Устройство преобразования энергии ветрогенератора

Ветрогенератор

Ветрогенератор — это устройство для преобразования энергии ветра в электро-энергию, или в механическую для привода в движение механических устройств (например насос на воду). Прародителями современных ветрогенераторов были ветряные мельницы, и с развитием технологий и прихода эры электричества ветряные мельницы уже не только растирали зёрна в муку, или качали воду, но и вращали генераторы вырабатывающие электро-энергию.

Ветрогенераторы бывают промышленные, такие ветряки устанавливает государство или большие энергетические корпорации для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Промышленные ветровые турбины самые большие и мощные на сегодняшний день, мощность отдельных ветрогенераторов исчисляется мегаваттами, но такие ветряки не ставят по одному, а строят огромные ветропарки в местах где ветер наиболее подходящий для стабильной выработки электро-энергии, например на побережьях, или на открытых возвышенностях. Энергия от ветрогенераторов поступает напрямую в электросети, а стабильность и частоту вращения генераторов обеспечивают различные механизмы, например системы регулирования углов установки лопастей относительно набегающего потока ветра, так чтобы обороты ветроколеса, а значит и генератора были стабильными.

Ветропарк в море — промышленные ветрогенераторы

Так-же существуют и коммерческие ветрогенераторы, которые устанавливают с целью продажи электро-энергии, или обеспечения энергией различных производств в тех местах где не хватает собственных мощностей, или электросети отсутствую вовсе. Такие ветро-электро-станции тоже состоят из множества ветрогенераторов различной мощности. Энергия от таких ветрогенераторов может поступать напрямую в электросеть если они вырабатывают стабильное переменное напряжение 220/380 вольт или белее. Или ветрогенераторы используются для зарядки большого массива аккумуляторов, с которого потом энергия преобразуется в переменное напряжение и подаётся в электросеть.

Существуют и обычные бытовые ветряки малой мощности для частного использования, для установки которых не требуется никаких разрешений если высота мачты не превышает 25 метров и ветрогенератор не является помехой для воздушных судов. Такие ветрогенераторы низковольтные и их основная задача заряжать аккумуляторы с напряжением 12/24/48 вольт, а уже из аккумуляторов берётся энергия, которая преобразуется в 220 вольт 50 Гц как в обычной розетке. Ветряки небольшой мощности часто ставят для обеспечения энергией своих частных домов, дач, подсобных хозяйств, или для питания небольших удаленных объектов.

Устройство и конструкции ветрогенераторов

Понятно что ветрогенераторы приводятся в движение энергией ветра, но это еще не всё, ветрогенератор состоит из нескольких узлов и основное это ветро-колесо и генератор. Ветряки горизонтального типа как правило имеют трёх-лопастные винты, которые работают за счёт подъёмной силы набегающего потока ветра. А вертикальные ветрогенраторы типа «Савониус» (бочка) вращаются за счёт давления ветра. Есть вертикальные ветряки использующие так-же подъёмную силу, например «Ротор Дарье» и другие ортогональные ветрогенераторы. У горизонтальных ветрогенераторов скорость вращения лопастей превышает скорость движения ветра обычно номинально в 5 раз, это позволяет использовать генераторы меньших размеров чем для вертикальных ветрогенераторов, так-как они не могут вращаться быстрее скорости ветра, за исключением ортогональных.

К примеру на ветрогенератор с диаметром ветроколеса 3 метра при скорости ветра 10м/с приходится 5.6 кВт ветровой энергии, но в механическую энергию вращения может преобразоваться максимум 49% энергии, для горизонтальных ветрогенераторов средний коэффициент преобразования энергии ветра 0.4, для вертикальных существенно ниже, для ветряков типа «Савониус» 0.1-0.25, а для ортогональных до 0.4.

Генератор с ветроколесом может быть соединён напрямую и тогда обороты ветро-колеса и генератора будут одинаковые, или может быть установлен редуктор для повышения оборотов генератора. В конструкциях больших ветрогенераторов, которые ставятся в местах со стабильным и мощным вытровым потоком для поддержания стабильных оборотов генераторв используют систему регулировки положения лопастей. Когда ветер усиливается, то лопасти поворачиваются в одну сторону увеличивая угол атаки набегающего потока ветра и ветро-колесо не набирает обороты, а когда ветер ослабевает, то наоборот чтобы ветряк не снизил обороты лопасти поворачиваются на большую быстроходность. Так-же обороты могут поддерживаться увеличением или уменьшением нагрузки на генератор, или тормозной системой. Таким образом генератор работает на одних и тех-же оборотах и даёт стабильное напряжение и частоту переменного тока, например 220 вольт 50 Гц, хотя может выдавать и тысячи вольт.

В небольших ветряках обороты генератора не стабилизируют так-как это очень сложно, да и такие ветряки ставят на небольшую высоту в различных районах где ветер может периодически совсем пропадать и быть очень не стабильным. Для стабильности работы ветро-электро-станции используют аккумуляторы, генератор заряжает аккумуляторы когда есть ветер, а брать энергию с них можно всегда, даже при полном штиле. А для защиты от ураганов применяют систему с уводом ветроколеса от ветра методом складывания хвоста, или тормозят ветро-колесо электро-тормозом.

Для зарядки аккумуляторов между ветряком и АКБ ставится контроллер, который следит за зарядкой АКБ, и при полном заряде чтобы не испортить аккумуляторы контроллер или тормозит винт закорачивая обмотки генератора, или сбрасывает лишнюю энергию на балласт, в качестве которого могут быть установлены тэнны для отопления, или просто большой резистор. Ветрогенератор с контроллером выступает в роли зарядного устройства для блока аккумуляторов, а сама энергия берётся именно из аккумуляторов, а не от ветряка.

Но в аккумуляторах постоянное низкое напряжение, которое бывает 12/24/48 вольт, а для обеспечения дома нужны 230 вольт, по-этому устанавливается инвертор, который преобразует постоянное напряжение в переменное 220 вольт. Но можно обойтись и без инвертора если все потребители рассчитаны на питания от низкого напряжения. Например если массив АКБ на 12 вольт, то можно использовать любые электро-приборы на 12 вольт, автомобильные зарядные устройства, телевизоры, светодиодные ленты и лампочки на 12 вольт, авто-чайники, авто-холодильники и многое другое.

Ветрогенератор — ветряная электростанция

Типы и виды ветрогенераторров

Классический ветрогенератор

Вертикальные ветряки типа «Савониус» или «Бочка» самые низко-оборотистые и малоэффективные ветряки, по-этому чтобы добиться той-же мощности что у горизонтального, такой ветряк придётся делать намного больше по размерам, ставить очень низко-оборотный генератор или мультипликатор, и так-как такую тяжёлую конструкцию не представляется возможным поднять на высокую мачту, то ветряк должен в общем по размерам в два раза больше чем горизонтальный, а генератор в пять-семь раз больше. От этого стоимость таких ветрогенераторов возрастает в пять раз в сравнении с классическими.

По этому ветряки типа «Савониус» не популярны и встречаются довольно редко, хотя в интернете довольно популярны из-за мифов о их эффективности, бесшумности и простоты. На самом деле КИЭВ таких ветряков всего 0.1-0.2 против 0.4 у классических ветяков, бесшумность тоже относительна так-как на ветрах от 7м/с шумит всё, даже деревья. Да и на счёт простоты тоже миф, намного проще на генератор поставить три лёгких и простых лопасти, чем ставить огромный ротор, который от урагана не защитить, и по этому нужна большая прочность конструкции. Пример такого самодельного генератора описан в этой статье — Вертикальный ветрогенератор своими руками

Вертикальный ветрогенератор

Вертикальные ветрогенераторы

Генераторы

Генераторы для ветрогенераторов

Для повышения оборотов часто используют мультипликатор, который повышает обороты и тем самым можно получить или больше мощности с имеющегося генератора, или использовать генератор меньших размеров и стоимости. Часто мультипликаторы применяют в вертикальных ветрогенераторах так-как ветроколесо у них вращается значительно медленнее чем у горизонтальных классических ветряков.

Генератор самая дорогая часть ветрогенератора если не считать мачту, которая может быть очень дорогой. По-этому обороты ветрогеннраторов стараются сделать как можно выше чтобы ставить генераторы поменьше. Собственно по этому горизонтальные трёх-лопастные ветрогенераторы получили такое распространение. Там высокие обороты и не требуется мультипликатор для поднятия оборотов генератора, это намного удешевляет и упрощает конструкцию, и при этом у неё самый высокий КПД.

Генератор можно изготовить и самому, да и сделать полностью ветрогенератор своими руками, на страницах сайта есть вся информация по расчёту генераторов и ветряков в целом. Генераторы изготавливают из асинхронных двигателей, из авто-генераторов, а так-же очень популярны так называемые дисковые аксиальные генераторы. Про ветряки на таких генераторах можно почитать в этом разделе Дисковые аксиальные ветряки

Цены на ветрогенераторы и применение

Ветрогенераторы стоят конечно дорого, так-как это сложное оборудование не имеющее массовое распространение как например телевизоры или автомобили. Так-же кроме самого ветрогенератора в составе ветро-электростанции присутствуют аккумуляторы, контроллер и инвертор, так-же мачта тоже дорогая и неотъемлемая часть ветрогенератора.

Ветрогенераторы мощностью 300 ватт очень слабые и надо понимать что свои заявленные 300 ватт в час они вырабатывают при номинальном ветре 10-12м/с, а когда ветер 4-5м/с, то выработка составит всего 30-50ватт*ч. Такие ветряки вырабатывают очень мало энергии, которой хватит к примеру на питание мелкой электроники, экономного светодиодного освещения. Не стоит рассчитывать что такой ветряк сможет обеспечить энергией холодильник, телевизор и свет во всём доме. Выработка энергии напрямую зависит от наличия ветра в месте установки ветряка.

Скажем при среднегодовой скорости ветра 3м/с выработка 300 ватт ветряка составит всего около 3-6 кВт в месяц, ну а если ветер будет дуть каждый день со средней скоростью 5м/с, то выработка составит 15-20 кВт, но такие ветреные места бывают не везде.

Цены небольших ветровых турбин начинаются от 15 000 рублей за ветрогенератор с контроллером без аккумуляторов и мачты. А полный комплект состоящий из ветрогенератора, контроллера, аккумуляторов, мачты, инвертора обойдётся от 50 000 рублей и выше.

Для обеспечения энергией небольшого дома или дачи ветрогенератор понадобится мощностью от 1кВт, выработка энергии опять-же зависит от наличия ветра в вашей местности, она может составить 30-100 кВт в месяц. Такого ветрогенератора в принципе хватит на освещение, телевизор, компьютер, насос, а вот с круглосуточной работой большого холодильника ветрогенератор может не справится. Вообще когда ветрогенератор устанавливается для постоянного обеспечения энергией жилого помещения, где энергия требуется каждый день, то дополнительно устанавливают бензиновый или дизельный генератор, который в периоды длительного отсутствия ветра заряжает аккумуляторы. Генератор это необходимое устройство чтобы обеспечить полную бесперебойность автономной ветряной электростанции.

Стоимость полного комплекта от 150 000 рублей, и может доходить до 300-400 т.рублей. Чем больше ёмкость аккумуляторов тем больше времени можно питаться от АКБ при отсутствии хорошего ветра. Так-же аккумуляторы нельзя разряжать глубоко, от этого сильно сокращается срок службы. По этому если к примеру в сутки тратится 2 кВт энергии, то энергии а аккумуляторах должно помещаться как минимум 10 кВт.

Если планируется обеспечить энергией свой частный дом или небольшое хозяйство, то ветряк понадобится мощностью 3-5 кВт. Стоимость полного комплекта от 300 000 рублей и до 1-го миллиона рублей. Здесь уже серьёзная мощность и потребление, по-этому кроме цены ветряка дорогой получается мачта, контроллер, мощный инвертор, и аккумуляторов нужно много чтобы стабильно обеспечивать энергией всю домашнюю бытовую технику.

Если хочется чтобы ветрогенератор ещё отапливал дом, то нужно смотреть на мощности от 10 кВт. Вообще чтобы автономная электростанция была оптимальна по выработке электо-энергии, то просто одного ветрогенератора будет не достаточно. В системе должны быть и солнечные батареи, и бензо-генератор на случай когда совсем нет ни солнца ни ветра. Контроллер должен управлять и ветрогенератором, и солнечными панелями, и заводить бензо-генератор когда энергия на исходе. Всё это оборудование стоит дорого, но если нет возможности подключится к электросетям, то выход вкладывать деньги в ветро-солнечную электростанцию.

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