Ветрогенератор с направлением ветра

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

Эффективная ветроэнергетика. Часть 1

Порохня А. В., г. Краснодар

Отрасль ветроэнергетики находится в состоянии интенсивного развития. Но использование энергии ветра сопряжено с определенными трудностями, связанными, в частности, со слабым и непостоянным напором ветра. Рассматриваемая далее конструкция позволяет повысить эффективность работы ветрогенератора.

На сегодняшний день создано множество разновидностей ветрогенераторов. Предлагаемая конструкция содержит ряд усовершенствований и обладает более высокими характеристиками в условиях использования при слабом и непостоянном ветре.

Все существующее множество ветрогенераторов можно условно разделить на два типа. Первый использует подъемную силу ветра (ветряк с горизонтальной осью вращения), второй – силу напора потока (ветряк с вертикальной осью вращения). Предлагаемая конструкция совмещает в себе черты обоих типов. Рассмотрим ее подробнее.

На Рисунках 1 и 2 показана схема ветрогенератора с вертикальной осью вращения. Ветрогенератор необходимо строго ориентировать по ветру. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в сторону, противоположную направлению вращения ветряка, таким образом, что за время поворота ветряка на 360 градусов лопасть поворачивается на 180 градусов. При соблюдении такого соотношения угловых скоростей, мы получим, что во время движения по направлению ветра лопасть перпендикулярна потоку движения ветра (1). В момент обратного хода, когда лопасть движется против ветра, она повернута к потоку ребром и имеет наименьшее лобовое сопротивление (3). В промежуточном положении лопасть расположена под углом к направлению ветра, и на нее действует подъемная сила, вектор которой совпадает с вектором вращения ветрогенератора (2, 4). Считаем, что ветряк крутится со скоростью движения ветра.

Рисунок 1.	Ветрогенератор с вертикальной осью вращения.	Рисунок 2.	Вид сверху на ветрогенератор с вертикальной осью вращения.

Лопасть в положении 1 (Рисунок 3) расположена перпендикулярно потоку ветра и движется со скоростью ветра. Она не выполняет никакой работы, ее КПД равен нулю. В положении 2-3 лопасть, двигаясь по направлению движения ветра, начинает смещаться перпендикулярно потоку ветра, и, в соответствии со скоростью вращения ветряка и скоростью ветра, набегающий поток, обтекая ее, создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. Силы изображены стрелками, длина которых условно пропорциональна подъемной силе ветра. В положении 4 лопасть незначительно смещается по направлению ветра. Основное ее движение перпендикулярно потоку, набегающий поток создает подъемную силу, вектор которой направлен по направлению вращения ветряка. В положении 5 лопасть движется перпендикулярно потоку, так же, как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на них. В положениях 6-7-8 лопасть движется не только перпендикулярно потоку, но и начинает движение навстречу ему. Поэтому подъемная сила ветра растет, но ее вектор теперь постепенно отклоняется в сторону от направления вращения ветряка. В положении 9 лопасть повернута к потоку ветра ребром и движется навстречу ему с такой же скоростью. Поэтому подъемная сила вдвое больше, но направлена перпендикулярно направлению движения ветряка. Перейдя через условный ноль, подъемная сила меняет свое направление на противоположное, сохраняя величину. В положениях 10-11-12 лопасть постепенно замедляет движение навстречу потоку и увеличивает движение перпендикулярно ему. Поэтому вектор подъемной силы уменьшается, но зато направление вектора постепенно выравнивается и начинает совпадать с направлением вращения ветряка. Необходимо отметить, что положение лопасти остается оптимальным для набегающего потока, который обтекает ее, и срыва потока не происходит. В положении 13 лопасть движется перпендикулярно потоку, так же, как это происходит в ветряках с горизонтальной осью вращения, и на нее действуют такие же силы, как и на классический ветряк. В положениях 14-15-16 лопасть постепенно замедляет свое движение перпендикулярно потоку ветра и ускоряет движение по направлению ветра. Подъемная сила ветра постепенно уменьшается. Вектор подъемной силы теперь совпадает с направлением вращения ветряка. Поскольку скорость вращения ветряка равна или близка скорости движения ветра, мы не можем получить никакой пользы от силы напора потока. Но в статическом положении, когда ветряк остановлен, возможность конструкции использовать силу напора потока является огромным плюсом. Это дает конструкции высокий стартовый порог при малой скорости ветра, позволяя раскрутить конструкцию до момента, пока лопасти сориентируются относительно набегающего потока и зацепятся за подъемную силу ветра.

Рисунок 3.	Стрелками показано направление возникающей подъемной силы ветра; длина стрелок условно иллюстрирует величину подъемной силы.

Сравним только что описанную конструкцию с чашечным анемометром, изображенным на Рисунке 4. Воздушный поток давит на левую и правую сторону анемометра одинаково, но за счет того, что с одной стороны чашка повернута к потоку выпуклой стороной, а с другой вогнутой, создается разница в давлении на левую и правую стороны. Устройство поворачивается. Эта разница составляет 5…10%. В авторской конструкции (Рисунок 3) лопасть в положении 1 повернута плоскостью к потоку, а в положении 9 – ребром. При таком расположении лопастей разница давлений на левую и правую половину будет гораздо больше, чем у чашечного анемометра. Отсюда вывод: стартовый порог конструкции, показанной на Рисунке 3, выше стартового порога традиционных ветряков с вертикальной осью вращения, ну и, конечно, с горизонтальной тоже.

Рисунок 4.	Чашечный анемометр.

У конструкции есть недостатки. В частности, по фронту и тылу ветряк использует подъемную силу ветра наиболее полно, но по флангам подъемная сила ветра или стремится к нулю, или ее вектор отклоняется от направления вращения ветряка.

Посмотрим теперь на классический ветряк с горизонтальной осью вращения (Рисунок 5). Условно разделим ометаемую поверхность на три области А, Б и В. В области А лопасть движется быстрее скорости ветра, выполняет небольшую работу и создает неприятный низкочастотный шум. В области Б лопасть движется со скоростью ветра и производит максимальную работу. В области В лопасть движется гораздо медленнее скорости ветра, вследствие чего производит меньше работы. В силу особенности конструкции лопасти в основании имеют большой размер и вес, что приводит к излишней парусности и инерционности ветряка. Из рассмотренного выше видно, что лопасть ветряка с горизонтальной осью вращения работает фрагментарно. В конструкции автора лопасти работают всей своей поверхностью, и если вспомнить теорию, гораздо ближе к идеалу. Идеальный ветряк имеет бесконечно длинные и бесконечно тонкие лопасти.

Рисунок 5.	Условное изображение фрагментирования энергоотдачи лопасти при работе.

Рассмотрим устройство нашей конструкции подробнее. На первый взгляд, кажется, что она довольно сложна, требует строгой ориентации по направлению ветра и соблюдения угловых скоростей вращения лопастей. Но это не так.

Рисунок 6.	Условная схема одного плеча ветрогенератора.

На Рисунке 6 изображена схема одного плеча варианта реализации конструкции ветрогенератора с заданными параметрами. Цифрами на схеме обозначены:

1. Лопасть ветрогенератора.
2. Зубчатый ремень (подобный ремню ГРМ) для передачи вращения от редуктора к лопасти.
3. Элемент ориентации по ветру (флюгер, хвостовое оперение).
4. Редуктор.
5. Шестерня ориентации ветрогенератора по ветру.
6. Основание ветрогенератора.
7. Мачта ветрогенератора.

Ветрогенератор закреплен на мачте 7 через подвижное соединение (подшипник) и свободно вращается вокруг своей оси. Необходимое соотношение скоростей и направлений вращения ветрогенератора и лопастей достигается с помощью редуктора 4 и передается на лопасть 1 с помощью ремня 2. При работе ветрогенератора лопасти вращаются вокруг своей оси в направлении, противоположном вращению ветрогенератора (ветрогенератор вращается по часовой стрелке, лопасти – против) таким образом, что за время поворота ветрогенератора на 360° лопасть поворачивается на 180°. Ориентация ветрогенератора относительно ветра определяется положением лопастей, которое, в свою очередь, зависит от шестерни 5 ориентации ветрогенератора. Положение шестерни 5 определяется флюгером 3 (хвостовое оперение), который жестко закреплен на шестерне 5 и поворачивает ее вокруг оси в зависимости от направления ветра. Таким образом, мы видим, что для организации нужного вращения лопастей достаточно несложного механизма, состоящего из редуктора 4 и ремня 2. Эти детали достаточно просты и не могут существенно увеличить стоимость ветрогенератора. Для ориентации ветрогенератора нет необходимости поворачивать всю конструкцию, как это делается в случае ветряка с горизонтальной осью вращения; достаточно повернуть шестерню 5, с чем легко справится флюгер 3 без дополнительных затрат энергии.

При небольших размерах ветрогенератора и малом количестве лопастей флюгер без затруднений ориентирует генератор по направлению ветра, однако при увеличении размеров ветряка и количества лопастей на шестерню 5 будет действовать значительный крутящий момент, который будет поворачивать шестерню по ходу вращения ветрогенератора. Флюгер будет противодействовать этой силе и возвращать шестерню в исходное состояние, оптимальное для правильной ориентации. В результате взаимодействия этих противоположно направленных сил возникнут колебания шестерни, которые будет передаваться через редуктор 4 и ремень 2 на лопасть 1, что приведет к ненужной вибрации. Для того чтобы исключить возможность возникновения вибрации, конструкцию флюгера необходимо изменить.

На Рисунке 7 изображена схема ветрогенератора, у которого система ориентирования по ветру состоит из вращающейся крыльчатки 9, поворотного кожуха 10 и понижающего редуктора 11, передающего крутящий момент на шестерню 5. Рассмотрим принцип действия этой системы ориентирования.

Рисунок 7.	Условное изображение конструкции ветрогенератора, у которого флюгерная система ориентирования по ветру заменена на редукторную.

На Рисунке 8а схематично изображены крыльчатка и экран, заслоняющий крыльчатку от ветра. В таком положении крыльчатка находится в покое. Когда направление ветра меняется (Рисунок 8б), экран уже не закрывает крыльчатку полностью, и поток ветра давит на незакрытые экраном лопасти, приводя их в движение. Крыльчатка 9 вращается, передавая это вращение через понижающий редуктор 11 шестерне 5, на которой закреплен экран 10. Экран вращается в ту же сторону, что и крыльчатка, но с заданным редуктором замедлением, и закрывает крыльчатку от потока ветра, вследствие чего крыльчатка останавливается. Когда направление ветра меняется на противоположное (Рисунок 8в), все происходит точно так же, только крыльчатка крутится в другую сторону, и экран вращается в одном направлении с крыльчаткой, закрывая ее. Размер экрана влияет на чувствительность конструкции. Если он составляет четверть длины окружности, конструкция становится более чувствительной к смене направления ветра.

а) б) в)
Рисунок 8.	Принцип действия редукторной системы ориентирования.

Применение редуктора дает нам возможность более четко фиксировать положение шестерни 5, исключая возможность возникновения колебаний и вибраций. С другой стороны, меньшее противодействие повороту крыльчатки делает конструкцию более чувствительной к изменению направления ветра. Чем больше понижающий коэффициент редуктора, тем большее поворотное усилие удерживает шестерня 5, и выше чувствительность конструкции к изменению направления ветра. Но большой понижающий коэффициент увеличивает время реакции, что нежелательно в условиях частой смены направления ветра.

Компромисс между жесткостью положения шестерни 5, размерами крыльчатки 9 и экрана 10, чувствительностью конструкции к изменению направления ветра и временем отработки поворота необходимо определять экспериментально с учетом особенностей эксплуатации в конкретных условиях.

Источник