Ветряные электрогенераторы относятся к экологически чистым устройствам, созданным для получения электроэнергии из неисчерпаемых природных источников. Ветряная электрическая станция (ВЭС) помогает в преобразовании энергии ветра в электрическую. Чем больше сила ветра, движущегося с определенной скоростью, тем больше электроэнергии можно получить – до 7,5 МВт.
Использование природных, бестопливных технологий безвредно для окружающей среды. Оно не дает технических отходов и радиации, при этом позволяет экономить средства, так как ветер добывается бесплатно. На установку оборудованной ВЭС нужны всего лишь разовые серьезные денежные затраты и небольшая площадь.
Принцип работы ветрогенератора
После запуска турбины ВЭС эксплуатационные расходы близки к нулю. Массовая работа турбин способна обеспечить электрической энергией не только частный дом, но и целый поселок и жилые районы города. Удачным примером использования силы ветра служит воздушный и морской транспорт при возрастающей скорости, спортивные состязания (виндсерфинг, дельтапланеризм, парусный спорт), а также перекачивание воды на источниках.
Принцип работы установки описывается так. Действующая сила ветра начинает приводить в движение лопасти ВЭС, что через привод способствует вращению ротора. Внутренняя корпусная статорная обмотка превращает механическую энергию в электричество. Винты устройства, благодаря аэродинамическим свойствам, быстро при этом крутят турбину генератора.
При сильном потоке воздушных масс лопасти увеличивают свою работу. Постоянное турбинное вращение, преобразованное в электроэнергию, аккумулируется в емкостных батареях. На скорость работы устройства влияет особенность конструкции лопастей, у которых одна сторона ровная, а вторая – слегка закруглена. Такое округление механизма способствует созданию некоторого воздушного вакуума, что значительно повышает образование энергии, раскручивающей механизм.
На роторе генератора есть 12 закрепленных вращающихся магнитиков. Они создают в статоре переменный ток, передающийся на значительные расстояния. Внутри турбины образуется постоянно действующая электрическая цепь – винты вращают ось, соединенную с ротором.
Переменная электроэнергия похожа на частоту, подающуюся потребителям в розетках. Единственное – ее тяжело аккумулировать. При этом подавать ее можно на достаточно удаленные между собой площади. Промышленные установки, в сравнении с домашними, помогают получать большее количество электричества.
Способы использования ветрогенератора
Альтернативная энергия ветра используется многими развитыми странами в соотношении 20 % к стандартным 80 % энергии, добываемой из топливных ресурсов. Швейцария, Австрия, Нидерланды, Норвегия, США стремятся к экологически чистым технологиям, не выделяющим парниковых газов в атмосферу.
Устройство можно использовать для:
- одновременной эксплуатации с солнечными батареями;
- полностью автономной работы;
- подключения его в качестве резервного аккумулятора (дизельного, бензинового) на случай отключения электроэнергии или как самостоятельный накопитель.
Чем выше сила ветра – тем больше электроэнергии произведет ветроустановка. Так, при движении воздушных масс со скоростью 45 км/ч генератор ВЭС способен выработать 400 Вт электричества.
Как устроен ветрогенератор?
Устройство состоит из следующих конструкционных элементов:
- электрический генератор и ось;
- турбина и турбинный механизм;
- ветряной датчик и его хвостовик;
- ротор с колпаком, аккумулятор;
- лопасти и вращающий их механизм (крыльчатка);
- инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный;
- контроллер движений при вращении;
- мачта, гондола, вспомогательные элементы (трансмиссии, демпфер, коробки передач и др.).
К конструкции ВЭС относят также поворотные механизмы, лестницу, башню, силовой шкаф, тормозную систему, устройство для изменения шага винта, главную раму, которая крепится к фундаменту, флюгер, систему управления, датчики и редукторы.
Лопасти изготавливают из разных материалов: стекловолокна, алюминия, углеродистых волокон. Именно они при ветре захватывают движущиеся воздушные потоки. В качестве генераторов часто используются синхронные агрегаты с оборудованной магнитной системой.
Могут использоваться генераторы и других типов. Их важная задача – передача преобразованной энергии ветра на выходную сторону ВЭС. Генератор по габаритам должен соответствовать размерам турбины или винта, вращающего ротор. Если он будет больше этих конструкционных элементов, то возникнут сложности с запуском ВЭС, особенно при слабом ветре.
Система управления помогает в осуществлении контроля за работой ветрогенератора. Состоит она из датчиков, контроллеров и вспомогательных устройств, предусмотренных производителем, что обеспечивает наиболее эффективную работу установки.
Другие элементы, например, поворотный механизм, помогают уловить ветер в разных направлениях, а трансмиссионная коробка передач отвечает за вращение лопастей.
Ветрогенератор всегда направлен в ту сторону, откуда дует ветер. Следить за его скоростью помогает анемометр. Средняя скорость вращения ветрогенератора составляет 175–500 об/мин, а максимальная – 1150 об/мин.
Строительная часть
ВЭС бывают небольшими и крупными. Устройства, используемые в промышленных масштабах, делают огромными. Самой гигантской установкой в мире, закрепляемой на фундаменте (для предотвращения опрокидывания), считают Enercon E-126. Его габариты: высота округлой башни – 126 м, таков же диаметр лопастей. Внутри ВЭС есть узкая лестница, которая помогает мастеру выполнять техническое обслуживание.
Электрическая часть
Преобразованием тока из постоянного в переменный занимается инверторная система. Преобразователь представляет собой устройство, функционирующее в режиме бесперебойного питания. Вместе с инверторной системой работают для создания электроэнергии из ветра все остальные вышеперечисленные части конструкции.
Система торможения лопастного вращения
Тормоза помогают избежать поломки устройства, особенно при сильном напоре воздушных масс. Система тормозов всегда оборудована датчиками, реагирующими на скорость ветра и замедляющими движение ротора. Например, при скорости воздуха 80 км/ч система лопастей останавливается.
Увеличение мощности установки
Повышение КПД устройства возможно при изменении чувствительности крыльчатки с лопастями к слабым ветрам. Некоторые специалисты рекомендуют применять для ВЭС одностороннюю мембрану, пропускающую воздушные массы ветра, но не дающую им полностью выйти обратно. Сетчатое полотно удерживает воздух в плотном состоянии некоторое время.
Также широко используются промышленные диффузоры, задерживающие воздушные массы, система резервирования электроэнергии аккумуляторными батареями при увеличении их емкости.
Типы ветряных электростанций (ВЭС)
Установки бывают с вертикальной и горизонтальной осью вращения. Первые устанавливаются в отдалении от массивных строений, они способны сдерживать воздушные массы. Вторые встречаются чаще, внешне напоминают конструкцию флюгера и имеют КПД 40 %. Бывают также гибридные типы.
ВЭС делятся также на мобильные (временные, сезонные) и стационарные, устанавливаемые в ЖБ-фундамент. По конструкции ветряки бывают крыльчатыми, роторными, а по месту установки – наземными (с вертикальной осью вращения), плавающими (на плавучей платформе), прибрежными (побережье) и оффшорными (удаленными, в море).
Вертикальные ветрогенераторы
Устройства ставят высоко над землей или на земле, где нет преград для ветра. Имеют компактный вид и производятся с разными типами лопастей. Максимальный КПД генератора достигается, когда ветер направлен перпендикулярно на плоскость лопастей. Такой тип подходит для обустройства частных домов и дач.
Горизонтальные ветрогенераторы
Установки имеют разную мощность, прямо зависящую от габаритов лопастей и возможностей генератора. Они выпускаются в промышленных масштабах, так как способны работать при слабом ветре. Такие ВЭС требуют достаточной площади для размещения и профессионального монтажа.
Гибридные ветрогенераторы
Данный тип – это комбинация вертикальных и горизонтальных устройств, которые можно устанавливать на поверхности грунта и в воде. Ветряки данного типа сложны по конструкции, при этом их КПД эффективнее. По стоимости они также обходятся дороже.
Мобильные ветрогенераторы
Установки с небольшой мощностью легко перемещаются. Их можно использовать для запитывания небольших объектов (загородные и частные дома, сельские магазины, подсобные хозяйства). Этот тип ветряков отличается от стационарных тем, что не сможет запитать электричеством крупные промышленные предприятия, а также населенные пункты.
Роторный ветрогенератор
Работает от ротора (промышленные типы: Савониуса, Дарье, Ворониных) и размещается на земле. Типы роторных ВЭС имеют простую схему изготовления лопастей. Они не ориентированы лишь на одно направление ветра и позволяют выполнять техническое обслуживание приводов без сложностей. При этом ВЭС не запускаются самостоятельно и работают от генератора.
Крыльчатый ветрогенератор
Установка работает от лопастной крыльчатки, приводимой в движение ветром. Здесь поступающий поток воздушных масс сам запускает генератор. Устройство имеет компактные габариты и подходит для установки на небольших площадках.
ВАЖНО! Любой тип ВЭС можно оборудовать хвостовым оперением и системой электронного слежения за направлением ветра.
Выбор подходящего ветрогенератора
В РФ ветрогенераторы пока встречаются редко. Они больше распространены у частных умельцев, жилье и хозяйство которых расположено на значительном удалении от городской инфраструктуры.
При подборе установки нужно ориентироваться на репутацию производителя, качество материалов, наличие сертификатов и гарантий промышленного бренда. Учитываются также назначение и функции ВЭС, площадь обслуживания, вырабатываемая мощность электроэнергии, финансовые возможности покупателя.
При выборе оборудования важны также такие нюансы:
- Номинальное и максимальное количество электроэнергии, необходимое для потребностей строения.
- Знание данных о средней скорости ветра в своем регионе за 1 год.
- Учет особенностей климата – в районах с очень низкими температурами ВЭС зимой себя не оправдает по КПД.
- Интенсивность создаваемого шума и тип устройства.
- Технические характеристики ВЭС от разных брендов.
Также при выборе типа ветряка потребуется обращать внимание на емкость аккумуляторных батарей.
Если возникают проблемы с расчетом получаемой преобразованной энергии, зависящей от скорости ветра на местности, лучше обратиться за помощью к специалистам. Монтаж установки тоже лучше доверить профильным мастерам.
Достоинства и недостатки ветрогенератора
Плюсов у ВЭС много:
- низкая стоимость получения электричества (плюсовая рентабельность), прогнозирование доходов от получения электроэнергии;
- долгий срок службы – более 20–30 лет;
- неисчерпаемый (постоянно возобновляемый) источник получаемой энергии;
- качественная автономная работа;
- забота о чистоте окружающей среды, без выделения CO2 и вредных веществ;
- отсутствие необходимости в дополнительных блоках управления;
- эффективность работы, не зависящая от направления ветра, которое может быть любым;
- компактность размеров и небольшая площадь;
- огромный рыночный потенциал – использовать ветряную энергию можно для любых направлений народного хозяйства;
- большое количество вариантов установок;
- возможность создания домашних устройств по чертежам из Сети.
Минусами ветрогенераторов считаются:
- необходимость в инвестициях для запуска крупного проекта;
- перебивание радиоволн ветряными генераторами;
- создание помех для полетов птиц;
- образование шума, мешающего насекомым.
Несмотря на то что при урагане у устройства могут слететь лопасти, а для получения ветряной электроэнергии нужны специальные технические установки, ВЭС распространяются в качестве технологии будущего по всему земному шару. Сниженные затраты позволяют человечеству заботиться о будущих поколениях и расходовать полезные ископаемые ресурсы более экономно.
ВАЖНО! О влиянии на здоровье человека ветряных турбин в настоящее время ведутся споры и проводятся исследования. Чтобы люди с непереносимостью вибраций меньше физически реагировали на работу ВЭС головной болью, бессонницей, головокружением, рекомендуется делать установки на расстоянии 2,5–3 км от жилых домов.
Заключение
Система ветрогенераторов считается перспективным направлением в производстве электрической энергии из возобновляемых источников. Они имеют простую конструкцию, постоянно дорабатываются и совершенствуются. Применение ВЭС распространяется в мире и увеличится в будущем.
Ветрогенератор для дачи и частного дома несложно собрать самостоятельно. Порядок работ следующий:
- Создание схемы проекта и проведение расчетов.
- Закупка и подготовка необходимых расходных материалов, включая аккумуляторы.
- Сборка вращающихся частей (ротора), монтаж и проверка функций.
- Подключение генератора к элементам устройства.
- Соединение всей системы в единый комплекс.
- Настройка и запуск установки, проверка качества эксплуатации.
ВАЖНО! Первый пробный запуск системы ветровой электроэнергии лучше всего выполнять при постоянной скорости ветра.
Для установки крупных генераторов для промышленных целей рекомендуется обратиться к специалистам. Опытные инженеры подберут лучшее место для установки ВЭС, проведут монтаж и пуск устройств, а при необходимости окажут техническую поддержку и проведут сервисное обслуживание.
