Принцип работы ветрогенератора

Где купить

В случае появления потребности приобрести контроллер для ветрогенератора, можно пойти несколькими путями, это:

• В регионе проживания, найти дилера компании, выпускающей подобные изделия.
• Обратиться в торговую организацию, специализирующуюся на продажах технических устройств, связанных с альтернативными источниками энергии.
• Воспользоваться интернетом и найти поставщика модели контроллера, которая интересует пользователя.

У каждого варианта есть свои достоинства и недостатки. Так в случае приобретения через интернет, контроллер будет стоит дешевле, но о помощи специалистов с его выбором, рассчитывать не приходится. К тому же, в этом случае, вряд ли удастся воспользоваться гарантией, даваемой производителем, в случае необходимости выполнения гарантийного ремонта.

При покупке у дилера или в специализированной компании, специалисты помогут выбрать требующуюся в конкретном случае модель контроллера, но такая покупка обойдется значительно дороже.

Использование энергии ветра

Использование энергии ветра имеет важное преимущество перед другими способами выработки электрического тока. Источник достается бесплатно, имеет неиссякаемую энергию, способен обеспечить большое количество потребителей

Проблема возникает на стадии приема и обработки энергии — ветер имеет крайне нестабильную природу, особенно в условиях России.

Огромные возможности источника сильно распылены в пространстве, собрать их в одной точке весьма сложно. Для этого требуется использовать целый комплекс оборудования и аппаратуры, позволяющей принимать, преобразовывать и накапливать энергию на случай отсутствия ветра. Необходимость использования множества приборов и устройств является причиной дороговизны ветрогенераторов и заставляет задумываться об изменении технологии обработки энергии.

Чаще всего звучат предложения отказаться от использования аккумуляторов и отдавать полученную энергию прямо в сеть. Срок службы АКБ невелик, возможность перезаряда снижает его еще больше. На Западе практика поставок энергии от частных ветряков в сеть практикуется уже достаточно долгое время.

Ветряк в виде дерева

Наблюдение за природой, как понятно с выше наведённого примера очень вдохновляет современных инженеров. Еще одним подтверждением этому, есть эта конструкция напоминающая форму дерева. Представила эту необычную концепцию, представители компании NewWind. Разработка получила название Arbre à Vent высота его составляет три метра, а оснащён аппарат 72-мя вертикальными мини-турбинами, что могут работать даже на ветру скорость которого сотавляет 7 км/ч или 2 м/с. Ветряк в виде дерева работает очень тихо, кроме этого выглядит, достаточно реалистично, не портя своим внешним видом, окружающий экстерьер города или загородного участка.

Лопасти ветрогенератора

Конструкция лопастей турбины – это еще одна область в которой модели разных производителей отличаются друг от друга. Лопасть во время вращения подвергается тем же воздействиям, что и  крыло самолета. Однако в их работе существуют и небольшие отличия. Если у лопастей постоянный шаг, то их оптимальный режим работы достигается при одной заданной скорости вращения. Значит у слишком быстро или слишком медленно вращающейся турбины эффективность снижается

Комплект небольшого ветрогенератора для яхты — генератор, лопасти, резисторы для рассеивания мощности. Контроллер заряда приобретается отдельно

Немецкая компания Superwind выпускает ветрогенераторы с изменяемым шагом, величина которого зависит от скорости вращения. Чем быстрее вращается турбина, тем больше лопасти поворачиваются вокруг своей оси и сильнее замедляют вращение. Компания утверждает, что эта система реагирует очень быстро и может защитить систему в случае отказа электронного торможения.

Лопасти – основная причина шума и вибрации, исходящих от ветрогенератора. Если скорость вращения кончиков слишком высока, то обтекающий их поток воздуха становится нестабильным, возникает турбулентность и лопасти начинают вибрировать. Известен случай, когда лопасти установленного на яхте ветрогенератора издавали такой вой на высоких скоростях вращения, что соседние лодки были вынуждены покинуть якорную стоянку.

Существует специальный коэффициент (TSR), характеризующий во сколько раз кончик лопатки турбины движется быстрее, чем реальная скорость ветра. Например, если турбина имеет TSR равный 16 — при ветре в 20 узлов концы лопасти будут двигаться со скоростью 320 узлов, а при небольшом шторме их скорость приблизится к скорости звука. Для ветрогенератора D400 производитель указывает TSR всего 3,9. Это говорит о том, что турбина спроектирована для гораздо более медленного вращения, чем модели других производителей. D400 не самый легкий ветрогенератор, вес только чистой меди в его обмотках почти 1 кг. Но его преимущество в устойчивости, надежности и относительно низких оборотах вращения

Некоторые производители указывают для своих машин максимальную скорость ветра. Однако к этой характеристике следует относится с недоверием. В ветровом потоке наиболее разрушительным является  уровень турбулентности, а его нельзя не предсказать, ни легко измерить.

Расчет ветрогенератора

Для того чтобы правильно рассчитать номинальную мощность ветряного генератора, необходимо соблюдать определенные правила.

Перед выбором ветрогенератора необходимо определить скорость и направление ветра, наиболее характерные в месте предполагаемого монтажа. Следует помнить, что вращение лопастей начинается при минимальной скорости ветра 2 м/с. Максимального КПД удается достичь, когда этот показатель достигает значения от 9 до 12 м/с. То есть, для того чтобы обеспечить электричеством небольшой загородный дом, потребуется генератор с минимальной мощностью 1 кВт/ч и ветер со скоростью не менее 8 м/с.

Скорость ветра и диаметр винта оказывают непосредственное влияние на мощность, вырабатываемую ветряной электроустановкой. Точно рассчитать эксплуатационные характеристики той или иной модели возможно с помощью следующих формул:

1. Расчеты в соответствии с площадью вращения выполняются следующим образом: P = 0,6 х S х V3, где S – площадь, перпендикулярная направлению ветра (м2), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генераторной установки (кВт).
2. Для расчетов электроустановки по диаметру винта применяется формула: Р = D2 х V3/7000, в которой D является диаметром винта (м), V – скорость ветра (м/с), Р – мощность генератора (кВт).
3. При более сложных вычислениях учитывается плотность воздушного потока. Для этих целей существует формула: P = ξ х π х R2 х 0,5 х V3 х ρ х η_ред х η_ген, где ξ является коэффициентом использования ветровой энергии (безмерная величина), π = 3,14, R – радиус ротора (м), V – скорость воздушного потока (м/с), ρ – плотность воздуха (кг/м3), η_ред – КПД редуктора (%), η_ген – КПД генератора (%).

Таким образом, электроэнергия, производимая ветрогенератором, возрастает количественно в кубическом соотношении с повышающейся скоростью ветрового потока. Например, при повышении скорости ветра в 2 раза, выработка ротором кинетической энергии возрастет в 8 раз.

При выборе места установки ветрогенератора необходимо отдавать предпочтение участкам без больших построек и высоких деревьев, которые создают преграду для ветра. Минимальное расстояние от жилых домов составляет от 25 до 30 метров, в противном случае шум во время работы будет создавать неудобства и дискомфорт. Ротор ветряка должен быть расположен на высоте, превышающей ближайшие постройки не менее чем на 3-5 м.

Если подключение загородного дома к общей сети не планируется, в этом случае можно воспользоваться вариантами комбинированных систем. Работа ветряной установки будет значительно эффективнее при использовании ее совместно с дизель-генератором или солнечной батареей.

Что брать во внимание, приступая к созданию лопасти для ветряного генератора?

Чем больше длина лопастей, тем медленней они вращаются, но при этом требуют для запуска ветра меньшей силы. Естественно, что и ветровое колесо будет вращаться небыстро.
Ветряное колесо легче запускается с большим количеством лопастей, их количество влияет на отзывчивость под воздействием потоков ветра. При этом понижается скорость вращения и мощность ветрогенератора. По этой причине не делают подобные устройства с 5-6 лопастями.
Шумность работы ветроколеса зависит от его диаметра и скорости вращения

Этот фактор требуется брать во внимание при подборе лопастей ветрогенератора, который планируется смонтировать не далеко от населенного пункта.
Чем выше будет расположено ветроколесо генератора тока, тем больше электрической энергии можно будет получить от него. Оптимальная высота в пределах от 6 до 15 метров

По этой причине ветроколеса домашних генераторов монтируются на крышах домов либо на высоком прочном шесте.

Цены и производители

К выбору ветряной электростанции необходимо подходить основательно. Основными критериями выступают мощность оборудования, тип оси (горизонтальная или вертикальная), а также производитель. Перед покупкой необходимо тщательно изучить технические характеристики и сравнить продукцию разных производителей.

Цены ветрогенераторов российского производства:

Производитель	Цена, тыс. руб.
Ветроэнергетическая компания	30-300
Rkraft	65-908
Ветроэнергетика	78-130
Сапсан-Энергия	149-319
ГРЦ-Вертикаль	204-600

Многие из этих организаций занимаются производством оборудования по индивидуальным заказам, а также оказывают помощь в проектировании и выполнении расчетов.

Цены ветряков для дома зарубежного производства значительно выше. Минимальная стоимость установок составляет 120 тыс. руб. Продукция зарубежных компаний отличается высоким уровнем качества благодаря использованию на производстве высокотехнологичного оборудования. Однако ремонт таких установок будет дорогостоящим, а покупка запчастей может сопровождаться сложностями.

Стоимость заводского ветряка российского производства может варьировать в пределах 30-600 тыс. руб.

Преимущества ветряков заводского производства:

• возможность приобрести устройство в полной комплектации и даже заказать его профессиональную установку;
• обширный выбор производителей и модификаций с различными характеристиками;
• гарантия качества;
• возможность вызова квалифицированного специалиста для осуществления ремонтных работ.

С учетом высокой стоимости заводского оборудования многие владельцы загородных участков отдают предпочтение конструкциям, изготовленным своими руками. На изготовление самодельного ветрогенератора уходит около 3000-5000 руб. Большая часть этой суммы тратится на покупку качественной аккумуляторной батареи, которая способна на протяжении длительного времени удерживать заряд.

Преимущества изготовленных своими руками ветряных электростанций:

• существенная экономия денежных средств;
• при создании самодельного ветряка конструктор будет знать все особенности его строения;
• возможность изготовить основные детали и лопасти для ветрогенератора своими руками из подручных материалов.

Самодельные конструкции, в отличие от заводских ветряных электростанций, выходят из строя гораздо чаще.

Самодельные конструкции ветрогенераторов уступают по качеству и надежности промышленным моделям

Разнообразие горизонтальных ветрогенераторов

Улучшать стандартные установки начали через манипуляцию с количеством лопастей. Привычные три лопасти, в середине 80-х годов, немцы заменили на две. Таких двухлопастные ветрогенераторы работали несколько лет в экспериментальном режиме, но энергию вырабатывали исправно. Некоторые модели оставили, какие-то демонтировали. А в местах с сильным ветром, например на побережье Великобритании, они работают до сих пор.

Причина была в экономии материалов. Именно с этой целью первую такую установку спроектировал американец Путнэм ещё в 1941 году. Она установила рекорд мощности и высоты ветрогенераторов, удерживая его до середины 70-х годов. Производила она 1,25 мВт. Хотя работала с перерывами только до 1946 года.

Однако голландские рационализаторы пошли дальше. Они решили, что если ветрогенератор работает с двумя лопастями, то будет работать и с одной! Кроме них такими моделями заинтересовались в Италии, где в сельской местности несколько однолопастных ветряков работают до сих пор.

В середине 70-х годов, на фоне роста цен на энергоносители, НАСА получило задание разработать наиболее эффективные ветрогенераторы. За несколько лет они воплотили в полигонах 6 концепций разных горизонтальных ветрогенераторов. Все они проходили под индексом MOD, серий от 0А до 5В, и WTS 4.

Янки изголялись по крупному. Все модели были двухлопастные, часть из них ставили против ветра, т.е. воздушный поток сначала обтекал гондолу, а уже потом раскручивал лопасти. Проект WTS 4 удерживал рекорд мощности в течении 20 лет с генератором 4 МВт. А аналогичную модель с генератором на 3 МВт, построили в Швеции, под индексом WTS 3.

Наклонную конструкцию MOD 5A не решились строить, она осталась на бумаге. А MOD 5B работала на Гавайях с 86 по 97 годы.

Отец и сын Болле во Франции, ещё в конце 19-го века запатентовали ветряк, который качал воду. Он мог бы генерировать электричество, но вода была нужнее.

Устройство было чудное, но коммерчески успешное. Часть из них сохранилась до сих пор, а некоторые даже работают.

Уникальность ветряка Болле была в том, что у него было два ряда лопастей. Причём один из них был статором, он имел больше лопаток и находился с наветренной стороны. То есть, ветер сначала обдувал его, а потом уже крутил ротор.

В конец 20-го века эта конструкция получила новый импульс развития, и стала называться концепцией DAWT (Diffuser-Augmented Wind Turbines) или Ветротурбина с увеличенным диффузором.

С помощью этой конструкции изобретатели надеются обойти закон немецкого физика Бетца, который сто лет назад доказал, что из ветра можно извлечь не более 16/27 энергии (примерно 59%).

Несколько экспериментальных моделей ветрогенераторов DAWT были установлены на побережье Японии и в других странах с сильными ветрами.

Было отмечено что мощность установки вырастает, но и нагрузки на конструкцию тоже становятся критическими. Из положительных эффектов отмечают резкое уменьшение шумности и снижение радиолокационных помех.

Только на этом не успокоились голландцы, фирма SheerWind придумала и даже воплотила проект INVELOX, в котором реально проявлялся эффект Вентури.

Согласно этому постулату, скорость упругого потока увеличивается, если он протекает через узкое место. Несколько подобных устройств испытываются в США и Голландии.

В определённый момент было замечено, что за вращающимися лопастями ветряка возникает возмущение воздушного потока. Это очень плохо сказывается на прочности всей конструкции. И в 1992 году запатентовали ветрогенератор с двумя лопастями, вращающимися в противоположные стороны.

Важным преимуществом такой конструкции было в гашении симпатических вибраций. С этим явлением знакомы музыканты, например, струна A на частоте 440 Гц вызовет резонанс струны E на частоте 330 Гц, поскольку они имеют обертон 1320 Гц (3-я гармоника A и 4-я гармоника E). Но несмотря на свою привлекательность, коммерческих продаж этих ветрогенераторов ещё нет.

Однако лет 15 назад инженер Дуглас из США решил разнести лопасти подальше от гондолы с генератором.

А ещё лет через 10, индиец и китаец, тоже инженеры НАСА, пришли к выводу, что можно размещать не два ряда лопастей, а гораздо больше!

В 2018 году они продемонстрировали рабочую установку длиной 12 м, на которой было 12 рядов с лопастями. Причём все они крутили общий ротор. КПД значительно увеличился, и запускаться ветрогенератор стал при меньшей скорости ветра.

А ещё беспокойные умы пытаются экспериментировать с формой лопастей. Из множества чудных форм, наибольшего внимания заслуживает скрученно-завёрнутая лопасть , представленная в 2010 г.,  на выставке инноваций ветроэнергетики, во Франции.

Типы ветрогенераторов

1) Горизонтальные – в форме пропеллера с генератором на оси. В основном бывают от 3 до 6 лопастей. Больше 6 лопастей имеют водяные насосы, где важна не скорость вращения а крутящий момент, сила вращения. Наиболее дешевые для покупателя и простые в производстве. Имеют высокую скорость вращения.

2) Вертикальные – в форме трубчатой вертикальной турбины — ротора на оси с генератором. Более дороги в производстве и цене для потребителя. Имеют меньшую скорость вращения, но могут вращаться при меньшем ветре.

Прежде чем выбрать ветрогенератор, необходимо рассчитать необходимую мощность для нормального обеспечения электропитанием требуемых электроприборов. Исходя из мощности электроприборов необходимо рассчитать суточное электропотребление приборов.

После получения значения постоянного электропотребления электроэнергии в сутки, необходимо подобрать аккумуляторные батареи, для накопления данной электроэнергии. Аккумуляторы также должны иметь не менее 30-50% запас по рабочей емкости, на случай повышенного энергопотребления, или на пониженную выработку электроэнергии ветрогенератором при малом ветре или его отсутствии. Тое есть ветрогенератор должен вырабатывать электроэнергии в сутки столько чтобы хватало покрыть суточное электропотребление приборов и на 30-50% больше, чтоб покрыть возможный перерасход энергии или недозаряд аккумуляторов в предыдущие сутки при отсутствии ветра. К примеру, если постоянное суточное электропотребление электроприборов составляет 2 кВт*Ч/сутки, то ветрогенератор должен вырабатывать не менее 2,5-3 кВт*Ч/сутки в сутки. Далее по графику среднесуточной выработки ветрогенераторов необходимо подобрать ветрогенератор необходимой мощности. Для данного примера оптимально подойдет ветрогенератор мощностью 2кВт.

Годовой график среднесуточной выработки электроэнергии ветрогенератором мощностью 2000 Вт (24В).

Ветрогенераторы для бытовых потребностей вырабатывают переменное напряжение величиной 12, 24 или 48 вольт, кратное напряжению аккумулятора для его заряда, без дополнительного преобразования на повышение или понижение напряжения. Для мощности в 2 кВт оптимальное напряжение 24 или 48 вольт, при данном напряжении требуется меньшая толщина кабеля и можно увеличить его длину.

Для работы ветрогенератора и заряда от него аккумуляторов используется контроллер заряда ветрогенератора.

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.

Все ли ветрогенераторы одинаковы?

множество классификацийдля изготовления лопастей,к земной поверхности,

Большинство существующих на сегодняшний день ВЭУ (ветроэнергетическая установка) можно отнести к одно-, двух-, трех- или многолопастными. Небольшая часть наиболее современных устройств лопастей не содержит вообще, а ветер в них улавливает так называемый «парус», с виду напоминающий тарелку. За ним располагаются поршни, приводящие в работу гидросистему, а уже она и вырабатывает электрический ток. КПД таких установок выше, чем у всех остальных. В отношении лопастных систем тенденция такова: чем меньше лопастей, тем больше энергии вырабатывает генератор.

Разновидности ветрогенераторов

могут отличатьсяболее дешевой,

Если сравнивать ВЭУ по шаговому признаку винта, то более надежными являются устройства, у которых шаг фиксирован. Существуют ветряки и с изменяемым шагом, способные менять скорость вращения, но их громоздкая конструкция влечет за собой дополнительные расходы на установку и обслуживание такой системы.

Наиболее разнообразны конструкции ветряков, если рассматривать их с точки зрения направления оси вращения относительно земли.

Устройства, лопасти которых вращаются относительно вертикальной оси, в свою очередь, можно разделить на несколько типов.

1. Ветрогенераторы Савониуса представляют собой несколько половинок полых внутри цилиндров, посаженных на вертикальную ось. Основное их преимущество — способность вращаться независимо от скорости и направления ветра. Существенный недостаток заключается в способности использовать энергию ветра лишь на треть.
2. Ротор Дарье — это система из двух или более лопастей, представляющих собой плоские пластины. Такое устройство несложно изготовить, но получить много энергии с его помощью не получится. Кроме того, для запуска такого ротора нужен дополнительный механизм.
3. Геликоидный ротор, благодаря специально закрученным лопастям, обладает равномерным вращением. Устройство долговечно, но, в силу сложности конструкции, дорого.
4. Многолопастные ветрогенераторы с вертикальной осью вращения — самый эффективный вариант в своей группе.

Ветряки с горизонтальной осью вращения также имеют свои достоинства и недостатки. Главный их плюс — высокий КПД. Среди недостатков таких конструкций стоит отметить необходимость улавливать направление ветра при помощи флюгера и изменение эффективности в зависимости от направления ветра. В связи с этим горизонтальные установки наиболее уместны на открытой местности. Там же, где лопасти будут заслонены от ветра строениями, деревьями или, например, холмами, лучше установить ВЭУ другой конструкции.

К тому же, такой ветрогенератор дорог, а появление его в окрестностях точно не вызовет большого восторга у ваших соседей. Лопасти его запросто могут сбить летящую птицу и сильно шумят.

Какие еще бывают ветроэнергетические установки? Ну конечно же, наши, отечественные и импортные. Среди последних лидируют европейские, китайские и североамериканские агрегаты. Вместе с тем, наличие на рынке отечественных ветрогенераторов не может не радовать.

Свежие записи Бензопила или электропила — что выбрать для сада?4 ошибки при выращивании томатов в горшках, которые совершают почти все хозяйкиСекреты выращивания рассады от японцев, которые очень трепетно относятся к земле

Цена таких устройств определяется, в первую очередь, их мощностью и наличием дополнительных элементов, например, солнечных батарей и колеблется в очень широких пределах — от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч рублей.