Мощность и КПД ветрогенераторов различных типов: обзор технических характеристик

Содержание
  1. Виды
  2. Из чего состоит ветровая электростанция
  3. Типы ветротурбин, их мощность, эффективность
  4. Какие бывают ветротурбины?
  5. От чего зависит мощность ветротурбины?
  6. В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?
  7. Ветрогенераторные электростанции (ВЭС)
  8. По положению оси вращения ветроколеса.
  9. По типу силы, приводящей установку в движение.
  10. По геометрическому заполнению ветроколеса.
  11. По количеству лопастей
  12. По материалам лопастей
  13. По шагу винта
  14. Расчет мощности ветрогенератора
  15. Как произвести?
  16. Что нужно учитывать?
  17. Вертикальный ветрогенератор
  18. Принцип действия ветрового генератора
  19. Продолжение темы: Вертикальный ветрогенератор
  20. Разновидности вертикальных генераторов (карусельный тип)
  21. 1. Генераторы с ротором Савоуниса
  22. 2. Генераторы с ротором Дарье
  23. 3. Геликоидный ротор
  24. 4. Многолопастный ротор
  25. 5. Ортогональный ротор
  26. Выбор ветрогенератора с вертикальной осью вращения
  27. Климатические условия
  28. Потребность в электроэнергии
  29. Возможность монтажа на участке, экономическая целесообразность
  30. Практические советы

Виды

Основное деление осуществляется по конструктивной особенности:

  • ветрогенератор с горизонтальной осью вращения основного ротора;
  • механизм с вертикальной осью вращения.

Из чего состоит ветровая электростанция

Сам по себе ветрогенератор (независимо от мощности и других технических характеристик) никогда не сможет обеспечить бесперебойное питание подключенных к нему электроприборов. Скорость ветра – неравномерна. Как следствие, объем мощности, вырабатываемой ветрогенератором в течение суток, может очень сильно меняться (временами ветряк, и вовсе, останавливается). Поэтому классическая схема ветроэлектростанции, которая сможет обеспечивать питание потребителей даже в тихую и безветренную погоду, должна иметь следующий вид:

Где:

  • ветрогенератор (ВГ) – установка, преобразующая энергию ветра в электричество (состоит из рабочего винта и генератора переменного тока);
  • контроллер – устройство, которое преобразует переменный ток, поступающий от генератора, в ток постоянный, необходимый для правильной зарядки аккумулятора (еще одна функция контроллера – регулировка оборотов ВГ, но о ней поговорим чуть позже);
  • аккумуляторная батарея – позволяет накапливать электроэнергию во время работы ветряка и отдавать ее потребителям, когда ВГ перестает вырабатывать электричество;
  • инвертор – устройство, которое служит для преобразования постоянного тока напряжением 12В (поступающего в сеть от АБ) в бытовой ток – 220В, обладающий заданной частотой.

Учитывая, что ветрогенератор является ключевым элементом электростанции, параметры, по которым следует его выбирать, мы рассмотрим в первую очередь.

Типы ветротурбин, их мощность, эффективность

Какие бывают ветротурбины?

Ветротурбины отличаются по ориентации оси вращения по отношению к направлению ветра и по типу ветротурбины.

По ориентации оси вращения ветротурбины подразделяются на ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.

Ветротурбины также принципиально отличаются по тому, какую силу они используют для преобразования в механическую — силу давления ветра или подъемную силу. От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго — 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).

Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими подъемную силу крыла. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.

Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток — они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить — или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).

Ветротурбина Дарье
Идея этого ветрогенератора была предложена французским изобретателем Дарье в 1920 году. Но вплотную заниматься разработкой этой идеи начали только в 1970 году. В настоящее время ветрогенератор Дарье считается главным конкурентом ветрогенераторов с обычными ветроколесами.
Его особенность состоит в том, что он использует подъемную силу аэродинамики лопастей, которые в поперечнике имеют форму крыла. Стартовый вращательный момент такого ротора небольшой, а быстроходность высокая. За счет этого его мощность по отношению к собственной массе наибольшая. Это позволяет иметь одну или больше лопастей, и несколько разновидностей формы ротора.
Мощность нынешних ветрогенераторов намного больше, чем у их предшественников – ветряков. Лопасти колес очень легкие и одновременно прочные. Они изготовляются из синтетических материалов или стали. Их производительность зависит не только от скорости ветра, но и способности его улавливать. Увеличение вращения пропеллера вдвое, дает увеличение производства количества электроэнергии в четыре раза.
Конструкция любого вида ветровой электростанции, независимо от мощности, практически одинаковая. Она состоит из мачты, контейнера для генератора и редуктора с ветроулавливателем. Мачта может быть нескольких типов: обычная на растяжках, телескопическая или монолитная. Подвижное крепление контейнера для генератора и ротора позволяет пропеллеру быть постоянно развернутым к фронту ветра.

Вертикально-осевые ветротурбины (ВОВТ), как правило, менее эффективны, чем горизонтально-осевые ветротурбины (ГОВТ), по следующим причинам:

  • Лопасть испытывает сопротивление при вращении, т.к. на части траектории она должна двигаться противоположно направлению ветра
  • ВОВТ часто установлены на более низкой высоте (земля или крыша здания), где скорость ветра меньше.
  • ВОВТ имеют проблемы, связанные с вибрацией, например, шум и более быстрый износ и разрыв опорной конструкции (так как воздушный поток имеет большую турбулентность на низкой высоте).
  • Нагрузка на электрогенератор от массы ветротурбины, если она установлена на одном валу с электрогенератором.

Важным параметром ветроколеса является быстроходность. Быстроходность — это отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. У ветротурбин, использующих силу давления ветра, быстроходность всегда меньше 1. К таким ветротурбинам относятся карусельные, чашечные и другие аналогичные типы ветротурбин. Ротор Савониуса имеет быстроходность немного больше единицы потому, что кроме силы давления ветра в нем используется еще и реактивная сила. У ветротурбин, использующих подъемную силу крыла, скорость лопасти больше скорости ветра.

Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.

Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходным с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом у них низкий стартовый момент вращения ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 1-2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.

От чего зависит мощность ветротурбины?

Мощность ветротурбины зависит от скорости ветра, площади ометаемой поверхности и эффективности ветротурбины. Это основные факторы, влияющие на вырабатываемую ветротурбиной мощность (и, соответственно, энергию). На выработку также влияет турбулентность ветропотока, плотность воздуха, равномерность распределения скорости ветра по ометаемой площади.

Скорость ветра — важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки. Вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора — это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.

Формула мощности ВЭУ выглядит следующим образом:

P=½·ρ·A·V3·Cp·ηг·ηм, Вт

где ρ= 1,22 — плотность воздуха (стандартная), кг/м3
V — скорость ветра, , м/с
ηг·ηм— коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
Cp — коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А — площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:

А=¼π·D2, м2

где D, м- диаметр ротора,π=3,14.

Диаметр ротора ВЭУ по мере возрастания мощности ветроустановки от 1 до 3000 кВт увеличивается от 2 до 100 м, а высота башни от 8 до 100 м. Для ВЭУ выше 150 кВт диаметр ротора и высота башни примерно равны.

Скорость ветра увеличивается с высотой над уровнем земли, поэтому чем выше мачта ветротурбины, тем более производительной будет ветроустановка.

Не стоит увлекаться поиском ВЭУ, начинающих работать на малых скоростях ветра — до 3 м/с, так как на этих скоростях ветра его энергия ничтожно мала. Например, для ВЭУ с диаметром винта 5 м вырабатываемая мощность при скорости ветра 2 м/с будет менее 30 Вт, причем половина этой мощности уйдет на всякие потери в механических элементах, генераторе и контроллере, а оставшиеся 15 Вт — это мизер для аккумуляторов, рассчитанных на номинальную мощность 5 кВт. Так что, кроме наслаждения от вида вращающегося ветроколеса, вы больше ничего не получите.

Очень важным параметром в проектировании ВЭУ является коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), дающий представление об эффективности работы ВЭУ. Это отношение средней выработки генерирующего устройства к максимально возможной. Большинство современных ВЭУ работают с коэффициентом использования установленной мощности от 25 до 35%. Электростанции, работающие на невозобновляемых источниках энергии, имеют коэффициент использования установленной мощности от 40 до 80%. Лучшие ветроустановки в хороших ветровых условиях работают с коэффициентом 0,5. На КИУМ влияет кроме среднегодовой скорости ветра также и время, которое затрачивается на техническое обслуживание и ремонт ветроустановки.

Ветроустановка состоит из следующих основных подсистем и узлов:

  1. ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала,
  2. кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора),
  3. генератор и другие электромеханические системы,
  4. башню или мачту, которая поддерживает ротор и кабину,
  5. электрическое и электронное оборудование, такие как панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др.

В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?

Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также — в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.

В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м (на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры — приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств.

Наиболее экономически выгодное применение ВЭУ имеет место, если ветротурбины объединены в группы. Их называют ветроэлектрическими станциями (ВЭС), а за рубежом «ветровыми фермами» (wind farm). Их мощность колеблется от сотен киловатт до сотен мегаватт. Ветроустановки большой мощности не предназначены для автономной работы или работы параллельно друг с другом. Поэтому как только отключается ЛЭП (линия электропередачи), связывающую ВЭУ с энергосистемой, останавливаются и ВЭС. Обычно при проектировании обеспечивается связь с двумя ЛЭП с разных точек энергосистемы. Для одиночных ВЭУ и небольших ВЭС, питающих определенную нагрузку, нужно иметь резервный источник электроснабжения (дизель-генератор, газотурбинная установка, солнечные батареи).

Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

По опыту эксплуатации ветропарков, установленных в Российской Федерации, их КИУМ в среднем равен 12%. Как видим, российские ветропарки имеют невысокий КИУМ. Это связано как с невысокой среднегодовой скоростью ветра в местах их установки, так и с большим временем простоя.

Ветрогенераторные электростанции (ВЭС)

По положению оси вращения ветроколеса.

Ось вращения может быть параллельна или перпендикулярна воздушному потоку. В первом случае установка будет горизонтально-осевой, во втором – обычно вертикально-осевой.

По типу силы, приводящей установку в движение.

Вращающей силой может быть сила сопротивления или подъемная сила. Установки, использующие силу сопротивления (драг-машины), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.

По геометрическому заполнению ветроколеса.

Для большинства установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

На основе обращений клиентов мы можем рассмотреть следующие наиболее часто упоминаемые группы: по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.

    По количеству лопастей

  • Однолопастные
  • Двухлопастные и трёхлопастные ветрогенераторы
  • Многолопастные ветрогенераторы
  • Многолопастные ветряки действительно начинают вращаться на меньших скоростях, чем одно-, двух- и трёхлопастные, но для выработки электроэнергии важен не сам факт вращения, а выход на нужные обороты. Для сравнения малооборотные генераторы на постоянных магнитах выдают номинал при 400 оборотах в минуту и выше.

    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, для выработки же электроэнергии, многолопастные ветряки создают лишь видимость работы. Своё применение многолопастные ветряки находят там, где требуется поддержание низких оборотов: перекачка воды, работа простейшей механики. Возможна установка повышающих редукторов, однако стоит отметить, что это в целом снижает надёжность системы, а также будет требовать регулярного обслуживания.

      По материалам лопастей

    • Жёсткие лопасти ветрогенератора
    • Парусные ветрогенераторы
    • К нам часто обращаются с вопросами по поводу установки парусных лопастей на наши ветрогенераторы, указывая в качестве причин их низкую стоимость, а также простоту изготовления. Парусные лопасти действительно стоят значительно меньше жёстких стеклопластиковых и металлических, проще в изготовлении. Но это дешевизна 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 серьёзное испытание, а если учесть, что в воздухе постоянно есть взвесь из пыли и песка, то даже для жёстких лопастей требуются ежегодное обслуживание (замена антикоррозийной плёнки на концах лопастей). Однако без обслуживания жёсткая лопасть продолжит работать, чуть потеряв в своих характеристиках и добавив неприятного гудения.

      Для парусной же лопасти может потребоваться полная замена не через год, а уже после первых сильных ветров. Поэтому для автономного электроснабжения, где требуется значительная надёжность компонентов системы, применение парусных лопастей не рекомендуется.

        По шагу винта

      • Фиксированный шаг винта
      • Изменяемый шаг винта
      • Ветрогенераторы с фиксированным шагом винта, к сожалению, обладают большой эффективностью лишь на определённом диапазоне скоростей. Изменяемый шаг винта безусловно позволяет увеличить этот диапазон. Но внедрение этого механизма неизбежно ведёт к усложнению конструкции лопасти, уменьшению общей надёжности ветрогенератора, утяжелению ветроколеса, а значит будут требоваться дополнительные усиления конструкции и дополнительное обслуживание. Всё это приводит к удорожанию всей системы, как при покупке, так и при эксплуатации. Лучшим вариантом, мы думаем, будет фиксированный шаг лопастей, но с изменяемым углом закрутки. Данный шаг позволяет несколько раздвинуть диапазон скоростей, а также не приводит к общему значительному удорожанию ветроколеса или уменьшению надёжности.

        Наиболее распространены в мире ветроэлектрические установки с горизонтальной осью вращения. Как правило, они имеют три лопасти. Это оптимальное число лопастей, согласно теории “идеального ветроколеса”. Вертикально-осевые установки получили меньшее распространение, в основном из-за более массивной конструкции и низкого коэффициента использования ветра. Основные типы вертикально-осевых установок – чашечный ротор, ротор Дарье (с подтипами – H-ротор Дарье, ротор Эванса, Масгроува, геликоидный ротор Горлова), ротор Савониуса.

        Мгновенная мощность ветрогенератора с горизонтальной осью вращения (на примере идеального ветроколеса) может быть определена по формуле:

        P=( η*КИЭВ* ρ*V3*π*D2 )/8, где
        η – КПД генератора
        КИЭВ – Коэффициент использования энергии ветра (КПД)
        ρ – плотность воздуха, кг/м3
        V – текущая скорость ветра, м/c
        D – диаметр, ометаемый концами лопастей (диаметр ветроколеса), м.

        Часовая, суточная и годовая генерация может быть посчитана на основе данных метеонаблюдений в текущем месторасположении установки или с помощью распределения вероятностей (гистограмм Вейбулла).

        Мгновенная мощность ветрогенератора с вертикальной осью вращения (на примере идеального ротора Дарье) может быть определена по формуле:

        P=(η*КИЭВ*ρ*V3*D*H)/2, где
        η – КПД генератора
        КИЭВ – Коэффициент использования энергии ветра (КПД)
        ρ – плотность воздуха, кг/м3
        V – текущая скорость ветра, м/c
        H – высота ротора, м
        D – диаметр ротора, м

        Расчет мощности ветрогенератора

        Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

        Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

        Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

        Как произвести?

        Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

        • определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
        • полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
        • зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач. От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
        • расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

        Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

        P=k·R·V³·S/2

        Где P — мощность потока.

        K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

        R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

        V — скорость ветра.

        S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

        Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

        P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

        Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

        Что нужно учитывать?

        При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

        Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

        Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

        Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

        Вертикальный ветрогенератор

        Принцип действия ветрового генератора

        Работа ветрового генератора основана на преобразовании кинетической энергии ветра, во вращательную энергию передаточного механизма (лопасти-редуктор-передаточный вал) и далее, во вращательную энергию вала электрического генератора.

        Продолжение темы: Вертикальный ветрогенератор

        Во время вращения в обмотках генератора вырабатывается переменный электрический ток. Выработанный электрический ток подается на контроллер, преобразуется и накапливается в аккумуляторных батареях. С батарей аккумуляторов электрический ток поступает на инвертор, на которым преобразуется и поступает в электрическую сеть для использования.

        Составляющие ветрового генератора:

        1. Лопасти – служат для улавливания потоков ветра, который приводит их во вращательное движение;
        2. Редуктор – служит для преобразования мало оборотистой скорости вращения лопастей в более высокую, позволяющую вырабатывать электрический ток;
        3. Генератор – преобразует кинетическую энергию в электрическую;
        4. Защитный кожух – элемент защиты технического устройства от источника посторонних воздействий;
        5. Хвостовик — предназначен для обеспечения направленности лопастей в соответствии с направлением ветра;
        6. Контроллер – служит для преобразования переменного тока в постоянный;
        7. Аккумуляторная батарея – предназначена для накопления выработанной электрической энергии;
        8. Инвертор – преобразует постоянный электрический ток в переменный.

        Разновидности вертикальных генераторов (карусельный тип)

        Вертикальные преобразователи силы ветра в энергию часто используются для бытовых нужд. Эти виды ветрогенераторов просты в обслуживании. Основные узлы, которые требуют внимания, находятся в нижней части установок и свободны для доступа.

        1. Генераторы с ротором Савоуниса

        Состоят из двух цилиндров. Постоянное осевое вращение и поток ветра не находятся в зависимости друг от друга. Даже при резких порывах он крутится с заданной изначально скоростью.

        Отсутствие влияния ветра на скорость вращения, бесспорно, − его хорошее преимущество. Плохо то, что он использует силу стихии не на всю ее мощь, а только на треть. Устройство лопастей в виде полуцилиндров позволяют работать лишь в четверть оборота.

        2. Генераторы с ротором Дарье

        Имеют две или три лопасти. Легко монтируются. Конструкция простая и понятная. Начинают работать от запуска вручную.

        Минус – турбины не отличаются мощной работой. Сильная вибрация становится причиной сильного шума. Этому способствует большое количество лопастей.

        3. Геликоидный ротор

        Вращение ветрогенератора происходит равномерно благодаря закрученным лопастям. Подшипники не подвержены быстрому износу, что значительно продляет срок эксплуатации.

        Монтаж установки требует времени и сопряжен с трудностями сборки. Сложная технология изготовления отразилась на высокой цене.

        4. Многолопастный ротор

        Вертикально – осевая конструкция с большим количеством лопастей делает его чувствительным даже к очень слабому ветру. Эффективность таких ветрогенераторов очень высокая.

        Это мощный преобразователь. Энергия ветра используется максимально. Стоит он дорого. Недостаток – высокий звуковой фон. Может давать большой объем электротока.

        5. Ортогональный ротор

        Начинает вырабатывать энергию при скорости ветра в 0,7 м/сек. Состоит из вертикальной оси и лопастей. Не производит много шума, отличается красивым необычным дизайном. Срок службы несколько лет.

        Лопасти с большим весом делает его громоздким, что усложняет монтажные работы.

        Положительные стороны вертикальных ветрогенераторов:

        1. Использование генераторов возможно даже при слабом ветре.
        2. Не настраиваются на ветровые потоки, так как не зависят от его направления.
        3. Устанавливаются на короткой мачте, что позволяет производить обслуживание систем на земле.
        4. Шум в пределах 30 дБ.
        5. Разнообразный, приятный внешний вид.

        Основной изъян – используют силу и энергию ветра не полностью из-за невысокой вращательной скорости ротора.

        Выбор ветрогенератора с вертикальной осью вращения

        А. Ортогональный
        С. Геликоидный ротор или Ротор Горлова
        D. Многолопастной ротор
        E. Ротор Дарье

        Перед выбором ветрогенератора следует провести анализ о целесообразности его применения. Что необходимо знать:

        • общее средневзвешенное количество дней с силой ветра более 3м/с;
        • примерную потребность в электроэнергии;
        • возможность установки ветрогенератора на собственном участке.

        Климатические условия

        Получить данные о ветровой обстановке в месте, где предполагается установка ветрогенератора, можно в метеостанции или воспользоваться данными, приведёнными в интернете или печатных изданиях по географии.

        Провести климатические замеры представляется непродуктивным занятием в силу ряда причин:

        • необходимо приобрести достаточно дорогое специальное оборудование, в том числе прибор анемометр, фиксирующий скорость ветра;
        • наблюдения потребуется снимать в течение минимум одного года;
        • желательно организовать несколько точек фиксации воздушного потока, расположенных по высоте на 1, 3–5 и, например, 8–10 метров.

        Снятие показателей по высоте объясняется несколькими факторами:

        • помехами, вызванными зелёными насаждениями на участке, хозяйственными постройками и забором;
        • расположением участка в глубине населённого пункта или дачного товарищества;
        • нахождением дома в глубине лесного массива;
        • на движение воздушных масс сильно скажется долина, зажатая среди холмов, — это заметно снизит скорость ветра в приземном слое; в то же время, склон холма или крупный водоём способствуют ускорению передвижения воздушных потоков.

        Исходя из вышеприведённых сведений, следует:

        1. Ветрогенератор – как вспомогательный источник электроэнергии, например, для питания теплового насоса при геотермальном отоплении или подъёма воды из скважины и других бытовых нужд. Использование устройства в таком качестве возможно при нахождении дома в глубине населённого пункта, что вызывает ограничения по установке, — при необходимости в мощной конструкции, её необходимо приподнимать над уровнем земли на высоту не менее 3–5 метров, а это потребует дополнительных точек крепления и занятия части земельного участка.
        2. В случае наличия достаточного свободного пространства, расположения дома на открытом месте, на склоне возвышенности или у крупного водоёма, ветер можно рассматривать как основной источник энергии. Вкупе с солнечными батареями и запасным мотогенератором, ветряной двигатель вполне можно рассматривать в качестве альтернативного источника энергии. Кроме этого, энергия ветра, пожалуй, единственный доступный, достаточно дешёвый возобновляемый источник энергии для удалённых от стационарной электросети, мест.

        Для задумывающихся или решивших о приобретении ветрогенератора, приводим ряд простых методов и наблюдений, с помощью которых приблизительно можно определить скорость ветрового потока:

        Признаки движения воздушных масс Наименование ветра Скорость, м/сек
        Дым из печной трубы поднимается вертикально вверх без искажений Штиль 0
        Дым имеет незначительный наклон. Листья деревьев издают слабый шелестящий звук Очень слабый 1–3
        Ветки деревьев заметно раскачиваются Лёгкий 4–5
        Происходит заметный изгиб веток и сучьев Умеренный 6–7
        Верхушки деревьев издают значительный шум и раскачиваются Свежий 8–9
        Происходит наклон тополей, осин. Толстые ветки начинают сильно гнутся Очень свежий 10–11
        Срываются листья с деревьев, ломаются тонкие сучья Сильный 12–14
        Происходит слом небольших и средних веток Резкий 15–16
        Ломаются толстые ветки и сучья. Растрескиваются верхушки деревьев Буря 17–23
        Выламываются с корнем высокие деревья Ураган 24–33

        Один из народных методов определения скорости ветра (применим для слабых значений):

        • берётся сухая бумага, например, газетная, площадью около 1 см²;
        • с высоты около 1 метра отправляется в свободный полёт;
        • фиксируется расстояние, на котором бумажка коснётся земли, и время её полёта;
        • скорость ветра рассчитывается по формуле V = S/t,

        где: V скорость ветра в м/сек;

        Sпуть, пройденный бумажкой, в метрах;

        tвремя свободного полёта в секундах.

        Этот метод даёт примерные результаты, но даст общее представление о скоростных величинах. С целью повышения точности данных измерений, опыты целесообразно проводить три-четыре раза подряд.

        Потребность в электроэнергии

        Для определения количества необходимой энергии необходимо сложить все максимальные мощности электроприборов в доме и на участке, — это и будет пиковая нагрузка. Такое случается очень редко, но рассчитывать необходимо из максимума, — «сэкономленные» ватты электроэнергии пойдут как своеобразный коэффициент надёжности.

        В то же время, особенность работы ветроустановки заключается в том, что электроэнергия забирается от аккумуляторных батарей, а генератор их подзаряжает. Поэтому, например, в ночное время, в период минимального расхода тока, энергия ветра полностью идёт на восполнение ёмкости батареи.

        Отсюда следует, — при выборе силовой установки целесообразно учитывать эти факторы и помнить о том, что с ростом мощности ветроустановки растёт и её цена.

        Возможность монтажа на участке, экономическая целесообразность

        Самые существенные препятствия для установки ветрогенератора на своём участке – это взаимосвязь цены, мощности и занимаемой площади на установку.

        Например, для вертикально-осевого генератора с тремя лопастями изменения цены, мощности и диаметра составят (данные усреднённые):

        • 1 кВт, высота мачты 4м, диаметр турбины около 2 метров, высота лопасти 2 метра, цена 140000 рублей;
        • 2 кВт, мачта 4 метра, турбина 2,6 м, лопасть 4 м, цена 180000 руб.;
        • 5 кВт, мачта 6 м, турбина 3,6 м, лопасть 6 м, цена более 360000 руб.

        Из приведённого примера видно, что цена увеличивается почти в три раза, а расход полезной площади, с учётом растяжек, крепящих мачту, увеличивается до 10 метров.

        Поэтому, для владельцев относительно небольших участков, — до 6 соток, расположенным в коллективных товариществах, представляется возможным приобретение агрегатов мощностью до двух киловатт, монтируемых на мачтах до 4-х метров высотой или установка на крыше здания.

        Хорошим дополнением будет сочетание в общей системе энергоснабжения использование солнечных батарей.

        При отсутствии в ограничении свободных земельных участков под силовую установку, решение о монтаже ветряка упирается только в финансовый вопрос. Целесообразность в использовании силы ветра определяется суммой затрат на всё оборудование и наличием стационарной электросети.

        При сопоставимых расходах на прокладывание линии электропередач до собственного дома, вопрос, несомненно, стоит решить в пользу ветрогенератора, к тому же источник энергии, — ветер, абсолютно бесплатен.

        В случае периодических отключениях электричества, необходимо просчитать экономическую часть, то есть определить общую сумму затрат, которая пошла на покупку и монтаж ветроустановки и сравнить её, например, для варианта с использованием мотогенератора.

        Вполне возможно, что периодическое применение такого вида оборудования вместе с расходами на топливо и обслуживание, будет более выгодным, нежели использование силы ветра.

        Собственно монтаж ветрогенератора, обвязку электрической части, пуско-наладочные работы лучше доверить специализированным фирмам.

        Практические советы

        • Как можно тщательней проанализируйте ветровую обстановку в районе расположения своего существующего или будущего дома. Среднегодовые данные должны быть не менее 3м/сек.
        • Изучите предлагаемые конструкции ветрогенераторов. Учтите возможности выработки электроэнергии при слабых ветрах, а также площадь части участка, которую придётся вывести под монтаж ветроустановки.
        • Проведите экономический анализ затрат на весь комплект оборудования, входящий в ветровую электростанцию, и его монтаж, с одной стороны. С другой, — стоимость прокладки стационарной электросети до участка. При этом учтите, — стоимость ветровой энергии будет обходиться бесплатно!
        • Наиболее практичная конструкция, на наш взгляд, — это ветро-осевой генератор с дополнением солнечными панелями и дизельным мотор-генератором.
        Источники

        • https://ekopower.ru/vetrogeneratoryi-s-vertikalnoy-osyu-vrashheniya-rossiyskogo-proizvodstva/
        • https://www.forumhouse.ru/journal/articles/7961-avtonomnoe-elektrosnabzhenie-ot-energii-vetra-vybiraem-vetrogenerator
        • https://www.solarhome.ru/basics/bas-wind/wind-energy-basics.htm
        • https://energotrade.su/blog/windstations.htm
        • https://Energo.house/veter/raschet-vetrogeneratora.html
        • https://alter220.ru/veter/vertikalnyj-vetrogenerator.html
        • https://tcip.ru/blog/wind/osnovnye-vidy-vetrogeneratorov-vertikalnye-gorizontalnye.html

        Рейтинг
        ( Пока оценок нет )
        Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
        Все об инженерных системах
        Добавить комментарий

        ;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: