Kinetični vetrni generator: naprava, princip delovanja, uporaba

Sodoben kinetični vetrni generator vam omogoča, da izkoristite moč zračnih tokov in jo pretvorite v električno energijo.V ta namen obstajajo tovarniško izdelani in domači modeli naprav, ki se uporabljajo tako v industriji kot v zasebnih gospodinjstvih.

Povedali vam bomo, kako so zasnovane vetrne turbine te vrste, in vam predstavili značilnosti naprave in možnosti oblikovanja. Članek, ki smo ga predlagali, prikazuje prednosti in slabosti vetrne elektrarne. Domači mojstri bodo tukaj našli koristne diagrame in priporočila za montažo.

Načelo delovanja vetrnega generatorja

Delovanje vetrnega generatorja temelji na pretvorbi kinetične energije vetra v mehansko energijo rotorja, ki se nato pretvori v električno energijo.

Načelo delovanja je precej preprosto: vrtenje rezil, pritrjenih na os naprave, vodi do krožnih gibov rotorskega generatorja, s čimer se proizvaja električna energija.

Energija vetra je eden najbolj obetavnih sektorjev obnovljive energije. Sodobne zasnove omogočajo stroškovno učinkovito izkoriščanje moči zračnih tokov za proizvodnjo električne energije

Nastali nestabilni izmenični tok "odteka" v krmilnik, kjer se pretvori v enosmerno napetost, ki lahko polni baterije. Od tam se moč napaja v pretvornik, kjer se pretvori v izmenično napetost z indikatorjem 220/380 V, ki se napaja potrošnikom.

Moč vetrnega generatorja je neposredno odvisna od moči zračnega toka (N), izračunane po formuli N=pSV³/2, kjer je V hitrost vetra, S delovno območje, p gostota zraka.

Naprava za generator vetra

Različne izvedbe vetrnih generatorjev se med seboj bistveno razlikujejo.

Spodnji diagram prikazuje notranjo zgradbo klasičnega horizontalnega vetrnega generatorja. Takšni modeli se najpogosteje uporabljajo tako v industriji kot v vsakdanjem življenju.

Industrijske naprave so zapletena večmetrska struktura, katere namestitev zahteva temelj, medtem ko je gospodinjski model lahko sestavljen iz najmanj komponent (DC elektromotor 3-12V, električni kondenzator 1000 uF 6V, silicijeva usmerniška dioda).

Tipična namestitev vključuje naslednje komponente:

• generator izmeničnega toka (moč je odvisna od hitrosti vetrnih tokov);
• rezila, ki prenašajo vrtenje na gred generatorja (pogosto so dodatno opremljena z menjalniki in stabilizatorji hitrosti rotorja);
• jambor vetrnice, na katerega so pritrjene lopatice (višje kot so ti elementi, več vetrne energije lahko sprejmejo);
• baterije, ki shranjujejo energijo, kar omogoča njeno uporabo, ko je vetra malo ali nič. Baterija opravlja tudi funkcijo stabilizacije električne energije, ki jo dovaja generator;
• krmilnik - pretvornik izmenične napetosti, prejete iz generatorja v enosmerno napetost, ki se uporablja za polnjenje akumulatorja. Krmilnik se krmili z vrtenjem lopatic, kar vam omogoča, da upoštevate, kje se premikajo zračni tokovi;
• AVR je avtomatska preklopna naprava, ki povezuje vetrni generator z drugimi viri energije (sončni kolektorji, električno omrežje);
• senzor smeri vetra - naprava, ki rezilom olajša iskanje toka vetra;
• inverter za pretvarjanje enosmernega toka iz baterij v izmenično napetost, ki se uporablja v elektrokomunikacijah.

Za boljše izpolnjevanje potreb uporabnikov je naprava lahko opremljena z različnimi vrstami pretvornikov:

• naprave z invertersko modificiranim sinusnim valom, ki proizvaja kvadratni sinusni val. Naprave te vrste so primerne za grelne elemente, žarnice z žarilno nitko in druge naprave, ki so nezahtevne za kakovost omrežja;
• trifazni napetostni pretvorniki za trifazna električna omrežja;
• čiste sinusne enote, ki proizvajajo energijo za bolj občutljivo opremo;
• omrežni pretvorniki, ki lahko delujejo brez baterij. Takšne naprave so zasnovane za tokokroge, ki vključujejo električno energijo, ki vstopa neposredno v splošno omrežje.

Pri izbiri modelov bodite pozorni na vrsto pretvornika.

Vrste vetrnih generatorjev

Pri razvrščanju vetrnih turbin je mogoče upoštevati naslednje značilnosti:

• imenovanje;
• oblikovne značilnosti;
• število rezil;
• materiali, iz katerih so izdelani;
• vrtilna os;
• korak propelerja.

Oglejmo si podrobneje dve najpogosteje uporabljeni klasifikaciji.

Razvrstitev vetrnih generatorjev po namenu

Obstajajo vrste vetrnih turbin, ki se razlikujejo po namenu. Od tega so odvisne glavne značilnosti naprav, na primer moč.

Industrijske vetrne turbine

Takšne naprave namestijo velika energetska podjetja ali država za dobavo električne energije industrijskim objektom.Turbine z močjo več deset megavatov so običajno nameščene v vetrovnih območjih (odprti griči, obale).

Vetrne elektrarne, kjer je nameščenih na desetine vetrnih turbin, se nahajajo ne samo na kopnem, ampak tudi v plitvi vodi. Nastala električna energija se običajno uporablja v industrijske namene

Proizvedena električna energija gre praviloma neposredno v omrežje, za stabilnost in regulacijo hitrosti vrtenja lopatic pa so vetrne turbine opremljene z dodatnimi mehanizmi.

Komercialni vetrni generatorji

Takšne naprave se uporabljajo za proizvodnjo električne energije za prodajo ali za zagotavljanje električne energije za proizvodnjo v regijah z električnim omrežjem majhne moči (ali brez električnega omrežja). Takšne vetrne elektrarne so sestavljene iz skupine električnih generatorjev, ki imajo lahko različne moči.

Energija iz komercialnih naprav se lahko napaja neposredno v električne naprave ali pa se uporablja za polnjenje velikega niza baterij, kjer se shrani in pretvori v napajanje omrežja.

Gospodinjske vetrne naprave

Enote z nizko močjo se uporabljajo za zasebno uporabo. V skladu s pravili lahko lastniki zemljišč brez dovoljenja oblasti postavijo vetrne turbine z jambori, višjimi od 25 metrov, za višje jambore pa je treba pridobiti posebno dovoljenje.

Vetrnice nizke in srednje moči lahko služijo kot vir električne energije za koče, dače, podeželske hiše in kmetije.

Gospodinjski vetrni generatorji so primerni za polnjenje akumulatorjev z napetostjo 12/24/48V, katerih energija se pretvori v napetost 220V.Takšne naprave omogočajo popolno ali delno rešitev problema oskrbe z električno energijo majhnih objektov, ki se nahajajo daleč od centraliziranega električnega omrežja.

S smernicami za izbiro vetrnega generatorja za oskrbo zasebnega doma z energijo Preberi članekposvečeno tej zanimivi problematiki.

Vrste konstrukcij vetrnih turbin

Glede na oblikovne značilnosti lahko naprave razdelimo tudi v več kategorij, čeprav so vse sorte razdeljene na dve glavni vrsti: navpično in vodoravno.

Klasične horizontalne vetrne turbine

Takšne naprave (imenujejo jih tudi propeler ali krilo) imajo običajno 3-5 lopatic, nameščenih na vodoravni osi. Takšni elementi, ki se vrtijo pri visoki hitrosti, vam omogočajo, da pridobite največjo količino energije (KIEV do 0,4).

Poleg tega je količina proizvedene električne energije v veliki meri odvisna od višine naprave (višja kot je, večji je rezultat).

Horizontalna vetrna turbina uporablja dvig, ki se pojavi, ko se tlak poveča na točki, kjer neposredni zračni tok prehaja skozi lopatice in se odbija od teh elementov.

Te naprave so običajno nameščene v vetrnih elektrarnah, kjer se pridobiva energija za industrijsko in komercialno uporabo, vendar so primerne tudi za domačo uporabo.

Zanimiva rešitev za horizontalno vetrnico je model z enim rezilom, o njegovih značilnostih vas bo seznanil naslednji izbor fotografij:

Vertikalne vetrne turbine

Delovni element takih naprav je vrteče se vetrno kolo. Zaradi svojih konstrukcijskih značilnosti se takšne konstrukcije razlikujejo po vrsti ("Barrel", "Savonius").

Naslednji izbor fotografij vam bo predstavil načelo Savoniusove vertikalne generatorske turbine:

Kljub nizkemu indeksu KIEV (0,1-0,2) se pogosto uporabljajo: vertikalne instalacije delujejo na turbulentnih zračnih tokovih, zato jih je mogoče postaviti tudi na območjih, kjer redko pihajo močni vetrovi.

Delovanje vertikalnih vetrnih generatorjev ni odvisno od smeri vetrov. Enostavne so za namestitev in upravljanje, takšne naprave pa je mogoče namestiti blizu tal

Za izboljšanje učinkovitosti vertikalnih vetrnih turbin proizvajalci pogosto povečajo njihove dimenzijske parametre, kar povzroči znatno povečanje stroškov. Ker so takšne naprave precej krhke, zahtevajo večjo zaščito pred orkani in drugimi naravnimi pojavi.

Vetrni generatorji "Rotor Daria"

Takšne naprave spadajo v kategorijo vertikalnih vetrnih turbin, vendar imajo izrazite razlike v zasnovi. Zahvaljujoč takšnim lastnostim se doseže zmanjšanje hrupa, poveča pa se tudi KIEV, ki se približuje zmogljivosti horizontalnih modelov.

Nizkotlačna turbina z osjo vrtenja pravokotno na zrak, ki jo je leta 1931 predlagal francoski oblikovalec letal Georges Darrieus, je našla široko uporabo v vetrni energiji.

Pomanjkljivost takšnih modelov je nizek začetni navor (zaradi prisotnosti samo dveh rezil se naprava težko zažene sama). Za rešitev problema se pogosto uporablja hibrid "Savonius + Darier".

Jadralne vetrne naprave

Za takšne naprave se lahko uporablja princip gradnje tako vertikalnih kot horizontalnih vetrnih turbin. Glavna konstrukcijska značilnost je vetrno kolo, prekrito s številnimi lopaticami ali jadri, medtem ko takšni modeli nimajo aerodinamičnega profila.

Obstaja veliko modelov jadralnih vetrnih generatorjev, ki se razlikujejo po številu lopatic, teži in moči. Vse te parametre je treba upoštevati pri izbiri naprave

Kljub dejstvu, da je za jadralne naprave značilna nizka hitrost in nizka učinkovitost, se pogosto uporabljajo v nacionalnem gospodarstvu.Takšne zasnove so enostavne za namestitev in upravljanje, kombinacija visokega navora in nizke hitrosti pa vam omogoča neposredno poganjanje različnih uporabnih mehanizmov, na primer črpalke za črpanje vode.

Naslednja galerija vas bo seznanila z enim od modelov jadralnih vetrnih turbin, implementiranih v praksi:

Generator za vetrno turbino

Vetrne turbine za delovanje potrebujejo običajne trifazne generatorje. Zasnova takšnih naprav je podobna modelom, ki se uporabljajo na avtomobilih, vendar ima večje parametre.

Inštrumenti vetrnih turbin imajo trifazno statorsko navitje (spoj zvezda), iz katerega izhajajo tri žice, ki gredo do krmilnika, kjer se izmenična napetost pretvori v enosmerno.

Rotor generatorja za vetrno turbino je izdelan iz neodimovih magnetov: v takih izvedbah je neprimerno uporabljati električno vzbujanje, saj tuljava porabi veliko energije

Za povečanje prometa se pogosto uporablja množitelj.Ta naprava omogoča povečanje moči obstoječega agregata ali uporabo manjše naprave, kar zniža stroške namestitve.

Multiplikatorji se pogosteje uporabljajo v vertikalnih vetrnih generatorjih, pri katerih je proces vrtenja vetrnega kolesa počasnejši. Pri vodoravnih napravah z visoko hitrostjo vrtenja rezila multiplikatorji niso potrebni, kar poenostavi in ​​poceni zasnovo.

Posebnosti montaže in namestitve vetrnih generatorjev iz pralnega stroja in vetrne turbine iz avtomobilskega generatorja je podrobno opisano v člankih, ki jih priporočamo.

Prednosti in slabosti vetrnega generatorja

Podrobno razmislimo o prednostih in slabostih vetrnih turbin, saj je od njih odvisna odločitev o nakupu vetrne turbine ali opustitvi.

Prednosti vetrnih naprav

Prednosti naprav, ki uporabljajo vetrno energijo, so:

• Prijaznost do okolja. Naprave uporabljajo obnovljivi vir energije, ki se lahko uporablja neprekinjeno brez povzročanja škode za okolje. Električna energija, proizvedena z vetrnimi generatorji, nadomešča energijo termoelektrarn in s tem zmanjšuje emisije toplogrednih plinov.
• Vsestranskost. Vetrne elektrarne lahko zgradimo skoraj povsod: na ravninah, v gorah, na poljih, na otokih in celo v plitvih vodah. Vetrna energija je še posebej dragocena v oddaljenih krajih, kjer je težko razširiti konvencionalne električne komunikacije. Vetrni generatorji v tem primeru omogočajo vzpostavitev oskrbe z energijo za objekte, kar zagotavlja njegovo neodvisnost od naključnih dejavnikov (na primer, gorivo ni pravočasno dostavljeno).
• Učinkovitost uporabe. Sodobni modeli predelajo energijo tudi šibkih vetrov - minimalna meja je 3,5 m/s.Na ta način je mogoče dovajati dodatno električno energijo v centralizirano omrežje, pa tudi organizirati napajanje posameznih objektov (otočnih ali lokalnih) ne glede na njihovo moč.
• Vredna alternativa tradicionalnim virom. Stacionarne vetrne elektrarne lahko v celoti zagotovijo električno energijo stanovanjski zgradbi ali celo manjšemu industrijskemu objektu. V tem primeru bo turbina akumulirala potrebno zalogo električne energije v baterijah, namenjenih za uporabo v mirnih obdobjih.
• Varčno. V primerjavi s tradicionalnimi viri električne energije (plin, šota, premog, nafta) lahko kolesarske turbine bistveno zmanjšajo stroške energije. V mnogih primerih je gradnja vetrne elektrarne cenejša od priključitve na obstoječe elektroenergetske sisteme.

Uporaba vetrnih turbin je lahko alternativa uporabi dragih dizel generatorjev, s čimer se dodatno zmanjšajo stroški transporta in skladiščenja goriva do 80 %.

Povprečna moč vetrne turbine se večkrat razlikuje od konične obremenitve. Vetrni generator je odgovoren samo za količino proizvedene energije v določenem časovnem obdobju pri povprečni mesečni hitrosti vetra, ki je značilna za določeno območje.

Za natančnejšo oceno vetrnih virov lahko uporabite posebej izpeljane podatke (Weibullove parametre). Ti kazalniki odražajo porazdelitev vetrov različnih moči, značilnih za določeno območje. Te informacije je pomembno upoštevati pri razvoju projektov vetrnih elektrarn z zmogljivostjo več deset MW.

Moč, ki jo ustvari vetrna turbina, je sorazmerna s potrojno hitrostjo vetra.Zato je ta indikator zelo majhen, ko so tokovi vetra šibki, ko pa se okrepijo, se močno poveča. Zaradi spremenljivosti smeri in hitrosti vetra je treba v zasnovo vetrne turbine vključiti stabilizacijske komponente.

Pravila in formule za izračun moči vetrnega generatorja so podane tukaj, priporočamo, da se seznanite z zelo koristnimi informacijami.

V majhnih avtonomnih sistemih njihovo funkcijo opravljajo baterije, katerih polnjenje se začne povečevati takoj, ko moč vetrnega generatorja preseže obremenitev.

Ko se obremenitev poveča, se lahko baterija izprazni. To lastnost je pomembno upoštevati pri izbiri gospodinjskega agregata, njegova moč mora ustrezati mesečni ali letni porabi električne energije.

Treba je opozoriti, da učinkovito uporabo vetrnih tokov olajšajo različne zasnove vetrnih generatorjev.

Horizontalne turbine delujejo dobro na ravnih območjih, kjer je veliko vetra, medtem ko vertikalne turbine delujejo bolje v regijah z turbulentnimi tokovi, ki jih najdemo nizko pri tleh (zgornji hribi, gorske verige).

Glavne slabosti vetrnih turbin

Hkrati imajo vetrne elektrarne tudi svoje negativne strani:

• Velikost moči vetra je težko predvideti vnaprej, saj se pogosto spreminja. Zaradi tega je priporočljivo razmisliti o varnostni mreži z zagotovitvijo rezervnega vira energije (sončni kolektorji, priklop na električno omrežje).
• Navpične naprave so v nevarnosti uničenja lopatic propelerja zaradi učinkov centrifugalnih sil, ko se lopatice vrtijo okoli glavne osi. Zaradi tega učinka se pomembni strukturni elementi sčasoma deformirajo in uničijo, mehanizem pa odpove.
• Bolje je namestiti vetrne turbine v prostem prostoru, saj lahko bližnje zgradbe "zadušijo" veter in tvorijo "mrtvo" zračno cono.
• Za prihranek odvečne energije iz vetrnih turbin je treba v zasnovo vključiti uporabo baterij in drugih dodatnih naprav, ki služijo za pretvorbo proizvedene električne energije v tok z ustreznimi porabniškimi lastnostmi.
• Vetrni generatorji med delovanjem proizvajajo hrup, ki lahko povzroči nelagodje ljudem in prestraši živali. Rezila naprav lahko povzročijo tudi smrt ptic, ki letijo proti njim.
• Po mnenju nekaterih strokovnjakov lahko vetrne turbine poslabšajo sprejem radijskih in televizijskih oddaj.

Negativni vidiki lahko vključujejo tudi precej visoke stroške takšnih enot, vendar nizki stroški vira energije v veliki meri izravnajo ta dejavnik.

Sheme in metode povezovanja

Čeprav lahko vetrna turbina deluje avtonomno, je veliko boljše rezultate mogoče doseči s kombiniranimi shemami, ki združujejo vetrno turbino s sončnimi kolektorji, centraliziranim električnim omrežjem, dizelskim ali plinskim virom energije.

Avtonomno delovanje. V tem primeru je nameščena ena sama instalacija, s pomočjo katere se zajema in akumulira energija vetra, ki se nato pretvori v električni tok, ki ga potrebujejo porabniki.

Diagram prikazuje najpreprostejši način uporabe vetrnega generatorja, ki ga je priporočljivo uporabljati v regijah, kjer nenehno pihajo močni vetrovi.

Kombinacija vetrnega generatorja s sončnimi kolektorji. Kombinirana možnost velja za zanesljivo in učinkovito metodo oskrbe z električno energijo. Če ni vetra, deluje baterija sončni kolektorji, v oblačnem vremenu in ponoči pa polnjenje poteka iz vetrne turbine.

Idealna možnost za zasebni dom ali kmetijo, ki se nahaja daleč od centraliziranega električnega omrežja. Ta kombinirana shema omogoča uporabo dveh vrst obnovljivih virov energije

Kombinirano delovanje vetrnega generatorja in električnega omrežja. Vetrno turbino je mogoče kombinirati z električnimi komunikacijami.

Ta ureditev je značilna za industrijske in komercialne naprave. Za nekatere modele gospodinjskih vetrnih generatorjev je predvidena tudi povezava z električnimi komunikacijami

Če je proizvedena električna energija v presežku, gre ta v centralizirano omrežje, v primeru pomanjkanja pa je možna uporaba električnega toka iz splošnega energetskega sistema.

Nianse uporabe vetrnih generatorjev

Trenutno se vetrne turbine uporabljajo v različnih sektorjih nacionalnega gospodarstva. Industrijske modele različnih zmogljivosti uporabljajo naftna in plinska podjetja, telekomunikacijska podjetja, postaje za vrtanje in geološko raziskovanje, proizvodni obrati in vladne agencije.

Vetrna turbina se lahko uporablja kot dodaten vir energije v bolnišnicah in drugih ustanovah za zagotavljanje neprekinjenega napajanja v izrednih razmerah.

Posebej velja izpostaviti pomen uporabe vetrnih turbin za hitro obnovo poškodovane električne energije med kataklizmami in naravnimi nesrečami. V ta namen enote Ministrstva za izredne razmere pogosto uporabljajo vetrne generatorje.

Gospodinjske vetrne turbine so odlične za organizacijo razsvetljave in ogrevanja v vikend skupnostih in zasebnih hišah, pa tudi za gospodarske namene na kmetijah.

Upoštevati je treba nekaj točk:

• Naprave do 1 kW lahko zagotovijo zadostno količino električne energije le v vetrovnih krajih.Običajno je energija, ki jo ustvarijo, dovolj le za napajanje LED razsvetljave in napajanje majhnih elektronskih naprav.
• Za popolno oskrbo dacha (podeželske hiše) z električno energijo boste potrebovali vetrni generator z močjo nad 1 kW. Ta indikator je dovolj za napajanje svetlobnih naprav, pa tudi računalnika in televizorja, vendar njegova moč ni dovolj za oskrbo z električno energijo sodobnega hladilnika, ki deluje 24 ur na dan.
• Za oskrbo koče z energijo boste potrebovali vetrno turbino z zmogljivostjo 3-5 kW, vendar tudi ta številka ne bo zadostovala za ogrevanje hiš. Za uporabo te funkcije potrebujete močno možnost, ki se začne od 10 kW.

Pri izbiri modela morate upoštevati, da se indikator moči, naveden na napravi, doseže le pri največji hitrosti vetra. Tako bo 300V inštalacija proizvedla določeno količino energije le pri hitrosti zračnega toka 10-12 m/s.

Za tiste, ki želijo zgraditi vetrni generator z lastnimi rokami, ponujamo naslednji članek, ki podrobno ponuja koristne informacije.

Zaključki in uporaben video na to temo

Spodnji video prikazuje podrobne informacije o principu delovanja in zasnovi gospodinjskega modela vetrnega generatorja:

Vetrni generator je odličen vir proizvodnje električne energije, ki ga bodo cenili predvsem prebivalci oddaljenih krajev. Različna ruska in tuja podjetja ponujajo široko paleto vetrnih konstrukcij, poleg tega pa lahko gospodinjske modele izdelate z lastnimi rokami.

Napišite komentarje v spodnji blok. Povejte nam, kako ste zgradili vetrni generator na svojem posestvu ali kako deluje vetrna turbina vaših sosedov.Postavljajte vprašanja, delite uporabne informacije in fotografije na temo.