznych, przekształcając je w energię elektryczną. W tym celu istnieją fabryczne i domowe modele urządzeń, które są używane zarówno w przemyśle, jak i w prywatnych gospodarstwach.

Porozmawiamy o rozmieszczeniu wiatraków tego typu, zapoznamy Cię z funkcjami urządzenia i opcjami projektowania. Zaproponowany przez nas artykuł pokazuje mocne i słabe strony elektrowni wiatrowej. Niezależni mistrzowie z nami znajdą przydatne schematy i zalecenia dotyczące montażu.

Zasada działania generatora wiatrowego

Działanie generatora wiatrowego polega na przekształceniu energii kinetycznej wiatru w energię mechaniczną wirnika, która jest następnie przekształcana w energię elektryczną.

Zasada działania jest dość prosta: obrót łopat zamontowanych na osi urządzenia prowadzi do okrężnych ruchów generatora wirnika, dzięki czemu wytwarzana jest energia elektryczna.

Energia wiatrowa jest jednym z najbardziej obiecujących sektorów energii odnawialnej. Nowoczesne konstrukcje umożliwiają ekonomiczne wykorzystanie przepływu powietrza, wykorzystując go do wytwarzania energii elektrycznej

Powstały niestabilny prąd przemienny „przepływa” do sterownika, gdzie jest przekształcany na stałe napięcie, które może ładować akumulatory. Stamtąd energia jest dostarczana do falownika, gdzie jest przekształcana na napięcie przemienne ze wskaźnikiem 220/380 V, który jest dostarczany do odbiorców.

Moc generatora wiatrowego zależy bezpośrednio od mocy przepływu powietrza (N), obliczonej według wzoru N = pSV³/ 2, gdzie V jest prędkością wiatru, S jest obszarem roboczym, p jest gęstością powietrza.

Generator wiatrowy

Różne wersje generatorów wiatrowych znacznie się od siebie różnią.

Powyższy schemat pokazuje wewnętrzną strukturę klasycznego poziomego generatora wiatrowego. Takie modele są najczęściej stosowane zarówno w przemyśle, jak iw życiu codziennym.

Urządzenia przemysłowe są złożoną konstrukcją wielometrową, której instalacja wymaga fundamentu, podczas gdy model gospodarstwa domowego może składać się z minimum elementów (silnik prądu stałego 3-12 V, elektrokondensator 1000uF 6 V, krzemowa dioda prostownicza).

Typowa instalacja obejmuje następujące elementy:

• alternator (moc zależy od prędkości przepływów wiatru);
• łopatki przenoszące obrót na wałek generatora (często są dodatkowo wyposażone w skrzynie biegów, stabilizatory prędkości wirnika);
• maszt wiatraka, do którego przymocowane są łopatki (im wyższe są te elementy, tym większa ilość energii wiatru może otrzymać);
• baterie, które akumulują energię, co pozwala na użycie jej przy niewielkim przepływie wiatru lub jego całkowitym braku. Akumulator pełni również funkcję stabilizowania energii elektrycznej otrzymywanej z generatora;
• kontroler - konwerter napięcia przemiennego otrzymywanego z generatora na prąd stały, który służy do ładowania akumulatora. Kontrolerem steruje się obracając ostrza, co pozwala zastanowić się, gdzie przepływa powietrze;
• ABP - automatyczne urządzenie przełączające, które łączy generator wiatrowy z innymi źródłami energii (panele słoneczne, sieć energetyczna);
• czujnik kierunku wiatru - urządzenie, które ułatwia łopatom znalezienie przepływu wiatru;
• falownik przetwarzający prąd stały z akumulatorów na napięcie przemienne, wykorzystywany w komunikacji elektrycznej.

Aby lepiej sprostać potrzebom użytkownika, urządzenie może być wyposażone w różnego rodzaju falowniki:

• urządzenia z falą sinusoidalną zmodyfikowaną falownikiem, wytwarzające sinusoidę kwadratową. Urządzenia tego typu nadają się do elementów grzewczych, żarówek i innych urządzeń niewymagających jakości sieci;
• trójfazowe falowniki napięcia przeznaczone do trójfazowych sieci energetycznych;
• instalacje wykorzystujące czystą falę sinusoidalną, które wytwarzają energię dla bardziej czułej techniki;
• falowniki sieciowe zdolne do działania bez baterii. Takie urządzenia są przeznaczone do obwodów obejmujących wnikanie energii elektrycznej bezpośrednio do wspólnej sieci.

Wybierając modele, zdecydowanie powinieneś zwrócić uwagę na rodzaj falownika.

Rodzaje generatorów wiatrowych

Podczas klasyfikacji turbin wiatrowych należy wymienić takie cechy, jak:

• spotkanie;
• cechy konstrukcyjne;
• liczba ostrzy;
• materiały, z których są wykonane;
• oś obrotu;
• skok śruby.

Rozważ szczegółowo dwie najczęściej stosowane klasyfikacje.

Klasyfikacja generatorów wiatrowych według celu

Istnieją odmiany turbin wiatrowych, które różnią się przeznaczeniem. Od tego zależą główne cechy urządzeń, na przykład moc.

Przemysłowe turbiny wiatrowe

Takie urządzenia są instalowane przez duże firmy energetyczne lub państwo w celu dostarczania energii elektrycznej do obiektów przemysłowych. Turbiny o pojemności kilkudziesięciu megawatów są zwykle zlokalizowane w obszarach wiatrowych (otwarte wzgórza, wybrzeża).

Farmy wiatrowe, w których zainstalowane są dziesiątki turbin wiatrowych, są niszczone nie tylko na ziemi, ale także na płytkiej wodzie. Otrzymana energia elektryczna jest zwykle wykorzystywana do celów przemysłowych.

Generowana energia elektryczna z reguły trafia bezpośrednio do sieci, a dla stabilności i regulacji częstotliwości obrotu łopat turbiny wiatrowej są wyposażone w dodatkowe mechanizmy.

Komercyjne generatory wiatrowe

Takie instalacje są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej na sprzedaż lub do dostarczania energii elektrycznej przemysłom w regionach o sieciach małej mocy (lub przy ich całkowitym braku). Takie farmy wiatrowe składają się z klastra generatorów elektrycznych, które mogą mieć różne moce.

Energia z zakładów komercyjnych może być dostarczana bezpośrednio do komunikacji elektrycznej lub wykorzystywana do ładowania dużej liczby akumulatorów, gdzie jest ona magazynowana i przetwarzana do zasilania systemu elektroenergetycznego.

Domowe urządzenia wiatrowe

Jednostki o niskiej mocy są wykorzystywane do użytku prywatnego. Zgodnie z przepisami wiatraki z masztami o wysokości mniejszej niż 25 metrów mogą być instalowane przez właścicieli terenów bez zgody władz, w przypadku wyższych masztów konieczne jest uzyskanie specjalnego zezwolenia.

Wiatraki małej i średniej mocy mogą służyć jako źródło energii elektrycznej dla domków letniskowych, domków letniskowych, domów na wsi, gospodarstw rolnych

Domowe generatory wiatrowe nadają się do ładowania akumulatorów o napięciu 12/24 / 48V, z których energia jest przekształcana na napięcie 220 woltów. Takie urządzenia mogą całkowicie lub częściowo rozwiązać problem z zasilaniem małych obiektów, które znajdują się z dala od scentralizowanej sieci energetycznej.

Z wytycznymi dotyczącymi wyboru generatora wiatrowego do dostarczania energii do prywatnego domu wprowadzi artykułpoświęcony temu interesującemu pytaniu.

Odmiany konstrukcji wiatraków

Zgodnie z cechami konstrukcyjnymi urządzenia można również podzielić na kilka kategorii, chociaż wszystkie odmiany są ograniczone do dwóch głównych typów: pionowa i poziomy.

Klasyczne poziome generatory wiatrowe

Podobne instalacje (zwane są również śmigłami lub łopatkami) zwykle mają 3-5 łopat zamontowanych na osi poziomej. Obracając się z dużą prędkością, takie elementy pozwalają uzyskać maksymalną ilość energii (KIJ do 0,4).

Ponadto ilość wytwarzanej energii elektrycznej zależy w dużej mierze od wysokości urządzenia (im wyższa, tym większy wynik).

Poziomy generator wiatru wykorzystuje siłę podnoszenia, która występuje, gdy ciśnienie wzrasta w punkcie, w którym bezpośredni przepływ powietrza przechodzi przez łopatki, odbite od tych elementów

Takie urządzenia są zwykle instalowane w farmach wiatrowych, w których energia jest wytwarzana do celów przemysłowych i komercyjnych, ale nadają się również do użytku domowego.

Ciekawym rozwiązaniem poziomego wiatraka jest model z jednym ostrzem, jego funkcje zostaną wprowadzone przez następujący wybór zdjęć:

Pionowe turbiny wiatrowe

Aktywnym elementem takich instalacji jest obracające się koło wiatrowe. Ze względu na cechy konstrukcyjne takie projekty różnią się rodzajem („Beczka”, „Savonius”).

Poniższy wybór zdjęć zapozna Cię z zasadą budowy turbiny dla pionowego generatora Savonius:

Pomimo niskiego wskaźnika KIEV (0,1-0,2), są one szeroko stosowane: jednostki pionowe działają na burzliwych przepływach powietrza, dzięki czemu można je umieścić nawet w obszarach, w których rzadko wieją silne wiatry.

Działanie pionowych generatorów wiatrowych nie zależy od kierunku wiatru. Są łatwe w instalacji i obsłudze, a ponadto takie urządzenia można umieścić blisko ziemi

Aby zwiększyć wydajność wiatraków pionowych, producenci często podnoszą parametry wielkości, co prowadzi do znacznego wzrostu kosztów. Ponieważ takie instalacje są wystarczająco delikatne, wymagają zwiększonej ochrony przed huraganami i innymi zjawiskami naturalnymi.

Generatory wiatrowe „Rotor Daria”

Takie urządzenia należą do kategorii pionowych turbin wiatrowych, jednak mają wyraźne różnice w konstrukcji. Dzięki tym funkcjom osiągnięto redukcję szumów, a KIEV rośnie, co zbliża się do wydajności modeli poziomych.

Turbina niskociśnieniowa z osią obrotu prostopadłą do środowiska powietrznego, zaproponowana w 1931 r. Przez francuskiego projektanta samolotów Georgesa Dariera, była szeroko stosowana w energetyce wiatrowej

Wadą takich konstrukcji jest niski moment rozruchowy (ze względu na obecność tylko dwóch łopatek trudno jest uruchomić urządzenie samodzielnie). Aby rozwiązać problem, często stosuje się hybrydę Savonius + Darier.

Instalacje wiatrowe

W przypadku takich instalacji można zastosować zasadę zarówno wiatraków pionowych, jak i poziomych. Główną cechą konstrukcyjną jest koło wiatrowe pokryte wieloma łopatami lub żaglami, a profil aerodynamiczny takich modeli jest nieobecny.

Istnieje wiele modeli żaglowych generatorów wiatrowych, które różnią się liczbą łopat, ciężarem i mocą. Wszystkie te parametry należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia.

Pomimo tego, że instalacje żeglarskie charakteryzują się niską prędkością i niską wydajnością, są często wykorzystywane w gospodarce narodowej. Takie konstrukcje są łatwe do zainstalowania i obsługi, a połączenie wysokiego momentu obrotowego z niskimi prędkościami pozwala bezpośrednio uruchomić różne przydatne mechanizmy, na przykład pompę do pompowania wody.

Poniższa galeria zapozna Cię z jednym z praktycznych modeli wiatraków żaglowych:

Generator turbin wiatrowych

Do działania wiatraków potrzebne są konwencjonalne generatory trójfazowe. Konstrukcja takich urządzeń jest podobna do modeli używanych w samochodach, ale ma duże parametry.

W urządzeniach do turbin wiatrowych zapewniono trójfazowe uzwojenie stojana (połączenie w gwiazdę), skąd trzy przewody idą do sterownika, gdzie napięcie przemienne jest przekształcane w napięcie stałe.

Wirnik generatora turbiny wiatrowej wykonany jest na magnesach neodymowych: niewłaściwe jest stosowanie wzbudzenia elektrycznego w takich konstrukcjach, ponieważ cewka zużywa dużo energii

Aby zwiększyć prędkość, często stosuje się mnożnik. To urządzenie pozwala zwiększyć moc istniejącego generatora lub użyć mniejszego urządzenia, co obniża koszty instalacji.

Mnożniki są częściej stosowane w pionowych generatorach wiatru, w których proces obrotu koła wiatrowego jest wolniejszy. W przypadku urządzeń poziomych o dużej prędkości obrotu łopat multiplikatory nie są wymagane, co upraszcza i zmniejsza koszty budowy.

Specyfika montażu i instalacji generatora wiatrowego z pralki i turbiny wiatrowe z generatora samochodowego wyszczególnione w naszych rekomendowanych artykułach.

Plusy i minusy generatora wiatrowego

Rozważmy szczegółowo zalety i wady turbin wiatrowych, ponieważ decyzja o zakupie wiatraka lub rezygnacji z niego zależy od nich.

Zalety urządzeń wiatrowych

Zalety urządzeń wykorzystujących energię wiatru obejmują:

• Przyjazność dla środowiska. Rośliny wykorzystują odnawialne źródło energii, z którego można stale korzystać bez szkody dla środowiska. Energia elektryczna wytwarzana przez generatory wiatrowe zastępuje energię elektrowni cieplnych, zmniejszając emisję gazów cieplarnianych.
• Wszechstronność. Farmy wiatrowe można budować niemal wszędzie: na równinach, w górach, na polach, na wyspach, a nawet w płytkiej wodzie. Energia wiatru jest szczególnie ceniona w odległych miejscach, gdzie trudno jest rozszerzyć zwykłą komunikację elektryczną. W tym przypadku generatory wiatrowe umożliwiają ustanowienie zasilania urządzeń, zapewniając niezależność od czynników losowych (na przykład od paliwa niedostarczonego na czas).
• Użyj wydajności. Nowoczesne modele przetwarzają energię nawet lekkich wiatrów - minimalny limit wynosi 3,5 m / s. W ten sposób możliwe jest dostarczanie energii elektrycznej do scentralizowanej sieci, a także organizowanie zasilania poszczególnych obiektów (wyspowych lub lokalnych), niezależnie od ich pojemności.
• Godna alternatywa dla tradycyjnych źródeł. Stacjonarne farmy wiatrowe mogą w pełni dostarczać energię elektryczną do budynku mieszkalnego, a nawet małego zakładu produkcyjnego. W takim przypadku turbina zgromadzi w akumulatorach wymaganą dostawę energii elektrycznej, przeznaczoną do wykorzystania w okresach bezwietrznych.
• Rentowność W porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii elektrycznej (gaz, torf, węgiel, ropa naftowa) turbiny rowerowe mogą znacznie obniżyć koszty energii. W wielu przypadkach budowa farmy wiatrowej jest tańsza niż podłączenie do istniejących systemów elektroenergetycznych.

Zastosowanie turbin wiatrowych może być alternatywą dla stosowania drogich generatorów diesla, co dodatkowo obniża koszty transportu i magazynowania paliwa nawet o 80%.

Średnia moc turbiny wiatrowej znacznie różni się od wskaźnika obciążenia szczytowego. Generator wiatrowy odpowiada tylko za ilość energii wytworzonej przez określony czas przy średniej miesięcznej prędkości wiatru charakterystycznej dla danego obszaru.

W celu dokładniejszej oceny zasobów wiatrowych można użyć specjalnie wyprowadzonych danych (parametry Weibulla). Wskaźniki te odzwierciedlają rozkład wiatrów o różnej sile charakterystycznych dla danego obszaru. Informacje te należy wziąć pod uwagę przy opracowywaniu projektów farm wiatrowych o mocy kilkudziesięciu MW.

Moc wytwarzana przez turbinę wiatrową jest proporcjonalna do potrójnej prędkości wiatru. Dlatego wskaźnik ten jest bardzo mały przy słabych prądach wiatru, jednak gdy zostaną wzmocnione, gwałtownie wzrasta. Ze względu na zmienność kierunku wiatrów i ich prędkość podczas budowy turbiny wiatrowej konieczne jest zapewnienie elementów stabilizujących.

Reguły i wzory do obliczania mocy generatora wiatrowego podane tutajZalecamy przeczytanie bardzo przydatnych informacji.

W małych autonomicznych systemach ich funkcję pełnią akumulatory, których ładunek zaczyna rosnąć, gdy tylko moc generatora wiatrowego przekroczy wskaźnik obciążenia.

Wraz ze wzrostem obciążenia akumulator może się wyczerpać. Tę cechę pracy należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia gospodarstwa domowego, jego pojemność musi pokrywać się z miesięczną lub roczną stawką zużycia energii elektrycznej

Należy zauważyć, że efektywne wykorzystanie przepływów wiatru przyczynia się do różnorodności konstrukcji generatorów wiatrowych.

Turbiny poziome zapewniają wysoką wydajność w płaskich miejscach, gdzie występuje wiele wiatrów, podczas gdy turbiny pionowe działają lepiej w regionach o turbulentnych przepływach obserwowanych nisko z ziemi (w górnej części wzgórz, pasm górskich).

Główne wady wiatraków

Jednocześnie wiatraki mają swoje negatywne aspekty:

• Wielkość siły wiatru jest trudna do przewidzenia z góry, ponieważ często się zmienia. Z tego powodu wskazane jest przemyślenie siatki bezpieczeństwa, zapewniającej zapasowe źródło energii (panele słoneczne, połączenie elektryczne).
• Urządzenia pionowe są narażone na zniszczenie łopat wirnika z powodu działania sił odśrodkowych, gdy łopaty obracają się wokół głównej osi. Z powodu tego efektu ważne elementy konstrukcyjne z czasem odkształcają się i niszczą, a mechanizm ulega awarii.
• Wiatraki najlepiej instalować w wolnej przestrzeni, ponieważ pobliskie budynki mogą „tłumić” wiatr, tworząc strefę „martwego” powietrza.
• Aby zaoszczędzić nadwyżkę energii turbin wiatrowych, należy przewidzieć wykorzystanie w projekcie akumulatorów i innych dodatkowych urządzeń, które służą do przekształcania generowanej energii elektrycznej na prąd o odpowiednich charakterystykach odbiorczych.
• Podczas pracy generatory wiatrowe emitują hałas, który może powodować dyskomfort u ludzi, odstraszyć zwierzęta. Ostrza instalacji mogą również powodować śmierć ptaków lecących do nich.
• Według niektórych ekspertów turbiny wiatrowe mogą pogorszyć odbiór programów radiowych i telewizyjnych.

Negatywne aspekty mogą również obejmować dość wysoki koszt takich jednostek, jednak taniość źródła energii w dużym stopniu eliminuje ten czynnik.

Schematy i metody połączeń

Chociaż turbina wiatrowa może działać autonomicznie, o wiele lepszy wynik można osiągnąć za pomocą połączonych schematów, które przewidują połączenie urządzenia wiatrowego z panelami słonecznymi, scentralizowaną siecią elektryczną, źródłami energii elektrycznej lub oleju napędowego.

Praca offline. W takim przypadku ustawiana jest pojedyncza instalacja, za pomocą której energia wiatru jest wychwytywana i gromadzona, a następnie przekształcana w prąd elektryczny, którego potrzebują odbiorcy.

Schemat pokazuje najprostszy sposób użycia generatora wiatrowego, który zaleca się stosować w regionach, w których silny wiatr wieje.

Łączenie generatora wiatrowego z panelami słonecznymi. Połączona opcja jest uważana za niezawodny i wydajny sposób zasilania. W przypadku braku wiatru bateria działa panele słoneczne, a przy pochmurnej pogodzie iw nocy ładowanie pochodzi z instalacji wiatrowej.

Idealny do prywatnego domu lub gospodarstwa domowego, z dala od scentralizowanej sieci energetycznej. Ten połączony schemat pozwala na wykorzystanie dwóch rodzajów energii odnawialnej.

Połączony generator wiatrowy i zasilanie sieciowe. Turbinę wiatrową można łączyć z komunikacją elektryczną.

Podobny wzór jest typowy dla urządzeń przemysłowych i komercyjnych. Niektóre modele domowych generatorów wiatrowych zapewniają również połączenie z komunikacją elektryczną.

Przy wytwarzanej nadwyżce energii elektrycznej wchodzi ona do scentralizowanej sieci, a przy jej niedoborze możliwe jest wykorzystanie prądu elektrycznego z ogólnego systemu elektroenergetycznego.

Niuanse korzystania z generatorów wiatrowych

Obecnie turbiny wiatrowe są wykorzystywane w różnych sektorach gospodarki. Modele przemysłowe o różnych pojemnościach są wykorzystywane przez ropę i gaz, firmy telekomunikacyjne, stacje wiertnicze i poszukiwawcze, zakłady produkcyjne i agencje rządowe.

Wiatrak może być wykorzystywany jako dodatkowe źródło energii w szpitalach i innych instytucjach, zapewniając ciągłe dostawy energii elektrycznej w sytuacjach awaryjnych.

Na szczególną uwagę zasługuje wykorzystanie turbin wiatrowych do szybkiego odzyskiwania zakłóceń energii elektrycznej podczas kataklizmów i klęsk żywiołowych. W tym celu Ministerstwo ds. Zagrożeń często korzysta z generatorów wiatrowych.

Domowe turbiny wiatrowe są idealne do organizowania oświetlenia i ogrzewania wiosek i domów prywatnych, a także do celów domowych w gospodarstwach.

W takim przypadku należy wziąć pod uwagę kilka punktów:

• Urządzenia o mocy do 1 kW mogą zapewnić wystarczającą ilość energii elektrycznej tylko w wietrznych miejscach. Zwykle wytwarzana przez nich energia wystarcza tylko na oświetlenie LED, a moc na małe urządzenia elektroniczne.
• Aby w pełni dostarczyć prąd do domku (wiejskiego domu), potrzebujesz generatora wiatrowego o mocy większej niż 1 kW.Ten wskaźnik wystarcza do zasilania oświetlenia, a także komputera i telewizora, ale jego moc nie wystarcza, aby dostarczyć prąd do nowoczesnej lodówki przez całą dobę.
• Aby zapewnić domowi energię, potrzebujesz wiatraka o mocy 3-5 kW, ale nawet ta liczba nie wystarcza do ogrzewania domów. Aby skorzystać z tej funkcji, potrzebujesz potężnej opcji, zaczynając od 10 kW.

Wybierając model, należy zauważyć, że wskaźnik mocy wskazany na urządzeniu jest osiągany tylko przy maksymalnej prędkości wiatru. Tak więc instalacja 300 V wytworzy wskazaną ilość energii tylko przy prędkości przepływu powietrza 10-12 m / s.

Ci, którzy chcą zbudować generator wiatrowy własnymi rękami, oferujemy następny artykułw którym szczegółowo podano przydatne informacje.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Poniższy film przedstawia szczegółowe informacje na temat zasady działania i konstrukcji domowego modelu generatora wiatrowego:

Generator wiatrowy jest doskonałym źródłem wytwarzania energii elektrycznej, co szczególnie docenią mieszkańcy odległych miejsc. Różne rosyjskie i zagraniczne przedsiębiorstwa oferują szeroką gamę konstrukcji wiatrowych, a ponadto modele domowe można wykonać własnymi rękami.

Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Opowiedz nam o tym, jak zbudowałeś generator wiatru na swojej stronie lub o tym, jak sąsiedzi mają wiatrak. Zadawaj pytania, udostępniaj przydatne informacje i zdjęcia na ten temat.