Что такое ветряк что он делает

Как работает и для чего нужен ветрогенератор: разновидности, конструкция и выбор оборудования

Обновлено: 23 февраля 2021

Подключение к магистральной сети электроснабжения до сих пор доступно не всем. Есть немалое число населенных пунктов, до которых линии электропередач не дошли. Да и подключенные поселки и деревни, вследствие общей изношенности линий, испытывают частые перебои с электроснабжением. Кроме того, дачные поселки, выстроенные недавно, зачастую не имеют возможности подключиться к линии, расположенной в солидном отдалении.

Решение вопроса с электроснабжением традиционно возлагается на бензиновые или дизельные электростанции, нуждающиеся в снабжении топливом, капризные и требующие постоянного наблюдения устройства. При этом, есть альтернативные источники, не нуждающиеся в топливе. Одним из них является ветрогенератор.

Что из себя представляет ветрогенератор?

Ветрогенератор — это устройство, использующее энергию ветра для выработки электрического тока. Воздушные потоки, свободно перемещающиеся в атмосфере, имеют гигантскую энергию, причем, совершенно бесплатную. Ветроэнергетика — это попытка извлечь ее и обратить на пользу.

Ветрогенератор представляет собой набор устройств, принимающих, обрабатывающих и подготавливающих для использования энергию. Потоки ветра взаимодействуют с ротором ветряка, заставляя его вращаться. Ротор посредством повышающей передачи (или напрямую) соединяется с генератором, который заряжает аккумуляторные батареи. Заряд через инвертор перерабатывается в стандартный вид (220 В, 50 Гц) и подается на приборы потребления.

На первый взгляд, комплекс устроен довольно сложно. Существуют и более простые конструкции, например, ветряки, питающие насосы. Тем не менее, для сложных приборов требуется полный комплект оборудования, способный обеспечить стабильное и качественное электроснабжение.

Зачем он нужен?

Отличительное свойство электроэнергии состоит в том, что ее можно производить в любых количествах, если позволяет оборудование. Ветрогенератор как раз и относится к таким устройствам — он производит электроэнергию. Таким образом, ветряк представляет собой электростанцию, способную обеспечивать как крупные участки с большим количеством потребителей, так и отдельные дома или приборы.

Возможности устройства зависят от размеров крыльчатки и мощности генератора. Эти два параметра являются определяющими и зависят друг от друга. Чем мощнее ротор, тем большей мощности генератор он сможет вращать, вырабатывая большое количество энергии.

При этом, ветряк может быть создан самостоятельно и обеспечивать потребности отдельной группы приборов — например, освещения, водоснабжения, вентиляции и т.д. Такая избирательность удобна для сокращения расходов на электроэнергию, обеспечения бесперебойной подачи питания на старых изношенных линиях.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно ветрогенераторы сочетают механическую, электромеханическую и электрическую части. К механической относится ветряк, непосредственно принимающий энергию ветра и преобразующий ее во вращательное движение. Оно передается на электромеханическое устройство — генератор, преобразующий кинетическую энергию вращения в электрический ток. После этого действуют чисто электронные устройства:

• выпрямитель. Генератор вырабатывает переменный ток, который не годится для заряда аккумуляторных батарей. Для дальнейшего использования его надо выпрямить, для чего используется выпрямительное устройство
• контроллер заряда. Обеспечивает своевременное переключение аккумуляторных батарей с режима зарядки на режим питания потребителей, чтобы избежать выхода АКБ из строя
• аккумулятор (АКБ). Накапливает заряд, необходимый для поддержания напряжения в сети при ослаблении ветра
• инвертор. Преобразует постоянный ток аккумулятора в обычные 220В 50 Гц переменного тока, необходимых для питания стандартных потребителей.

Все перечисленные электронные устройства являются типичным комплектом оборудования, используемым с любым типом ветряка. Изменение конструкции крыльчатки не влияет на состав комплекта, если только не происходит значительного увеличения скорости вращения, требующего изменения параметров генератора.

Виды ветрогенераторов

Используются два основных вида ветряков, имеющих принципиальные различия:

В обоих случаях речь идет об оси вращения ротора. Конструкция различных моделей горизонтальных устройств мало отличается друг от друга, представляя собой подобие бытового вентилятора или пропеллера. Вертикальные устройства обладают намного большим разнообразием типов конструкции, внешне значительно отличаясь друг от друга. Рассмотрим их подробнее:

Горизонтальные ветряки

Горизонтальные конструкции имеют большую эффективность, так как поток ветра они воспринимают только рабочей стороной лопастей. Наибольшее распространение получили трехлопастные крыльчатки, но для небольших конструкций число лопастей может быть увеличено.

Именно горизонтальные конструкции используются для изготовления больших промышленных образцов, имеющих огромный размах лопастей (больше 100 м), которые в объединенном виде образуют довольно производительные электростанции. Государства западной Европы, такие как Дания, Германия, скандинавские страны активно используют ветряки для обеспечения населения энергией.

Устройства имеют один недостаток — они нуждаются в наведении на ветер. Для небольших ветрогенераторов проблема решается установкой хвоста наподобие самолетного, который автоматически располагает конструкцию по ветру. Большие модели имеют специальное устройство наведения, контролирующее положение крыльчатки относительно потока.

Вертикальные конструкции

Ветрогенераторы вертикального типа имеют меньшую эффективность, вследствие чего используются для обеспечения энергией лишь отдельных потребителей — частный дом, коттедж, группу приборов и т.д. Для самостоятельного изготовления такие устройства подходят больше всего, так как обладают широким выбором вариантов конструкции, не нуждаются в подъеме на очень высокую мачту (хотя это им и не противопоказано).

Вертикальные роторы могут быть собраны из любых подручных материалов, в качестве образца можно использовать любой тип из множества известных:

• роторы Савониуса или Дарье
• более современный ротор Третьякова
• ортогональные конструкции
• геликоидные устройства и т.д.

Описывать все типы подробно незачем, так как их количество постоянно увеличивается. Практически все новые разработки базируются на вертикальной оси вращения и предназначены для использования в частных домах или усадьбах. Большинство разработок предлагает собственный вариант решения основной проблемы вертикальных устройств — низкого КПД. Некоторые варианты имеют довольно высокие показатели, но обладают сложным устройством корпуса (например, конструкция Третьякова).

Расчет и выбор

Расчет мощности ветряка сводится к подсчету суммарной мощности потребления осветительными, вспомогательными и бытовыми приборами. Полученное значение увеличивается на 15-20% (запас мощности необходим при возникновении непредвиденных ситуаций), и на основании этих данных рассчитывается или выбирается готовый генератор.

От его параметров ведется построение всего остального комплекта — механические требования ложатся в основу проектирования ветряка, а эксплуатационные параметры — мощность, напряжение, сила тока — используются при создании системы накопления и обработки полученного тока.

Выбирая приборы, следует также обеспечивать небольшой (15-20%) запас мощности, который обеспечит устойчивость комплекса при возникновении форс-мажорных ситуаций.

Изготовление ветряка своими руками

Основные работы, которые предстоит сделать, это — изготовление и установка вращающегося ротора. Прежде всего следует выбрать тип конструкции и ее размеры. Определиться в этом поможет знание требуемой мощности устройства и производственные возможности.

Большинство узлов (если не все целиком) придется изготовить самостоятельно, поэтому на выбор повлияет, какие познания имеются у создателя конструкции, с какими приборами и устройствами он знаком наилучшим образом. Обычно сначала делается пробный ветряк, с помощью которого проверяется работоспособность и уточняются параметры сооружения, после чего приступают к изготовлению рабочего ветрогенератора.

Источник

Принцип работы ветрогенератора

В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом.

Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.

Принцип работы

Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов

Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.

Принципиальная схема ветрогенератора

Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:

• для автономной работы;
• параллельно с резервным аккумулятором;
• вместе с солнечными батареями;
• параллельно с дизельным или бензиновым генератором.

Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.

Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.

Система торможения вращения лопастей

Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.

Конструкция ветрогенератора и узлов

При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.

Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер

Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:

• установка экологически чистая;
• отсутствует потребность её заправки топливом;
• не накапливаются какие-либо отходы;
• устройство работает очень тихо;
• имеет большой срок эксплуатации.

Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток. Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду. Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.

Увеличение мощности установки

Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.

Увеличить мощность ветроустановки можно с помощью системы резервирования электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.

Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.

Для трехфазных схемы электропитания необходимо установить по инвертору на каждую фазу.

Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.

Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора

Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки. Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем. Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.

Выбор ветрогенератора

Самые качественные ветряки производят в Германии, Франции и Дании. Эти страны делают ветровые установки для снабжения электричеством жилого частного сектора, фермерских хозяйств, школ, небольших торговых точек. В России из-за низкой стоимости электроэнергии и негласной монополии на продажу электроэнергии ветроустановки, солнечные панели и другие виды альтернативной энергии не сильно распространены.

Мобильный ветрогенератор подойдет для нефтепромышленности или монтажных бригад, которые ведут строительство в полях (прототип)

Но высокая стоимость подключения удаленных объектов от электросетей (есть до сих пор не электрифицированные деревни), хамство чиновников, длительные процедуры хождения и получения ТУ у монопольных компаний вынуждают собственников использовать альтернативную энергию своих объектов.

Прежде все вы должны понимать, что КПД ветровой установки составляет около 60%, есть зависимость от скорости ветра, и потребуется периодически проводить ТО. Если вы все-таки решили сделать выбор в пользу ветрогенератора, следует знать. Выбирать ветрогенератор нужно исходя из конкретных обстоятельств его применения. Существуют новые разработки и модели: с повышенным КПД, вертикальные, горизонтальные, ортогональные, безлопастные.

Подсчитывается активная и резистивная мощность всех потребителей энергии.

Для предприятий или частного дома эти данные могут быть в проекте или счетах за электроэнергию. Если вам необходимо обеспечить электроэнергией дачу выбирается модель ветроустановки на 1-3 кВт, инвертор нужно небольшой мощности и можно обойтись без аккумуляторных батарей. Принцип наличия дачной ветроустановки прост: есть ветер — есть электричество, нет ветра — работаем в огороде или по хозяйству. Простой ветрогенератор можно сделать самому, достаточно собрать необходимые материалы и соединить их вместе.

Для частного дома постоянного проживания, такой принцип не подойдет. При частом отсутствии ветра следует придать особое значение аккумулятору. Здесь нужна большая ёмкость. Однако, чтобы он быстрее заряжался, сам генератор электричества также должен быть большой мощности. То есть отдельные узлы установки тесно взаимосвязаны друг с другом. Более надежная комбинация — симбиоз с дизель-генератором и солнечными панелями. Это 100% гарантия наличия электричества в доме, но и более дорогая.

При наличии скважины вы будете полностью энергонезависимые от внешних сетей.

Сейчас большое распространение получили коммерческие ветровые установки. Получаемая с их помощью электроэнергия продается различным предприятиям, испытывающим недостаток в энергоснабжении. Обычно такие электростанции состоят из нескольких ветрогенераторов различной мощности. Вырабатываемое ими переменное напряжение в 380 вольт подается непосредственно в электросеть предприятия. Кроме того, ветрогенераторы могут использоваться для зарядки большого числа аккумуляторных батарей, с которых потом преобразованная в переменное напряжение энергия также подается в электрическую сеть.

Ветрогенераторы российского производства

В большинстве случаев владельцы предприятий ставят ветроустановки, солнечные панели и дизель-генераторы для нужд собственного производства. Получение разрешение на продажу электричества в России — это, скажем так, отдельная история. После проведения энергоаудита, высвобождаются мощности, например, путем замены ламп освещения на светодиодные. Подсчитывается срок окупаемости, при отсутствии бюджета можно разделить модернизацию на этапы.

Технологии развиваются. Создаются энергонезависимые дома, офисы, станции на земле и воде. Наша команда инженеров поможет вам с выбором, расчетом, проектом и монтажом оборудования. Готовы ответить на ваши вопросы в комментариях или через форму.

Источник