Kinetický veterný generátor: zariadenie, princíp činnosti, použitie

Moderný kinetický veterný generátor vám umožňuje využiť silu prúdenia vzduchu a premieňať ju na elektrinu.Na tento účel existujú továrenské a domáce modely zariadení, ktoré sa používajú v priemysle aj v súkromných domácnostiach.

Povieme vám, ako sú veterné turbíny tohto typu navrhnuté, a predstavíme vám vlastnosti zariadenia a možnosti dizajnu. Článok, ktorý sme navrhli, ukazuje silné a slabé stránky veternej elektrárne. Kutilovia tu nájdu užitočné schémy a montážne odporúčania.

Princíp činnosti veterného generátora

Prevádzka veterného generátora je založená na premene kinetickej energie vetra na mechanickú energiu rotora, ktorá sa následne premieňa na elektrickú energiu.

Princíp činnosti je pomerne jednoduchý: otáčanie lopatiek pripevnených k osi zariadenia vedie k kruhovým pohybom rotorového generátora, čím sa generuje elektrina.

Veterná energia je jedným z najsľubnejších odvetví obnoviteľnej energie. Moderné konštrukcie umožňujú nákladovo efektívne využiť silu vzduchových prúdov na výrobu elektriny

Vzniknutý nestabilný striedavý prúd „odteká“ do ovládača, kde sa mení na jednosmerné napätie, ktoré dokáže nabíjať batérie. Odtiaľ sa energia dodáva do meniča, kde sa transformuje na striedavé napätie s indikátorom 220/380 V, ktoré sa dodáva spotrebiteľom.

Výkon veterného generátora priamo závisí od výkonu prúdenia vzduchu (N), vypočítaného podľa vzorca N=pSV³/2, kde V je rýchlosť vetra, S je pracovná plocha, p je hustota vzduchu.

Zariadenie veterného generátora

Rôzne verzie veterných generátorov sa navzájom výrazne líšia.

Nižšie uvedený diagram zobrazuje vnútornú štruktúru klasického horizontálneho veterného generátora. Takéto modely sa najčastejšie používajú v priemysle aj v každodennom živote.

Priemyselné zariadenia sú komplexnou multimetrovou štruktúrou, ktorej inštalácia si vyžaduje základ, zatiaľ čo model pre domácnosť môže pozostávať z minima komponentov (jednosmerný elektromotor 3-12V, elektrický kondenzátor 1000 uF 6V, kremíková usmerňovacia dióda).

Typická inštalácia obsahuje nasledujúce komponenty:

• generátor striedavého prúdu (výkon závisí od rýchlosti prúdenia vetra);
• lopatky, ktoré prenášajú rotáciu na hriadeľ generátora (často sú navyše vybavené prevodovkami a stabilizátormi otáčok rotora);
• stožiar veterného mlyna, ku ktorému sú pripevnené lopatky (čím vyššie sú tieto prvky, tým viac veternej energie môžu prijať);
• batérie, ktoré uchovávajú energiu, čo umožňuje jej použitie, keď je slabý alebo žiadny vietor. Batéria plní aj funkciu stabilizácie elektrickej energie dodávanej z generátora;
• regulátor - menič striedavého napätia prijatého z generátora na jednosmerné napätie, ktoré sa používa na nabíjanie batérie. Ovládač sa ovláda otáčaním lopatiek, čo vám umožňuje vziať do úvahy, kde sa pohybujú prúdy vzduchu;
• AVR je automatické spínacie zariadenie, ktoré spája veterný generátor s inými zdrojmi energie (solárne panely, elektrická sieť);
• snímač smeru vetra - zariadenie, ktoré uľahčuje lopatkám nájsť prúdenie vetra;
• menič na premenu jednosmerného prúdu z batérií na striedavé napätie, ktorý sa používa v elektrických komunikáciách.

Pre lepšie uspokojenie potrieb používateľov môže byť zariadenie vybavené rôznymi typmi meničov:

• zariadenia s invertorom modifikovanou sínusoidou, ktorá vytvára štvorcovú sínusovú vlnu. Zariadenia tohto typu sú vhodné pre vykurovacie telesá, žiarovky a iné zariadenia, ktoré sú nenáročné na kvalitu siete;
• trojfázové meniče napätia určené pre trojfázové elektrické siete;
• čisté sínusové jednotky, ktoré vyrábajú energiu pre citlivejšie zariadenia;
• sieťové meniče, ktoré môžu fungovať bez batérií. Takéto zariadenia sú určené pre obvody, ktoré zahŕňajú elektrickú energiu vstupujúcu priamo do všeobecnej siete.

Pri výbere modelov nezabudnite venovať pozornosť typu meniča.

Typy veterných generátorov

Pri klasifikácii veterných turbín sa môžu brať do úvahy tieto charakteristiky:

• menovanie;
• dizajnové prvky;
• počet nožov;
• materiály, z ktorých sú vyrobené;
• os otáčania;
• stúpanie vrtule.

Pozrime sa bližšie na dve najčastejšie používané klasifikácie.

Klasifikácia veterných generátorov podľa účelu

Existujú typy veterných turbín, ktoré sa líšia účelom. Od toho závisia hlavné charakteristiky zariadení, napríklad výkon.

Priemyselné veterné turbíny

Takéto zariadenia inštalujú veľké energetické spoločnosti alebo štát na dodávku elektriny do priemyselných zariadení.Turbíny s výkonom desiatok megawattov sa zvyčajne nachádzajú vo veterných oblastiach (otvorené kopce, pobrežia).

Veterné elektrárne, kde sú nainštalované desiatky veterných turbín, sa nachádzajú nielen na súši, ale aj v plytkej vode. Výsledná elektrická energia sa zvyčajne používa na priemyselné účely

Vyrobená elektrina ide spravidla priamo do siete, zatiaľ čo pre stabilitu a reguláciu rýchlosti otáčania lopatiek sú veterné turbíny vybavené ďalšími mechanizmami.

Komerčné veterné generátory

Takéto zariadenia sa používajú na výrobu elektriny na predaj alebo na poskytovanie elektriny do výroby v regiónoch s nízkoenergetickou elektrickou sieťou (alebo bez elektrickej siete). Takéto veterné elektrárne pozostávajú zo zhluku elektrických generátorov, ktoré môžu mať rôznu kapacitu.

Energia z komerčných inštalácií môže byť dodávaná priamo do elektrických zariadení alebo použitá na nabíjanie veľkého množstva batérií, kde sa skladuje a premieňa na napájanie siete.

Veterné zariadenia pre domácnosť

Nízkoenergetické jednotky sa používajú na súkromné ​​použitie. Podľa pravidiel môžu veterné turbíny so stožiarmi nižšími ako 25 metrov inštalovať vlastníci pozemkov bez súhlasu úradov, na vyššie stožiare je potrebné získať špeciálne povolenie.

Veterné mlyny s nízkym a stredným výkonom môžu slúžiť ako zdroj elektrickej energie pre chaty, chalupy, vidiecke domy a farmy

Veterné generátory pre domácnosť sú vhodné na nabíjanie batérií s napätím 12/24/48V, z ktorých sa energia transformuje na napätie 220 Voltov.Takéto zariadenia umožňujú úplne alebo čiastočne vyriešiť problém napájania malých objektov, ktoré sa nachádzajú ďaleko od centralizovanej elektrickej siete.

S usmerneniami pre výber veterného generátora na dodávku energie do súkromného domu prečítajte si článokvenovaný tejto zaujímavej problematike.

Typy konštrukcií veterných turbín

Na základe ich konštrukčných prvkov možno zariadenia rozdeliť do niekoľkých kategórií, hoci všetky odrody sa delia na dva hlavné typy: vertikálne a horizontálne.

Klasické horizontálne veterné turbíny

Takéto inštalácie (nazývajú sa tiež vrtuľa alebo krídlo) majú zvyčajne 3-5 lopatiek namontovaných na vodorovnej osi. Takéto prvky, ktoré sa otáčajú vysokou rýchlosťou, vám umožňujú získať maximálne množstvo energie (KIEV až 0,4).

Navyše množstvo vyrobenej elektriny do značnej miery závisí od výšky zariadenia (čím je vyššia, tým je výsledok väčší).

Horizontálna veterná turbína využíva vztlak, ku ktorému dochádza, keď sa tlak zvyšuje v mieste, kde priamy prúd vzduchu prechádza lopatkami a odráža sa od týchto prvkov.

Tieto zariadenia sa zvyčajne inštalujú vo veterných farmách, kde sa vyrába energia na priemyselné a komerčné využitie, ale sú vhodné aj na domáce použitie.

Zaujímavým riešením pre horizontálny veterný mlyn je model s jednou čepeľou, s jeho vlastnosťami vás zoznámi nasledujúci výber fotografií:

Vertikálne veterné turbíny

Ovládacím prvkom takýchto inštalácií je rotujúce veterné koleso. Vďaka svojim konštrukčným vlastnostiam sa tieto štruktúry líšia podľa typu („Barrel“, „Savonius“).

Nasledujúci výber fotografií vám predstaví princíp vertikálnej generátorovej turbíny Savonius:

Napriek nízkemu indexu KIEV (0,1-0,2) sú široko používané: vertikálne inštalácie fungujú na turbulentnom prúdení vzduchu, takže môžu byť umiestnené aj v oblastiach, kde len zriedka fúka silný vietor.

Prevádzka vertikálnych veterných generátorov nezávisí od smeru vetra. Ľahko sa inštalujú a obsluhujú a takéto zariadenia môžu byť inštalované blízko zeme

Na zlepšenie účinnosti vertikálnych veterných turbín výrobcovia často zvyšujú ich rozmerové parametre, čo vedie k výraznému zvýšeniu nákladov. Keďže takéto zariadenia sú dosť krehké, vyžadujú zvýšenú ochranu pred hurikánmi a inými prírodnými javmi.

Veterné generátory "Rotor Daria"

Takéto zariadenia patria do kategórie vertikálnych veterných turbín, ale majú výrazné rozdiely v dizajne. Vďaka takýmto vlastnostiam sa dosiahne zníženie hluku a zvyšuje sa aj KIEV, ktorý sa približuje výkonu horizontálnych modelov.

Nízkotlaková turbína s osou rotácie kolmou na vzduch, ktorú v roku 1931 navrhol francúzsky letecký konštruktér Georges Darrieus, našla široké uplatnenie vo veternej energetike.

Nevýhodou takýchto konštrukcií je nízky rozbehový krútiaci moment (kvôli prítomnosti iba dvoch lopatiek je pre zariadenie ťažké spustiť sa samostatne). Na vyriešenie problému sa často používa hybrid „Savonius + Darier“.

Veterné zariadenia na plachtenie

Pre takéto inštalácie je možné použiť princíp konštrukcie vertikálnych aj horizontálnych veterných turbín. Hlavným dizajnovým prvkom je veterné koleso pokryté mnohými lopatkami alebo plachtami, pričom takéto modely nemajú aerodynamický profil.

Existuje mnoho modelov plachtových veterných generátorov, ktoré sa líšia počtom lopatiek, hmotnosťou a výkonom. Všetky tieto parametre by sa mali brať do úvahy pri výbere zariadenia

Napriek tomu, že plachetné zariadenia sa vyznačujú nízkou rýchlosťou a nízkou účinnosťou, často sa používajú v národnom hospodárstve.Takéto konštrukcie sa ľahko inštalujú a obsluhujú a kombinácia vysokého krútiaceho momentu a nízkej rýchlosti vám umožňuje priamo poháňať rôzne užitočné mechanizmy, napríklad čerpadlo na čerpanie vody.

Nasledujúca galéria vám predstaví jeden z modelov plachetníc veterných turbín realizovaných v praxi:

Generátor pre veternú turbínu

Veterné turbíny vyžadujú na prevádzku konvenčné trojfázové generátory. Dizajn takýchto zariadení je podobný modelom používaným na autách, má však väčšie parametre.

Prístroje veternej turbíny majú trojfázové statorové vinutie (zapojenie do hviezdy), z ktorého vychádzajú tri vodiče a smerujú do regulátora, kde sa striedavé napätie mení na jednosmerné.

Rotor generátora pre veternú turbínu je vyrobený z neodymových magnetov: v takýchto konštrukciách je nevhodné používať elektrické budenie, pretože cievka spotrebúva veľa energie

Na zvýšenie obratu sa často používa multiplikátor.Toto zariadenie umožňuje zvýšiť výkon existujúceho generátora alebo použiť menšie zariadenie, čo znižuje náklady na inštaláciu.

Multiplikátory sa častejšie používajú vo vertikálnych veterných generátoroch, v ktorých je proces otáčania veterného kolesa pomalší. Pre horizontálne zariadenia s vysokou rýchlosťou otáčania lopatiek nie sú potrebné multiplikátory, čo zjednodušuje a znižuje náklady na dizajn.

Špecifiká montáže a inštalácie veterného generátora z práčky a veterné turbíny z generátora auta je podrobne popísaná v článkoch, ktoré odporúčame.

Výhody a nevýhody veterného generátora

Pozrime sa podrobne na výhody a nevýhody veterných turbín, pretože rozhodnutie o kúpe veternej turbíny alebo o jej opustení závisí od nich.

Výhody veterných zariadení

Medzi výhody zariadení využívajúcich veternú energiu patria:

• Šetrnosť k životnému prostrediu. Zariadenia využívajú obnoviteľný zdroj energie, ktorý je možné využívať nepretržite bez toho, aby došlo k poškodeniu životného prostredia. Elektrina vyrobená veternými generátormi nahrádza energiu tepelných elektrární, čím sa znižujú emisie skleníkových plynov.
• Všestrannosť. Veterné elektrárne možno stavať takmer všade: na rovinách, v horách, na poliach, na ostrovoch a dokonca aj v plytkých vodách. Veterná energia je obzvlášť cenná na odľahlých miestach, kde je ťažké rozšíriť konvenčnú elektrickú komunikáciu. Veterné generátory v tomto prípade umožňujú vytvoriť dodávku energie pre objekty, čím sa zabezpečí ich nezávislosť od náhodných faktorov (napríklad palivo nedodané včas).
• Efektívnosť použitia. Moderné modely spracúvajú energiu aj slabého vetra – minimálna hranica je 3,5 m/s.Týmto spôsobom je možné do centralizovanej siete dodávať dodatočnú elektrinu, ako aj organizovať napájanie jednotlivých objektov (ostrovných alebo miestnych) bez ohľadu na ich výkon.
• Dôstojná alternatíva k tradičným zdrojom. Stacionárne veterné elektrárne môžu úplne poskytnúť elektrinu obytnej budove alebo dokonca aj malému priemyselnému objektu. V tomto prípade bude turbína akumulovať potrebnú zásobu elektriny v batériách, určených na použitie v pokojných obdobiach.
• Ekonomický. V porovnaní s tradičnými zdrojmi elektrickej energie (plyn, rašelina, uhlie, ropa) dokážu cyklistické turbíny výrazne znížiť náklady na energiu. V mnohých prípadoch je výstavba veternej farmy lacnejšia ako pripojenie k existujúcim energetickým systémom.

Použitie veterných turbín môže byť alternatívou k používaniu drahých dieselových generátorov, čím sa náklady na prepravu a skladovanie paliva ešte znížia až o 80 %.

Priemerný výkon veternej turbíny sa niekoľkonásobne líši od špičkového zaťaženia. Veterný generátor je zodpovedný iba za množstvo energie vyrobenej za určité časové obdobie pri priemernej mesačnej rýchlosti vetra charakteristickej pre danú oblasť.

Pre presnejšie posúdenie veterných zdrojov môžete použiť špeciálne odvodené údaje (Weibullove parametre). Tieto ukazovatele odrážajú rozloženie vetra rôznej sily charakteristickej pre konkrétnu oblasť. Pri vývoji projektov veterných fariem s kapacitou desiatok MW je dôležité brať takéto informácie do úvahy.

Výkon generovaný veternou turbínou je úmerný trojnásobku rýchlosti vetra.V dôsledku toho je tento ukazovateľ veľmi malý, keď sú prúdy vetra slabé, ale keď sa zintenzívnia, prudko sa zvýši. Vzhľadom na premenlivosť smeru a rýchlosti vetra musia byť do konštrukcie veternej turbíny zahrnuté stabilizačné komponenty.

Pravidlá a vzorce na výpočet výkonu veterného generátora sú uvedené tu, odporúčame, aby ste sa oboznámili s veľmi užitočnými informáciami.

V malých autonómnych systémoch ich funkciu vykonávajú batérie, ktorých nabitie sa začne zvyšovať, akonáhle výkon veterného generátora prekročí zaťaženie.

Keď sa zaťaženie zvyšuje, batéria sa môže vybiť. Na túto vlastnosť je dôležité pri výbere bytovej jednotky prihliadať, jej výkon musí zodpovedať mesačnej alebo ročnej sadzbe spotreby elektriny

Treba poznamenať, že efektívne využitie prúdenia vetra je uľahčené rôznymi konštrukciami veterných generátorov.

Horizontálne turbíny fungujú dobre v rovinatých oblastiach, kde je veľa vetra, zatiaľ čo vertikálne turbíny fungujú lepšie v oblastiach s turbulentným prúdením nízko pri zemi (horné kopce, horské pásma).

Hlavné nevýhody veterných turbín

Veterné turbíny majú zároveň svoje negatívne stránky:

• Veľkosť sily vetra je ťažké vopred predpovedať, pretože sa často mení. Z tohto dôvodu je vhodné uvažovať o bezpečnostnej sieti zabezpečením záložného zdroja energie (solárne panely, pripojenie do elektrickej siete).
• Vertikálne zariadenia sú vystavené riziku deštrukcie listov vrtule vplyvom odstredivých síl pri rotácii listov okolo hlavnej osi. V dôsledku tohto efektu sa dôležité konštrukčné prvky časom zdeformujú a zničia a mechanizmus zlyhá.
• Je lepšie inštalovať veterné turbíny vo voľnom priestore, pretože okolité budovy môžu „tlmiť“ vietor a vytvárať „mŕtvu“ vzduchovú zónu.
• Pre úsporu prebytočnej energie z veterných turbín je potrebné do návrhu zahrnúť použitie batérií a iných doplnkových zariadení, ktoré slúžia na premenu vyrobenej elektriny na prúd s vhodnými spotrebiteľskými charakteristikami.
• Pri prevádzke veterné generátory produkujú hluk, ktorý môže spôsobiť nepohodlie ľuďom a vystrašiť zvieratá. Čepele zariadení môžu tiež spôsobiť smrť vtákov, ktoré lietajú smerom k nim.
• Veterné turbíny môžu podľa niektorých odborníkov znehodnotiť príjem rozhlasového a televízneho vysielania.

Negatívne aspekty môžu zahŕňať aj pomerne vysoké náklady na takéto jednotky, avšak nízke náklady na zdroj energie tento faktor do značnej miery kompenzujú.

Schémy a metódy zapojenia

Aj keď veterná turbína môže fungovať autonómne, oveľa lepšie výsledky možno dosiahnuť pomocou kombinovaných schém, ktoré kombinujú veternú turbínu so solárnymi panelmi, centralizovanú rozvodnú sieť, naftové alebo plynové zdroje energie.

Autonómna prevádzka. V tomto prípade je inštalovaná jediná inštalácia, pomocou ktorej sa zachytáva a akumuluje veterná energia, ktorá sa potom premieňa na elektrický prúd potrebný pre spotrebiteľov.

Diagram ukazuje najjednoduchší spôsob použitia veterného generátora, ktorý sa odporúča používať v regiónoch, kde neustále fúka silný vietor

Kombinácia veterného generátora so solárnymi panelmi. Kombinovaná možnosť sa považuje za spoľahlivý a efektívny spôsob napájania. Ak je bezvetrie, batéria beží solárne panelya pri zamračenom počasí a počas noci dochádza k nabíjaniu z veternej turbíny.

Ideálna voľba pre súkromný dom alebo farmu, ktorá sa nachádza ďaleko od centralizovanej elektrickej siete. Táto kombinovaná schéma umožňuje využitie dvoch typov obnoviteľnej energie

Kombinovaná prevádzka veterného generátora a elektrickej siete. Veterná turbína môže byť kombinovaná s elektrickou komunikáciou.

Toto usporiadanie je typické pre priemyselné a komerčné zariadenia. Pre niektoré modely veterných generátorov pre domácnosť je zabezpečené aj pripojenie k elektrickej komunikácii

Pri prebytku vyrobenej elektriny ide do centralizovanej siete a pri jej nedostatku je možné využiť elektrický prúd zo všeobecného energetického systému.

Nuansy používania veterných generátorov

V súčasnosti sa veterné turbíny využívajú v rôznych odvetviach národného hospodárstva. Priemyselné modely rôznych kapacít používajú ropné a plynárenské spoločnosti, telekomunikačné spoločnosti, vrtné a geologické prieskumné stanice, výrobné zariadenia a vládne agentúry.

Veterná turbína môže byť použitá ako doplnkový zdroj energie v nemocniciach a iných inštitúciách na zabezpečenie nepretržitého napájania v núdzových situáciách

Zvlášť pozoruhodný je význam používania veterných turbín na rýchlu obnovu poškodenej elektriny počas katakliziem a prírodných katastrof. Na tento účel veterné generátory často používajú jednotky ministerstva pre mimoriadne situácie.

Veterné turbíny pre domácnosť sú ideálne na organizovanie osvetlenia a vykurovania v chatových komunitách a súkromných domoch, ako aj na ekonomické účely na farmách.

Je potrebné zvážiť niekoľko bodov:

• Zariadenia do 1 kW dokážu poskytnúť dostatočné množstvo elektriny len na veterných miestach.Energia, ktorú generujú, zvyčajne postačuje iba na napájanie osvetlenia LED a napájanie malých elektronických zariadení.
• Na úplné zabezpečenie elektrickej energie pre chatu (vidiecky dom) budete potrebovať veterný generátor s výkonom nad 1 kW. Tento indikátor stačí na napájanie osvetľovacích zariadení, ako aj počítača a televízora, ale jeho výkon nestačí na dodávku elektriny do modernej chladničky, ktorá funguje 24 hodín denne.
• Na zabezpečenie energie pre chatu budete potrebovať veternú turbínu s výkonom 3-5 kW, ale ani tento údaj nebude stačiť na vykurovanie domov. Na použitie tejto funkcie potrebujete výkonnú možnosť s výkonom od 10 kW.

Pri výbere modelu by ste mali vziať do úvahy, že indikátor napájania uvedený na zariadení sa dosiahne iba pri maximálnej rýchlosti vetra. 300V inštalácia teda vyrobí špecifikované množstvo energie len pri rýchlosti prúdenia vzduchu 10-12 m/s.

Pre tých, ktorí si chcú postaviť veterný generátor vlastnými rukami, ponúkame ďalší článok, ktorá podrobne poskytuje užitočné informácie.

Závery a užitočné video na túto tému

Nižšie uvedené video poskytuje podrobné informácie o princípe fungovania a dizajne domáceho modelu veterného generátora:

Veterný generátor je výborným zdrojom výroby elektrickej energie, čo ocenia najmä obyvatelia odľahlých oblastí. Rôzne ruské a zahraničné podniky ponúkajú širokú škálu veterných štruktúr, navyše modely pre domácnosť je možné vyrobiť vlastnými rukami.

Komentáre napíšte do bloku nižšie. Povedzte nám o tom, ako ste postavili veterný generátor na svojom pozemku, alebo o tom, ako funguje veterná turbína vašich susedov.Pýtajte sa, zdieľajte užitočné informácie a fotografie k danej téme.