Вертикальные ветрогенераторы работают независимо от направления ветра. Они имеют простоту в установке и обслуживании, а также возможность установки близко к земле.
Принцип работы ветрогенератора
В упрощённом виде принцип функционирования ветрогенератора можно представить следующим образом.
Сила динамики ветра приводит в движение лопасти устройства, которые, в свою очередь, через специальный редуктор способствует вращению ротора. Благодаря наличию статора с обмоткой, механическая энергия преобразуется в электрический ток. Аэродинамические особенности лопастей позволяют быстро производить вращение генератора.
Работа устройства
Далее, полученная сила вращения преобразуется в электричество, которое накапливается в аккумуляторе. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее вращаются лопасти, производя тем самым больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основывается на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закруглённую форму, а другая — относительно плоская. Когда воздушный поток проходит по закруглённой стороне, возникает зона пониженного давления, образующаяся за лопастью, что вызывает её движение. Это создаёт механическую энергию, которая приводит лопасти в движение.
Схема работы ветрогенератора: здесь показан процесс преобразования энергии ветра и функционирования внутренних механизмов устройства.
Во время своего вращения лопасти также вращают ось, соединённую с ротором генератора. Когда двенадцать магнитов, установленных на роторе, вращаются внутри статора, генерируется переменный электрический ток, частота которого аналогична частоте в обычных электрических розетках. Это основной принцип работы ветрогенератора. Переменный ток легко производить и передавать на большие расстояния, но его аккумулирование представляет собой проблему.
Принципиальная схема ветрогенератора.
Для того чтобы накопленный электрический ток можно было использовать, его необходимо преобразовать в постоянный. Эту задачу выполняет электронная схема внутри турбины. Чтобы получить значительное количество электроэнергии, обычно разрабатываются промышленные установки. Ветровые парки могут состоять из десятков подобных установок. Благодаря такому устройству на даче или в жилом доме можно значительно сократить расходы на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет использовать их в различных сценариях:
- для автономного производства энергии;
- в паре с резервным аккумулятором;
- в комбинации с солнечными батареями;
- вместе с дизельными или бензиновыми генераторами.
Если скорость потока воздуха достигает 45 км/час, турбина способна произвести 400 Вт электроэнергии. Это количество вполне достаточно для освещения дачного участка. Эта мощность может накапливаться, используя аккумулятор.
Управление зарядкой аккумулятора осуществляется с помощью специального устройства. При снижении заряда вращение лопастей замедляется. Когда аккумулятор полностью разряжен, лопасти снова начинают вращаться, что поддерживает процесс зарядки на определённом уровне. Чем сильнее поток воздуха, тем больше электроэнергии может быть выработано турбиной.
Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения
Горизонтальные ветроустановки, ось вращения которых перпендикулярна направлению потока ветра, серийно не производятся, так как они считаются недостаточно эффективными. Более того, их необходимо оснащать специальными системами для ориентации по ветру.
Преимущества горизонтальных ветрогенераторов по сравнению с вертикальными заключаются в более высокой скорости работы и большей выработке энергии.
Ветроустановка с вертикальной осью вращения
Вертикальные ветроустановки имеют несколько преимуществ по сравнению с горизонтальными:
- Они способны функционировать при любом направлении ветра.
- Для них не требуются устройства для определения направления ветра.
- Гироскопические нагрузки на лопасти пропеллера и системы передачи энергии существенно снижены.
- Их возможно устанавливать на уровне земли.
- Конструкция гораздо более простая.
При наличии нескольких вертикальных ветрогенераторов, установленных близко друг к другу, их эффективность значительно возрастает: вихревые потоки, образующиеся от вращения лопастей одной установки, создают дополнительный поток ветра для другой.
В противоположность этому, горизонтальные установки могут снижать свою эффективность из-за того, что они забирают ветер друг у друга.
Ветрогенератор, работающий на водяных каплях
Помимо стандартных вертикальных и горизонтальных ветрогенераторов, которые уже освоены множеством производителей, в настоящее время предлагаются и другие виды устройств. Например, в Нидерландах были разработаны прототипы ветрогенераторов, не имеющих движущихся частей, которые, как считается, будут более надёжными.
Конструкция данного ветрогенератора довольно проста: внутри металлической рамы параллельно расположены трубки с специальными соплами и электродами. Из сопел поступают положительно заряженные капли воды, которые ветром уносятся к положительно заряженным электродам, в результате чего происходит увеличение заряда.
Эффективность работы устройства зависит от числа капель, скорости ветра и силы электрического поля. Эта ветроустановка отличается отсутствием движущихся компонентов, благодаря чему исключены шум, вибрация и износ, вызванный трением.
Ветрогенератор-парус
Еще один вариант без лопастей — это ветроустановка, основанная на принципе паруса. По своему внешнему виду она похожа на стандартный ветрогенератор с горизонтальной осью, однако вместо лопастей у нее устройство, напоминающее спутниковую антенну. Это парус, который улавливает ветер. В этом случае ветер заставляет парус колебаться, а колебания приводят в движение поршни, которые активируют гидравлическую систему, и таким образом кинетическая энергия превращается в электрическую.
Такой тип ветрогенератора позиционируется как более надёжный, долговечный и потребляющий гораздо меньше затрат на обслуживание (разработчики утверждают, что затраты снижаются на 45% по сравнению с обычными ветроустановками с лопастями), а также бесшумный и более производительный (коэффициент полезного действия повышен в 2,3 раза).
Структура ветряного генератора
Разнообразные типы ветрогенераторов имеют различные конструкции.
На данной схеме изображено внутреннее устройство классического горизонтального ветряного генератора. Эти модели чаще всего используются как в промышленности, так и в быту.
Промышленные установки представляют собой сложные конструкции высотой в несколько метров, для установки которых требуется специальный фундамент, тогда как бытовая модель может состоять из минимум компонентов (например, электродвигателя постоянного тока на 3-12 В, электроконденсатора на 1000 мкФ и кремниевого диода).
Типовой ветрогенератор включает в себя следующие ключевые элементы:
- генератор переменного тока, мощность которого зависит от скорости ветра;
- лопасти, передающие вращение к валу генератора (часто они также оснащены редукторами и стабилизаторами скорости вращения);
- мачта ветрогена, на которой крепятся лопасти (чем выше расположены эти элементы, тем больше энергии ветра они могут получать);
- аккумуляторы, позволяющие накапливать полученную энергию, что открывает возможность её использования в условиях слабого ветра или отсутствия ветра вообще. Батарея также служит для стабилизации тока, поступающего от генератора;
- контроллер – преобразователь переменного напряжения от генератора в постоянное, которое используется для зарядки батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет оптимизировать процесс в соответствии с направлениями воздушных потоков;
- АВР – автоматическое устройство переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями или сетевым питанием);
- датчик направления ветра – устройство, помогающее лопастям находить поток воздуха;
- инвертор, преобразующий постоянный ток из аккумуляторов в переменный, который используется в электрических сетях.
Для полного удовлетворения требований пользователей прибор может быть оснащён различными типами инверторов:
- Инверторы с модифицированной синусоидой, производящие квадратную волну. Эти устройства подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и других приборов, не требующих качественного электрического тока;
- инверторы для трёхфазного напряжения, предназначенные для трёхфазных электрических сетей;
- инверторы с чистой синусоидой, которые обеспечивают электроэнергию для более чувствительной техники;
- сетиные инверторы, которые могут работать без батарей и предназначены для подсоединения к электросетям.
При выборе моделей следует обязательно обращать внимание на тип инвертора.
Классификация ветряных генераторов
В процессе классификации ветротурбин, как правило, учитываются такие характеристики как:
- назначение;
- конструктивные характеристики;
- количество лопастей;
- материалы, используемые для изготовления;
- ось вращения;
- шаг лопастей.
Рассмотрим подробнее две наиболее распространённые классификации.
Классификация ветрогенераторов по назначению
Выделяются различные типы ветроустановок, отличающиеся своим назначением, что, в свою очередь, определяет и их основные характеристики, например, мощность.
Промышленные ветряные турбины
Эти установки используются крупными энергетическими компаниями или государственными структурами для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Турбины с мощностью в десятки мегаватт обычно устанавливаются на ветряных площадках, расположенных на открытых возвышенностях или побережьях.
Ветропарки, состоящие из десятков ветряных турбин, могут располагаться как на земле, так и на мелководье. Вырабатываемая электроэнергия, как правило, сразу же поступает в сеть, при этом для обеспечения стабильности и регулировки частоты вращения лопастей ветряные турбины дополнительно оборудуются механизмами.
Коммерческие ветряные генераторы
Эти установки предназначены для генерации электроэнергии на продажу или обеспечения электричеством производств в регионах с ненадежной электроэнергией, или в локальных зонах без электрической сети. Такие ветроэлектростанции состоят из множества генераторов, имеющих различную мощность.
Энергия, полученная от коммерческих установок, может поступать прямо в электрические сети или накапливаться в больших батареях, затем преобразуясь для подачи в энергосистему.
Бытовые ветряные устройства
Устройства с малой мощностью используются для частного потребления. По правилам, ветряки с мачтами высотой менее 25 метров могут устанавливаться владельцами без необходимости получения разрешений из властей. Для более высоких мачт требуется специальное разрешение.
Бытовые ветряные установки средней и низкой мощности могут использоваться для обеспечения электроэнергией коттеджи, дачи, загородные дома и фермерские хозяйства.
Бытовые ветрогенераторы подходят для зарядки аккумуляторов с напряжением 12/24/48 Вольт, из которых можно преобразовать в сеть с напряжением 220 Вольт. Эти устройства позволяют полностью или частично решить вопрос с электроснабжением небольших объектов, расположенных вдали от централизованных электросетей.
Статья, посвященная выбору ветрогенератора для частного дома, подробно обсуждает аспекты выбора этого интересного устройства.
Разнообразие конструкций ветряков
С точки зрения конструктивных особенностей, устройства можно разделить на несколько категорий, хотя все их разновидности можно условно отнести к двум основным типам: вертикальные и горизонтальные.
Классические горизонтальные ветрогенераторы
Эти установки (также называемые пропеллерными или крыльчатыми) обычно имеют от трёх до пяти лопастей, установленных на горизонтальной оси. Вращаясь с высокой скоростью, такие элементы обеспечивают получение максимального количества энергии (коэффициент полезного действия может достигать 0.4).
Принцип работы ветрогенератора
Принцип работы ветрогенератора основывается на вращении лопастей под действием ветра. Этот процесс можно охарактеризовать следующим образом:
1. Ветер попадает на лопасти, расположенные на высоте.
2. В результате действия ветра лопасти начинают вращаться, приводя в движение ротор генератора.
3. Вращение ротора создает электромагнитное поле между магнитами в статоре.
4. Эффект электромагнитной индукции в обмотках статора приводит к образованию переменного электрического тока.
5. Этот ток проходит через выпрямитель, где преобразуется из переменного в постоянный.
6. Затем ток подается на инвертор, преобразующий его в переменный с частотой 50 или 60 Гц.
7. В завершение, электроэнергия поступает в сеть, где ей можно пользоваться.
Как правильно выбрать ветрогенератор для дома?
Выбор ветрогенератора для частного дома зависит от множества факторов, включая потребности в энергии, бюджет, место установки и климатические условия. Ниже приведен подробный гайд по выбору ветрогенератора:
1. Мощность. Определите, сколько электроэнергии вам необходимо для удовлетворения всех бытовых потребностей. Учтите все электроприборы, которые вы используете, и их суммарную мощность. Рекомендуется добавить небольшой запас для увеличения потребления в будущем.
2. Тип ветрогенератора. Существуют два основных типа ветрогенераторов — горизонтальные и вертикальные. Горизонтальные ветрогенераторы чаще всего обладают более высокой производительностью, но им требуется определённое направление ветра для эффективной работы. Вертикальные ветрогенераторы менее производительны, но могут функционировать в любых условиях и требуют меньше пространства для установки.
3. Размер ротора. Размер ротора непосредственно определяет производительность генератора. Чем больший ротор, тем больше энергии он может производить. Тем не менее, большие ветрогенераторы стоят дороже и нуждаются в большем пространстве для установки. Выберите размер ротора, подходящий для ваших энергетических нужд и бюджета.
4. Материал лопастей. Лопасти могут быть выполнены из различных материалов, таких как пластик, алюминий или углерод. Углеродные лопасти отличаются лёгкостью и прочностью, но они более дороги, чем алюминиевые, которые, в свою очередь, тяжелей. Пластиковые лопасти являются самыми бюджетными, но менее надёжными и долговечными. Поэтому выберите материал лопастей в зависимости от твоих финансовых возможностей и требований к долговечности.
5. Инвертор. Устройство, которое преобразует переменный ток (AC) от ветрогенератора в постоянный ток (DC) для зарядки аккумуляторов и питания электроприборов. Инвертор может быть встроенным в генератор или отдельным устройством.
6. Место установки. Важно выбрать место для установки ветрогенератора, которое обеспечит достаточную скорость ветра для его эффективного функционирования. Лучше всего устанавливать ветрогенераторы на возвышенных участках, где отсутствуют преграды для ветра и где наблюдается стабильный поток воздушных масс.
7. Климатические условия. Учитывайте климатические условия в своём регионе. Если вы живёте в районе с сильными ветрами, вам может подойти ветрогенератор с более высоким коэффициентом полезного действия. Для регионов со слабыми ветрами может потребоваться установка нескольких дополнительных турбин или использование альтернативных источников энергии.
8. Бренд и гарантия. Выбирайте ветрогенератор от надёжного производителя. Обратите внимание на гарантии, предоставляемые производителем, и наличие сервисных центров в вашем районе.
9. Стоимость. Необходимо учесть свой бюджет и определить, сколько вы готовы вложить в установку ветрогенератора.
После анализа всех этих факторов, вы сможете выбрать ветрогенератор, который наилучшим образом соответствует вашим нуждам и возможностям.
Заключение о покупке ветрогенераторов в России
В статье «Бросим надежды на ветер» наш собеседник выразил категоричное мнение о том, что в России не умеют производить ветрогенераторы мегаваттного класса, и если будет принято решение о создании мощных ветропарков, то оборудование придётся закупать у крупных производителей из Германии, Дании и США. Чтобы рассмотреть альтернативные мнения, мы пригласили в редакцию руководителей проекта «Новый ветер» Вениамина Нырковского и Андрея Кулакова. Основная задача их проекта — интеграция отечественных научных и промышленных возможностей для создания российских моделей ветрогенераторов.
«Цель нашего проекта— развить ветроэнергетику в России как самостоятельную отрасль машиностроения, — говорит Андрей Кулаков, — однако мы пришли к этому выводу не сразу. Предварительные расчёты показывают, что для достижения 4,5% ‘зеленой электроэнергии’ к 2025 году, потребуется построить ветропарки общей мощностью 8−10 ГВт. Но как же получить эти 5000 ветрогенераторов, если мощности машиностроителей Европы, Индии и Китая заняты ‘внутренними’ заказами? Ответ очевиден: нужно научиться производить их здесь, в России.»
Возможностей для этого в стране хватает. Профессиональные навыки по работе с металлом, а ветрогенераторы — это в первую очередь металлические конструкции, у наших мастеров на высоком уровне.
Получить лицензию? Мы объездили практически всю Европу от Южной Австрии до Нидерландов и поняли, что купить лицензию на выгодных для себя условиях не получится. Первое — это морально устаревшие конструкции, их возраст не менее десяти лет, а технологический прогресс в этой области так быстр, что десятилетие — это целая эпоха. Второе — условия лицензии ограничат нас в рамках, как будто мы купили не лопату, а черенок от лопаты. Нам ограничат рынок сбытач, и мы не сможем продавать продукцию за пределами России. Нам навяжут производителей генераторов, мультипликаторов, лопастей, системы управления и подшипников. Именно в этой продукции сосредоточены основные высокие технологии, но в лицензию они не входят, составляя более 50% от стоимости всей установки. Остаются только башня, корпус гондолы и ступица. За это с нас попросят не меньше 10 миллионов. Есть ли в этом смысл?
Постепенная эволюция и доступные технологии
Вопреки скептическим мнениям о возможностях нашей науки и промышленности, мы пришли к выводу, что в России можно создать современные мощные ветрогенераторы, — продолжает Вениамин Нырковский. Единственное, что, скорее всего, не под силу нашей стране — это многоступенчатый мультипликатор с его прецизионной механикой. В стране нет таких производств, а их создание потребует миллиарды долларов. Но и в этой ситуации можно найти выход.
Ветер — это непостоянная величина. Преобразование непостоянной ветряной энергии в условно-постоянный электрический ток и передача его в сеть — одна из важнейших проблем ветроэнергетики. В ветряках, которые использовались до 2000 года, в основном применялись асинхронные генераторы, которые работают на основе того, что скорость вращения вала и магнитного поля в обмотках ротора не совпадают. Эти генераторы автоматически синхронизируются с сетью, но традиционно их старались поддерживать на постоянной скорости. Недостатки такой системы заключаются в том, что, если в системе генерации количество асинхронных генераторов превышает 25%, сеть начинает работать нестабильно, что стало проблемой для Германии с её высокими показателями ветровой генерации. Вдобавок, стремление удержать вращение лопастей с постоянной скоростью приводит к снижению их КПД. В современных ветроустановках скорость вращения в процессе работы может изменяться в 2-3 раза. Поэтому пришлось перейти на синхронные генераторы. Однако возникла проблема: они не синхронизировались с сетью и подавали на неё переменную частоту и напряжение, отражая тем самым колебания скорости вращения. Вопрос был решён с развитием силовой электроники — появились мощные транзисторы и тиристоры, которые могут пропускать через себя мегаватты энергии. Теперь ток от генератора поступает в преобразователь, собранный на основе подобной электроники, а затем оттуда уходит в сеть, уже с фиксированной частотой и напряжением.
На сегодняшний день около 17% представленных на рынке ветряков работают по системе direct drive, обходящейся вовсе без мультипликатора. У данной схемы есть один большой плюс — минимальное количество движущихся частей, что повышает надежность конструкции и снижает потери энергии. Однако есть и значимый минус: генератор, вал которого вращается с тем же числом оборотов, что и ветроколесо, должен быть довольно крупным. Для ветрогенератора мощностью два мегавата, использующего многоступенчатый редуктор, параметр генератора составляет около 1.5 метров в диаметре и весит около 10 тонн. Для системы прямого приводания той же мощности его диаметр достигает более 7 метров, а вес составляет около 60 тонн. Стоит отметить, что Россия является одной из немногих стран, способны производить такие крупные генераторы. Однако подобные агрегаты предназначены для гидроэлектростанций и условия их эксплуатации сильно отличаются, что связано с различиями в динамике колебания энергии. Кроме того, перемещение 60-тонного генератора представляет собой довольно сложную задачу, особенно при необходимости монтирования его на башне – для этого нужна специальная крановая техника, транспортировка которой также является нетривиальной задачей.
