Generator wiatrowy to urządzenie służące do przekształcania energii wiatru w energię elektryczną lub w energię mechaniczną w celu napędzania urządzeń mechanicznych (na przykład pompy wodnej). Przodkami współczesnych generatorów wiatrowych były wiatraki, a wraz z rozwojem technologii i nastaniem ery elektryczności wiatraki nie tylko mielą ziarno na mąkę czy pompują wodę, ale także obracają się generatory, które wytwarzają energię elektryczną.
Generatory wiatrowe mają charakter przemysłowy i są instalowane przez państwo lub duże korporacje energetyczne w celu dostarczania energii elektrycznej do obiektów przemysłowych. Przemysłowe turbiny wiatrowe są dziś największe i najpotężniejsze, moc poszczególnych generatorów wiatrowych sięga megawatów, ale takich turbin wiatrowych nie instaluje się pojedynczo, ale ogromne farmy wiatrowe buduje się tam, gdzie wiatr jest najbardziej odpowiedni do stabilnej generacji energii elektrycznej, na przykład na wybrzeżach lub na otwartych wzgórzach. Energia z generatorów wiatrowych trafia bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej, a stabilność i częstotliwość obrotów generatorów zapewniają różne mechanizmy, np. systemy regulacji kąta łopatek względem napływającego wiatru, tak aby prędkość koło wiatrowe, a co za tym idzie i generator, jest stabilne.
Istnieją również komercyjne generatory wiatrowe, które instaluje się w celu sprzedaży energii elektrycznej lub dostarczania energii do różnych gałęzi przemysłu tam, gdzie nie ma wystarczających mocy własnych lub w ogóle nie ma sieci energetycznej. Takie elektrownie wiatrowe składają się również z wielu generatorów wiatrowych o różnej mocy. Energia z takich generatorów wiatrowych może być dostarczana bezpośrednio do sieci elektrycznej, jeśli wytwarzają one stabilne napięcie przemienne o wartości 220/380 woltów lub wyższej. Lub generatory wiatrowe służą do ładowania dużej liczby akumulatorów, z których energia jest następnie przekształcana w napięcie przemienne i dostarczana do sieci elektrycznej.
Istnieją również zwykłe przydomowe turbiny wiatrowe małej mocy do użytku prywatnego, których montaż nie wymaga żadnych zezwoleń, jeśli wysokość masztu nie przekracza 25 metrów, a generator wiatrowy nie koliduje z samolotami. Takie generatory wiatrowe są niskonapięciowe i ich głównym zadaniem jest ładowanie akumulatorów napięciem 12/24/48 woltów, a z akumulatorów pobierana jest energia, która tak jak w zwykłym gniazdku jest przetwarzana na napięcie 220 woltów i 50 Hz. Wiatraki małej mocy są często instalowane w celu dostarczania energii do domów prywatnych, domków letniskowych, gospodarstw rolnych lub do zasilania małych odległych obiektów.
Projektowanie i projektowanie generatorów wiatrowych
Oczywiste jest, że generatory wiatrowe napędzane są energią wiatru, ale to nie wszystko, generator wiatrowy składa się z kilku elementów, a najważniejsze jest koło wiatrowe i generator. Poziome turbiny wiatrowe mają zwykle śmigła trójłopatkowe, które działają dzięki sile nośnej nadchodzącego strumienia wiatru. A pionowe generatory wiatrowe typu Savonius (beczka) obracają się pod wpływem naporu wiatru. Istnieją pionowe turbiny wiatrowe, które również wykorzystują siłę nośną, na przykład Darrieus Rotor i inne ortogonalne generatory wiatrowe. W przypadku poziomych generatorów wiatrowych prędkość obrotowa łopat przekracza prędkość wiatru, zwykle nominalnie 5 razy, co pozwala na zastosowanie mniejszych generatorów niż w przypadku pionowych generatorów wiatrowych, ponieważ nie mogą one obracać się szybciej niż prędkość wiatru, z wyjątkiem ortogonalnych .
Przykładowo generator wiatrowy o średnicy koła wiatrowego 3 metry przy prędkości wiatru 10 m/s wytwarza 5,6 kW energii wiatru, ale maksymalnie 49% tej energii można przekształcić w mechaniczną energię obrotową; w przypadku poziomego dla generatorów wiatrowych średni współczynnik konwersji energii wiatru wynosi 0,4, dla turbin pionowych jest znacznie niższy, dla turbin wiatrowych typu „Savonius” 0,1-0,25, a dla turbin ortogonalnych do 0,4.
Generator z kołem wiatrowym można podłączyć bezpośrednio i wtedy prędkość koła wiatrowego i generatora będzie taka sama, lub można zainstalować skrzynię biegów w celu zwiększenia prędkości generatora. W konstrukcjach dużych generatorów wiatrowych, które instaluje się w miejscach o stabilnym i mocnym przepływie spalin, zastosowano system regulacji położenia łopat w celu utrzymania stabilnych prędkości generatora. Kiedy wiatr się wzmaga, łopaty obracają się w jedną stronę, zwiększając kąt natarcia nadchodzącego strumienia wiatru i koło wiatrowe nie nabiera pędu, a gdy wiatr słabnie, wręcz przeciwnie, aby wiatrak nie zmniejszał prędkości , ostrza obracają się z większą prędkością. Ponadto prędkość można utrzymać poprzez zwiększenie lub zmniejszenie obciążenia generatora lub układu hamulcowego. Zatem generator działa z tą samą prędkością i wytwarza stabilne napięcie i częstotliwość prądu przemiennego, na przykład 220 woltów i 50 Hz, chociaż może wytwarzać tysiące woltów.
W małych wiatrakach prędkość generatora nie jest ustabilizowana, gdyż jest to bardzo trudne, a takie wiatraki instaluje się na małych wysokościach w różnych obszarach, gdzie wiatr może okresowo całkowicie zanikać i być bardzo niestabilny. Aby zapewnić stabilną pracę, elektrownie wiatrowe korzystają z akumulatorów, generator ładuje akumulatory, gdy wieje wiatr, a energię można z nich zawsze pobrać, nawet w zupełnym spokoju. Aby chronić się przed huraganami, wykorzystują system, który odsuwa koło wiatrowe od wiatru poprzez złożenie ogona, lub hamują koło wiatrowe za pomocą hamulca elektrycznego.
Aby ładować akumulatory, pomiędzy wiatrakiem a akumulatorem umieszcza się sterownik, który monitoruje ładowanie akumulatora, a po całkowitym naładowaniu, aby nie uszkodzić akumulatorów, sterownik albo spowalnia śmigło, zwierając generator uzwojeń lub zrzuca nadmiar energii do statecznika, który można wykorzystać jako zbiorniki grzewcze lub po prostu duży rezystor. Generator wiatrowy ze sterownikiem pełni funkcję ładowarki pakietu akumulatorów, a sama energia pobierana jest z akumulatorów, a nie z wiatraka.
Ale akumulatory mają stałe niskie napięcie, które może wynosić 12/24/48 woltów, a do zasilania domu potrzebne jest 230 woltów, więc jest zainstalowane falownik, który przekształca napięcie stałe w napięcie przemienne 220 woltów. Ale można obejść się bez falownika, jeśli wszyscy odbiorcy są zaprojektowani do zasilania z niskiego napięcia. Na przykład, jeśli zestaw akumulatorów ma napięcie 12 V, można używać dowolnych urządzeń elektrycznych o napięciu 12 V, ładowarek samochodowych, telewizorów, pasków i żarówek LED 12 V, czajników samochodowych, lodówek samochodowych i wielu innych.
generator wiatrowy, sterownik, akumulatory
Wiatraki pionowe typu „Savonius” lub „Beczka” to wiatraki najmniej obrotowe i mało wydajne, dlatego aby uzyskać taką samą moc jak wiatrak poziomy, taki wiatrak będzie musiał być znacznie większy, zainstalować bardzo nisko- generator prędkości lub multiplikator, a ponieważ nie ma możliwości podniesienia tak ciężkiej konstrukcji na wysoki maszt, wiatrak powinien być generalnie dwa razy większy od wiatraka poziomego, a generator powinien być pięć do siedmiu razy większy. To sprawia, że koszt takich generatorów wiatrowych wzrasta pięciokrotnie w porównaniu do klasycznych.
Dlatego wiatraki typu Savonius nie cieszą się dużą popularnością i są dość rzadkie, choć w Internecie cieszą się dużą popularnością ze względu na mity na temat ich wydajności, bezgłośności i prostoty. W rzeczywistości KIJÓW takich turbin wiatrowych wynosi tylko 0,1-0,2 w porównaniu do 0,4 dla klasycznych turbin wiatrowych, bezgłośność jest również względna, ponieważ przy wietrze o prędkości 7 m/s wszystko hałasuje, nawet drzewa. A co do prostoty, to też mit, dużo łatwiej jest zamontować na generatorze trzy lekkie i proste łopatki, niż zamontować ogromny wirnik, którego nie da się ochronić przed huraganem, dlatego potrzebna jest większa wytrzymałość konstrukcyjna. Przykład takiego domowego generatora opisano w tym artykule - pionowy generator wiatrowy DIY
Generator wiatrowy typu beczkowegoIstnieją również inne typy pionowych generatorów wiatrowych, na przykład „Daria Rotor”, ma on nieco wyższą KIJÓW w porównaniu do turbiny wiatrowej typu beczkowego, ale ma bardzo niski moment rozruchowy, a jeśli są tylko dwie łopaty , wówczas nie będzie mógł sam się uruchomić – często dzieje się tak w przypadku rotora hybrydowego Savonius+Darieu. Istnieją inne typy z różnego rodzaju zakrzywionymi ostrzami, wielopiętrowe półlufy, ale w praktyce nie są one dalekie od zwykłej lufy ciętej.
Żeglarskie turbiny wiatrowe w zasadzie te same wiatraki poziome, ale ze względu na to, że całe koło wiatrowe jest pokryte żaglami i nie ma profilu aerodynamicznego, wiatraki takie są wolnoobrotowe i nieefektywne, ale mają duży moment obrotowy przy małych prędkościach i dzięki temu mogą bezpośrednio napędzają różne mechanizmy, na przykład pompę do podnoszenia wody. Odpowiednikiem wiatraka żaglowego są wiatraki wielołopatowe ze sztywnymi łopatami. Generatory
Generatory do wiatraków są najczęściej trójfazowe, podobne do tych stosowanych w samochodach, tylko w zależności od mocy i prędkości znamionowej, wymiary będą znacznie większe. Uzwojenie stojana jest trójfazowe, połączone w gwiazdę, po podłączeniu na wyjściu pozostają trzy przewody, które idą do sterownika, i tam za pomocą mostka diodowego napięcie przemienne zamieniane jest na napięcie stałe , czyli plus i minus. Wirnik generatora oparty jest na magnesach neodymowych, nie stosuje się tu wzbudzenia elektrycznego, jak w autogeneratorach, gdyż cewka wzbudzenia zużywa energię.
Aby zwiększyć prędkość, często stosuje się mnożnik, który zwiększa prędkość, dzięki czemu można uzyskać większą moc z istniejącego generatora lub zastosować generator o mniejszych rozmiarach i kosztach. Multiplikatory są często stosowane w pionowych generatorach wiatrowych, ponieważ ich koło wiatrowe obraca się znacznie wolniej niż w klasycznych poziomych turbinach wiatrowych.
Generator jest najdroższą częścią generatora wiatrowego, z wyjątkiem masztu, który może być bardzo kosztowny. Dlatego starają się maksymalnie zwiększyć prędkość generatorów wiatrowych, aby zainstalować mniejsze generatory. Właśnie dlatego poziome, trójłopatowe generatory wiatrowe stały się tak powszechne. Ma duże prędkości i nie wymaga mnożnika do podniesienia prędkości generatora, dzięki czemu konstrukcja jest znacznie tańsza i prostsza, a jednocześnie ma najwyższą wydajność.
Możesz sam wykonać generator, a nawet sam kompletny generator wiatrowy, na stronach witryny znajdują się wszystkie informacje na temat obliczania generatorów i turbin wiatrowych w ogóle. Generatory wykonywane są z silników asynchronicznych, z autogeneratorów, dużą popularnością cieszą się także tzw. generatory z dyskiem osiowym. O wiatrakach wykorzystujących takie generatory przeczytasz w dziale Wiatraki osiowo-tarczowe
Ceny i zastosowania turbin wiatrowych
Generatory wiatrowe są oczywiście drogie, ponieważ są to skomplikowane urządzenia, które nie są powszechnie stosowane, takie jak telewizory czy samochody. Ponadto, oprócz samego generatora wiatrowego, elektrownia wiatrowa zawiera akumulatory, sterownik i falownik, a maszt jest również kosztowną i integralną częścią generatora wiatrowego.
Generatory wiatrowe o mocy 300 watów bardzo słabe i trzeba zrozumieć, że przy nominalnym wietrze 10-12 m/s wytwarzają deklarowane 300 watów na godzinę, a przy wietrze 4-5 m/s moc wyniesie tylko 30-50 watów* H. Takie wiatraki wytwarzają bardzo mało energii, która wystarczy na przykład do zasilania drobnej elektroniki i energooszczędnego oświetlenia LED. Nie należy oczekiwać, że taki wiatrak będzie w stanie zapewnić energię dla lodówki, telewizora i oświetlenia w całym domu. Produkcja energii zależy bezpośrednio od obecności wiatru w miejscu zainstalowania turbiny wiatrowej.
Załóżmy, że przy średniej rocznej prędkości wiatru 3 m/s moc 300-watowego wiatraka wyniesie tylko około 3-6 kW na miesiąc, ale jeśli wiatr wieje codziennie ze średnią prędkością 5 m/s, wtedy moc wyniesie 15-20 kW, ale takie wietrzne miejsca nie występują wszędzie.
Ceny małych turbin wiatrowych zaczynają się od 15 000 rubli za generator wiatrowy ze sterownikiem bez akumulatorów i masztu. Kompletny zestaw składający się z generatora wiatrowego, sterownika, akumulatorów, masztu, falownika będzie kosztować od 50 000 rubli i więcej.
Aby zapewnić energię dla małego domu lub domku generator wiatrowy będzie potrzebował mocy 1 kW, produkcja energii ponownie zależy od obecności wiatru w Twojej okolicy, może wynosić 30-100 kW miesięcznie. W zasadzie taki generator wiatrowy wystarczy na oświetlenie, telewizor, komputer, pompę, ale generator wiatrowy może nie być w stanie poradzić sobie z całodobową pracą dużej lodówki. Ogólnie rzecz biorąc, gdy instaluje się generator wiatrowy, aby stale dostarczać energię do obszaru mieszkalnego, w którym energia jest potrzebna na co dzień, dodatkowo instaluje się generator benzynowy lub diesla, który ładuje akumulatory w okresach długotrwałego braku wiatru. Generator jest urządzeniem niezbędnym do zapewnienia całkowitej nieprzerwanej pracy autonomicznej elektrowni wiatrowej.
Koszt kompletnego zestawu wynosi od 150 000 rubli i może sięgać nawet 300-400 tysięcy rubli. Im większa pojemność akumulatora, tym dłuższy czas można zasilać z akumulatora przy braku dobrego wiatru. Baterii nie należy także głęboko rozładowywać, gdyż znacznie skróci to ich żywotność. Dlatego jeśli na przykład dziennie zużywa się 2 kW energii, wówczas energia w akumulatorach powinna wynosić co najmniej 10 kW.
Jeżeli planujesz zaopatrzyć w energię swój prywatny dom lub małe gospodarstwo rolne, wówczas potrzebny będzie wiatrak o mocy 3-5 kW. Koszt kompletnego zestawu wynosi od 300 000 rubli do 1 miliona rubli. Tu już jest spora moc i zużycie, więc oprócz ceny wiatraka drogie są też maszt, sterownik, mocny falownik, a do tego potrzeba dużo akumulatorów, żeby stabilnie dostarczać energię wszystkim sprzętom AGD.
Jeśli chcesz, aby generator wiatrowy ogrzewał także dom, musisz się temu przyjrzeć moc od 10 kW. Generalnie, aby autonomiczna elektrownia była optymalna w wytwarzaniu energii elektrycznej, jeden generator wiatrowy nie wystarczy. System powinien składać się zarówno z paneli słonecznych, jak i generatora gazu na wypadek, gdyby w ogóle nie było słońca ani wiatru. Sterownik musi sterować zarówno generatorem wiatrowym, jak i panelami słonecznymi, a gdy skończy się energia, uruchomić generator gazowy. Cały ten sprzęt jest drogi, ale jeśli nie ma możliwości podłączenia się do sieci energetycznej, rozwiązaniem jest inwestycja w elektrownię wiatrowo-słoneczną.
Elektrownia wiatrowo-słoneczna zapewnia energię elektryczną na wszystkie potrzeby prywatnego domu, co stanowi około 300 kWh miesięcznie. System składa się z dwóch generatorów wiatrowych o łącznej mocy znamionowej 3 kW oraz paneli słonecznych o mocy znamionowej 1,8 kW. Koszt tej elektrowni wyniósł 350 000 rubli. Przeczytaj więcej w artykule
Energetyka wiatrowa zadziwia różnorodnością i niecodziennym designem projektów generatorów wiatrowych. Istniejące projekty generatorów wiatrowych, a także proponowane projekty stawiają energetykę wiatrową poza konkurencją pod względem oryginalności rozwiązań technicznych w porównaniu do wszystkich innych minikompleksów energetycznych wykorzystujących odnawialne źródła energii.
Obecnie istnieje wiele różnych projektów koncepcyjnych generatorów wiatrowych, które można podzielić na dwa główne typy ze względu na rodzaj kół wiatrowych (wirniki, turbiny, śmigła). Są to turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (łopatkowe) i o osi pionowej (turbiny obrotowe, tzw. turbiny w kształcie litery H).
Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu. W wiatrakach o poziomej osi obrotu wał wirnika i generator znajdują się u góry, a układ powinien być skierowany w stronę wiatru. Małe turbiny wiatrowe są prowadzone za pomocą systemów łopatek wiatrowych, natomiast większe (przemysłowe) instalacje posiadają czujniki wiatru i serwa, które obracają oś obrotu w kierunku wiatru. Większość przemysłowych turbin wiatrowych wyposażona jest w przekładnie, które umożliwiają dostosowanie systemu do aktualnej prędkości wiatru. Ze względu na to, że maszt tworzy za sobą przepływy turbulentne, koło wiatrowe jest zwykle zorientowane w kierunku przeciwnym do przepływu powietrza. Łopaty koła wiatrowego są wystarczająco mocne, aby zapobiec ich kontaktowi z masztem podczas silnych podmuchów wiatru. Turbiny wiatrowe tego typu nie wymagają instalowania dodatkowych mechanizmów orientujących wiatr.
Koło wiatrowe może być wykonane z różną liczbą łopat: od jednołopatowych generatorów wiatrowych z przeciwwagami po wielołopatowe (o liczbie łopat do 50 i więcej). Koła wiatrowe o osi poziomej Obroty czasami wykonuje się w ustalonym kierunku, tj. nie mogą obracać się wokół osi pionowej prostopadłej do kierunku wiatru. Ten typ generatora wiatrowego stosuje się tylko wtedy, gdy występuje jeden dominujący kierunek wiatru. W większości przypadków układ, na którym mocowane jest koło wiatrowe (tzw. głowica) jest obrotowy, zorientowany w kierunku wiatru. Małe generatory wiatrowe wykorzystują w tym celu płetwy ogonowe, podczas gdy duże wykorzystują elektronikę do kontrolowania orientacji.
Aby ograniczyć prędkość obrotu koła wiatrowego przy dużych prędkościach wiatru, stosuje się szereg metod, m.in. instalowanie łopat w pozycji piórowej, stosowanie zaworów stojących na łopatach lub obracających się wraz z nimi itp. Łopaty można bezpośrednio przymocowany do wału generatora lub moment obrotowy może być przenoszony z jego obręczy przez wał wtórny na generator lub inną pracującą maszynę.
Obecnie wysokość masztu przemysłowego generatora wiatrowego waha się od 60 do 90 m. Koło wiatrowe wykonuje 10-20 obrotów na minutę. Niektóre systemy posiadają przełączalną skrzynię biegów, która umożliwia szybsze lub wolniejsze obracanie się koła wiatrowego w zależności od prędkości wiatru, przy jednoczesnym zachowaniu wytwarzania energii. Wszystkie nowoczesne generatory wiatrowe wyposażone są w system ewentualnego automatycznego wyłączenia w przypadku zbyt silnego wiatru.
Do głównych zalet osi poziomej zalicza się: zmienne nachylenie łopatek turbiny, pozwalające na maksymalne wykorzystanie energii wiatru w zależności od warunków atmosferycznych; wysoki maszt pozwala „dotrzeć” do silniejszych wiatrów; wysoka wydajność ze względu na kierunek koła wiatrowego prostopadły do wiatru.
Jednocześnie oś pozioma ma wiele wad. Należą do nich wysokie maszty dochodzące do 90 m wysokości i długie, trudne w transporcie lemiesze, masywność masztu, konieczność skierowania osi pod wiatr itp.
Silniki wiatrowe o pionowej osi obrotu. Główną zaletą takiego systemu jest brak konieczności ustawiania osi w kierunku wiatru, gdyż turbina wiatrowa wykorzystuje wiatr płynący z dowolnego kierunku. Ponadto upraszcza się konstrukcję i zmniejsza obciążenia żyroskopowe, powodując dodatkowe naprężenia w łopatkach, układzie przekładni i innych elementach instalacji z poziomą osią obrotu. Takie instalacje są szczególnie skuteczne na obszarach o zmiennym wietrze. Turbiny pionowo-osiowe działają przy małych prędkościach wiatru i dowolnym kierunku wiatru, bez orientacji na wiatr, ale mają niską wydajność.
Autorem pomysłu stworzenia turbiny o pionowej osi obrotu (turbina w kształcie litery H) jest francuski inżynier George Jean Marie Darius (Jean Marie Darier). Ten typ generatora wiatrowego został opatentowany w 1931 roku. W przeciwieństwie do turbin o osi poziomej, turbiny w kształcie litery H „wychwytują” wiatr zmieniający kierunek, nie zmieniając położenia samego wirnika. Dlatego generatory wiatrowe tego typu nie mają „ogona” i wyglądają jak beczka. Wirnik ma pionową oś obrotu i składa się z dwóch do czterech zakrzywionych łopatek.
Łopaty tworzą przestrzenną konstrukcję, która obraca się pod wpływem sił nośnych powstających na łopatach pod wpływem przepływu wiatru. W rotorze Daria współczynnik wykorzystania energii wiatru osiąga wartości 0,300,35. Ostatnio przeprowadzono prace nad silnikiem rotacyjnym Darrieus z prostymi łopatkami. Obecnie generator wiatrowy Darrieus można uznać za głównego konkurenta generatorów wiatrowych łopatkowych.
Instalacja ma dość wysoką wydajność, ale powoduje poważne obciążenia masztu. Układ charakteryzuje się także dużym momentem rozruchowym, który jest trudny do wygenerowania przez wiatr. Najczęściej odbywa się to pod wpływem czynników zewnętrznych.
Wirnik Savoniusa
Innym typem koła wiatrowego jest wirnik Savonius, stworzony przez fińskiego inżyniera Sigurta Savoniusa w 1922 roku. Moment obrotowy powstaje, gdy powietrze opływa wirnik w wyniku różnego oporu wypukłych i wklęsłych części wirnika. Koło jest proste, ale ma bardzo niski współczynnik wykorzystania energii wiatru - tylko 0,1-0,15.
Główną zaletą pionowych generatorów wiatrowych jest to, że nie potrzebują mechanizmu orientującego wiatr. Ich generator i inne mechanizmy znajdują się na małej wysokości w pobliżu podstawy. Wszystko to znacznie upraszcza konstrukcję. Elementy robocze znajdują się blisko podłoża, co ułatwia ich konserwację. Niska minimalna robocza prędkość wiatru (2-2,5 m/s) powoduje zmniejszenie hałasu.
Jednakże poważną wadą tych turbin wiatrowych jest znaczna zmiana warunków opływu skrzydła podczas jednego obrotu wirnika, który powtarza się cyklicznie podczas pracy. Ze względu na straty obrotowe w stosunku do przepływu powietrza większość turbin wiatrowych z pionową osią obrotu jest prawie o połowę mniej wydajna niż te z osią poziomą.
Poszukiwania nowych rozwiązań w energetyce wiatrowej trwają i pojawiają się już oryginalne wynalazki, np. turbożagiel. Generator wiatrowy montowany jest w postaci długiej pionowej rury o wysokości 100 m, w której ze względu na gradient temperatury pomiędzy końcami rury następuje silny przepływ powietrza. Sam generator elektryczny wraz z turbiną proponuje się zamontować w rurze, w wyniku czego przepływ powietrza zapewni obrót turbiny. Jak pokazuje praktyka eksploatacji takich generatorów wiatrowych, po rozkręceniu turbiny i specjalnym podgrzaniu powietrza przy dolnej krawędzi rury, nawet przy cichym wietrze (i spokoju), w rurze powstaje silny i stabilny przepływ powietrza . To sprawia, że takie turbiny wiatrowe są obiecujące, ale tylko na obszarach niezamieszkanych (podczas pracy taka elektrownia zasysa do rury nie tylko małe przedmioty, ale także duże zwierzęta). Instalacje te otoczone są specjalną siatką ochronną, a układ sterowania znajduje się w wystarczającej odległości.
Eksperci pracują nad stworzeniem specjalnego urządzenia do zagęszczania wiatru - dyfuzora (kompaktor energii wiatrowej). W ciągu roku tego typu turbina wiatrowa jest w stanie „złapać” 4-5 razy więcej energii niż konwencjonalna. Dużą prędkość obrotową koła wiatrowego uzyskuje się za pomocą dyfuzora. W jej wąskiej części przepływ powietrza jest szczególnie szybki, nawet przy stosunkowo słabym wietrze.
Generator wiatrowy z dyfuzorem
Jak wiadomo, prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością, co stwarza korzystniejsze warunki do wykorzystania generatorów wiatrowych. Latawce zostały wynalezione w Chinach około 2300 lat temu. Pomysł wykorzystania latawca do podniesienia generatora wiatrowego na wysokość jest stopniowo realizowany.
Latający generator wiatrowy
Szwajcarscy projektanci z firmy Etra zaprezentowali nowy projekt nadmuchiwanych latawców, które przy masie skrzydła 2,5 kg mogą unieść do 100 kg. Można je stosować do montażu na jednostkach pływających oraz podnoszenia turbin wiatrowych na duże wysokości (do 4 km). W 2008 roku podobny system został przetestowany podczas rejsu kontenerowca Beluga SkySails z Niemiec do Wenezueli (oszczędność paliwa wyniosła ponad 1000 dolarów dziennie).
Na przykład w Hamburgu firma Beluga Shipping zainstalowała taki system na masowcu Beluga SkySails z silnikiem Diesla. Latawiec w postaci paralotni o powierzchni 160 m2 wznosi się w powietrze na wysokość do 300 m dzięki sile nośnej wiatru. Skrzydło podzielone jest na przedziały, do których na polecenie komputera dostarczane jest sprężone powietrze za pomocą elastycznych rurek. Firma Beluga SkySails planuje do 2013 roku wyposażyć w taki system około 400 statków towarowych.
Ciekawym rozwiązaniem jest konstrukcja głowicy wiatrowej „Vetrolov”. Obrotowa obudowa generatora jest dość długa (około 0,5 m), w środkowej części (w odstępie od kołnierza generatora do łopatek) znajduje się mechanizm składania łopatek. Zgodnie z zasadą działania przypomina mechanizm otwierania parasola automatycznego, a ostrza przypominają skrzydło lotni. Aby podczas składania ostrza nie opierały się o siebie, ich osie mocowania są lekko przesunięte. Cztery ostrza (przez jedno) idą do wewnątrz, a cztery na zewnątrz. Po złożeniu powierzchnia oporu wiatraka zmniejsza się prawie czterokrotnie, a współczynnik oporu aerodynamicznego prawie dwukrotnie.
W górnej części wspornika wiatraka zamontowane jest „jarzmo” o pionowej osi obrotu. Na jednym końcu znajduje się generator wiatrowy, na drugim przeciwwaga. Przy słabym wietrze generator wiatrowy podnosi się ponad górny poziom podpory za pomocą przeciwwagi, a oś turbiny wiatrowej jest pozioma. Wraz ze wzrostem wiatru zwiększa się nacisk na koło wiatrowe i zaczyna ono spadać, obracając się wokół osi poziomej. Tak działa kolejny system „ucieczki” przed silnym wiatrem. Konstrukcja umożliwia wysunięcie wahaczy w taki sposób, aby generatory wiatrowe były instalowane jeden za drugim. Okazuje się, że jest to rodzaj girlandy identycznych modułów, które przy słabym wietrze stoją jeden nad drugim, a przy silnym wietrze opadają, „chowając się” w „cieniu wiatru” koła wiatrowego. Obejmuje to również zdolność systemu do dostosowania się do obciążenia zewnętrznego.
Projektanci Marcos Madia, Sergio Oashi i Juan Manuel Pantano opracowali przenośny generator wiatrowy Eolic. Do produkcji urządzenia wykorzystano wyłącznie aluminium i materiały z włókna węglowego. Po złożeniu turbina Eolic ma długość około 170 cm, aby rozłożyć Eolic do stanu roboczego, wystarczą 2-3 osoby, a proces ten zajmie 15-20 minut. Ten generator wiatrowy można złożyć do przenoszenia.
Obecnie istnieje wiele projektów i rozwiązań projektowych. W ten sposób francuski projektant Philippe Starck stworzył generator wiatrowy Revolution Air. Projekt wiatraka nosi nazwę „Ekologia Demokratyczna”.
Międzynarodowa grupa projektantów i inżynierów Home-energy zaprezentowała swój produkt – generator wiatrowy Energy Ball. Główną cechą nowego produktu jest ułożenie na nim ostrzy w kształcie kuli. Wszystkie są połączone z wirnikiem na obu końcach. Wiatr przechodząc przez nie wieje równolegle do wirnika, co zwiększa wydajność generatora. Energy Ball może pracować nawet przy bardzo małych prędkościach wiatru i wytwarza znacznie mniej hałasu niż konwencjonalne turbiny wiatrowe.
Wyjątkową turbinę wiatrową stworzyli projektanci z Samary. Stosowany w środowisku miejskim jest tańszy, bardziej ekonomiczny i wydajniejszy niż jego europejskie odpowiedniki. Generator wiatrowy Trietiakowski to wlot powietrza, który wychwytuje nawet stosunkowo słabe przepływy powietrza. Nowy produkt zaczyna generować energię użytkową już przy prędkości 1,4 m/s. Ponadto nie jest potrzebny kosztowny montaż: instalację można zamontować na budynku, maszcie, moście itp. Ma wysokość 1 m i długość 1,4 m. Sprawność jest stała - około 52%. Moc urządzenia przemysłowego wynosi 5 kW. W odległości 2 m hałas elektrowni wiatrowej wynosi niecałe 20 dB (dla porównania: hałas wentylatorów wynosi od 30 do 50 dB).
Amerykańska firma Wind Tronics z Michigan opracowała kompaktową turbinę wiatrową do zastosowania w prywatnych gospodarstwach domowych. Twórcą technologii jest firma Wind Tronics, a gigant produkcyjny Honeywell rozpoczął produkcję turbin wiatrowych. Projekt zakłada zerową szkodę dla środowiska.
W instalacji tej zastosowano wirnik turbiny Blade Tip Power System (BTPS), który pozwala generatorowi wiatrowemu pracować w znacznie szerszym zakresie prędkości wiatru, jednocześnie zmniejszając opór mechaniczny i masę turbiny. Wind Tronics zaczyna się obracać przy prędkości wiatru zaledwie 0,45 m/s i działa do prędkości 20,1 m/s! Z obliczeń wynika, że taka turbina generuje prąd średnio o 50% częściej i dłużej niż tradycyjne generatory wiatrowe. Nawiasem mówiąc, automatyka z stale podłączonym do niej anemometrem monitoruje prędkość i kierunek wiatru. Po osiągnięciu maksymalnej prędkości roboczej turbina po prostu obraca się w stronę wiatru opływową stroną. Automatyka systemu natychmiast reaguje na marznący deszcz, który może spowodować oblodzenie. Technologia została już opatentowana w ponad 120 krajach.
Zainteresowanie małymi turbinami wiatrowymi rośnie na całym świecie. Wiele firm pracujących nad rozwiązaniem tego problemu odniosło sukces w tworzeniu własnych, oryginalnych rozwiązań.
Firma Optiwind produkuje oryginalne turbiny wiatrowe Optiwind 300 (300 kW, koszt - 75 tys. euro) i Optiwind 150 (150 kW, koszt - 35 tys. euro). Przeznaczone są do zbiorowego oszczędzania energii na wsiach i w gospodarstwach rolnych (rys. 12). Główną ideą jest gromadzenie energii wiatrowej za pomocą ułożonych w stos konstrukcji kilku turbin na przyzwoitej wysokości. Optiwind 300 wyposażony jest w 61-metrową wieżę, platforma akceleratora ma średnicę 13 m, a średnica każdej turbiny wynosi 6,5 m.
Konstrukcja turbiny GEDAYC ma nietypowy wygląd (ryc. 13). Niska waga pozwala turbinie skutecznie obracać generator elektryczny przy prędkości wiatru 6 m/s. Nowa konstrukcja ostrza wykorzystuje zasadę podobną do „systemu” latawca. Turbiny GEDAYC zostały już zainstalowane na trzech turbinach wiatrowych o mocy 500 kW dostarczających energię do kopalń. Instalacja turbin GEDAYC i ich próbna eksploatacja pokazały, że dzięki nowej konstrukcji turbiny są lżejsze, wygodniejsze w transporcie i łatwiejsze w utrzymaniu.
Firma Earth Tronics opracowała nowy typ „domowych” turbin wiatrowych firmy Honeywell. System umożliwia wytwarzanie energii elektrycznej na końcach ostrzy, a nie na osi (jak wiadomo, prędkość obrotu końcówek ostrzy jest znacznie większa niż prędkość obrotu osi). Tym samym w turbinie Honeywell nie zastosowano przekładni i generatora jak w konwencjonalnych generatorach wiatrowych, co upraszcza konstrukcję, zmniejsza jej masę i próg prędkości wiatru, przy którym generator wiatrowy zaczyna wytwarzać prąd.
W Chinach powstał pilotażowy projekt generatora wiatrowego z lewitacją magnetyczną. Zawieszenie magnetyczne umożliwiło zmniejszenie początkowej prędkości wiatru do 1,5 m/s i tym samym zwiększenie całkowitej mocy generatora w ciągu roku o 20%, co powinno obniżyć koszt wytworzonej energii elektrycznej.
Firma Maglev Wind Turbine Technologies z siedzibą w Arizonie zamierza produkować turbiny wiatrowe Maglev Turbine o osi pionowej o maksymalnej mocy 1 GW. Ten egzotyczny model turbiny wiatrowej wygląda jak wieżowiec, ale jest niewielki w stosunku do swojej mocy. Jedna turbina Maglev może dostarczyć energię do 750 tysięcy domów i zajmuje obszar (łącznie ze strefą wykluczenia) około 40 hektarów. Turbina ta została wynaleziona przez wynalazcę Eda Mazura, założyciela MWTT. Turbina Maglev unosi się na lewitacji magnetycznej. Główne elementy nowej instalacji zlokalizowane są na poziomie gruntu, co ułatwia ich konserwację. Teoretycznie nowa turbina pracuje normalnie zarówno przy ekstremalnie słabym wietrze, jak i przy bardzo silnym (ponad 40 m/s). Spółka zamierza w pobliżu swoich turbin otwierać centra naukowo-dydaktyczne.
Studiując dorobek twórczy genialnego rosyjskiego inżyniera Władimira Szuchowa (1853-1939), specjaliści z Inbitek-TI LLC zwrócili uwagę na jego pomysły wykorzystania hiperboloidów z prętów stalowych w architekturze i budownictwie.
Potencjał takich konstrukcji nie został dziś w pełni zbadany ani zbadany. Wiadomo również, że Szuchow nazwał swoją pracę z hiperboloidami „badaniami”. Na podstawie jego pomysłów nastąpił rozwój wirnikowych generatorów wiatrowych o zupełnie nowej konstrukcji. Taka konstrukcja umożliwi wytwarzanie energii elektrycznej nawet przy bardzo małych prędkościach wiatru. Aby wystartować z spoczynku, wymagana jest prędkość wiatru 1,4 m/s. Osiąga się to poprzez wykorzystanie efektu lewitacji wirnika generatora wiatrowego. Generator wiatrowy tego typu jest w stanie rozpocząć pracę nawet przy wznoszących się prądach powietrza, które zwykle występują w pobliżu rzeki, jeziora lub bagna.
Inny ciekawy projekt – generator wiatrowy Mobile Wind Turbine – opracowali projektanci studia Pope Design (ryc. 17). Jest to mobilny generator wiatrowy umieszczony na podstawie ciężarówki. Do obsługi Mobilnej Turbiny Wiatrowej potrzebny jest jedynie operator-kierowca. Ten generator wiatrowy może być używany w strefach klęsk żywiołowych, podczas reagowania kryzysowego i podczas przywracania infrastruktury.
WNIOSEK
Obecny stan energetyki wiatrowej, proponowane projekty i rozwiązania techniczne generatorów wiatrowych i „kompaktorów wiatrowych” sprawiają, że niemal wszędzie możliwe jest tworzenie minielektrowni wiatrowych do użytku prywatnego. Dzięki rozwojowi technicznemu znacznie obniżono próg prędkości uruchamiania generatora wiatrowego, zmniejszają się także wskaźniki masy i wielkości turbin wiatrowych. Dzięki temu możliwa jest eksploatacja elektrowni wiatrowych w „domowych” warunkach.
Svetlana KONSTANTINOVA, kandydat nauk technicznych, profesor nadzwyczajny BNTU
Nowoczesny generator wiatru kinetycznego pozwala wykorzystać siłę prądów powietrza, zamieniając ją na energię elektryczną. W tym celu istnieją fabryczne i domowe modele urządzeń, które znajdują zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w prywatnych gospodarstwach domowych.
Opowiemy Ci, jak projektowane są turbiny wiatrowe tego typu, przedstawimy cechy urządzenia i możliwości konstrukcyjne. W zaproponowanym przez nas artykule przedstawiono mocne i słabe strony elektrowni wiatrowej. Miłośnicy majsterkowania znajdą tutaj przydatne schematy i zalecenia montażowe.
Działanie generatora wiatrowego opiera się na przemianie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną wirnika, która następnie zamieniana jest na energię elektryczną.
Zasada działania jest dość prosta: obrót łopatek przymocowanych do osi urządzenia powoduje ruchy okrężne generatora wirnikowego, wytwarzając w ten sposób prąd.
Energetyka wiatrowa to jeden z najbardziej perspektywicznych sektorów energii odnawialnej. Nowoczesne konstrukcje pozwalają w ekonomiczny sposób ujarzmić siłę prądów powietrza i wykorzystać ją do wytwarzania energii elektrycznej
Powstały niestabilny prąd przemienny „spływa” do sterownika, gdzie jest przetwarzany na napięcie stałe, które może ładować akumulatory. Stamtąd energia jest dostarczana do falownika, gdzie jest przekształcana na napięcie przemienne ze wskaźnikiem 220/380 V, które jest dostarczane do odbiorców.
Moc generatora wiatrowego zależy bezpośrednio od mocy strumienia powietrza (N), obliczonej według wzoru N=pSV 3 /2, gdzie V to prędkość wiatru, S to powierzchnia robocza, p to gęstość powietrza.
Różne wersje generatorów wiatrowych znacznie różnią się od siebie.
Poniższy schemat przedstawia wewnętrzną budowę klasycznego poziomego generatora wiatrowego. Takie modele są najczęściej stosowane zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym.
Urządzenia przemysłowe są złożoną wielometrową konstrukcją, której montaż wymaga fundamentu, natomiast model domowy może składać się z minimum elementów (silnik elektryczny prądu stałego 3-12V, kondensator elektryczny 1000 uF 6V, krzemowa dioda prostownicza).
Typowa instalacja obejmuje następujące komponenty:
Aby lepiej sprostać potrzebom użytkownika, urządzenie można wyposażyć w różnego rodzaju falowniki:
Wybierając modele, należy zwrócić uwagę na rodzaj falownika.
Klasyfikując turbiny wiatrowe, można wziąć pod uwagę następujące cechy:
Przyjrzyjmy się bliżej dwóm najczęściej stosowanym klasyfikacjom.
Istnieją typy turbin wiatrowych, które różnią się przeznaczeniem. Od tego zależą główne cechy urządzeń, na przykład moc.
Urządzenia takie instalują duże przedsiębiorstwa energetyczne lub państwo w celu dostarczania energii elektrycznej do obiektów przemysłowych. Turbiny o mocy kilkudziesięciu megawatów są zwykle instalowane na obszarach wiatrowych (otwarte wzgórza, wybrzeża).
Farmy wiatrowe, na których instaluje się dziesiątki turbin wiatrowych, zlokalizowane są nie tylko na lądzie, ale także w płytkiej wodzie. Powstała energia elektryczna jest zwykle wykorzystywana do celów przemysłowych
Wytworzona energia elektryczna z reguły trafia bezpośrednio do sieci, natomiast dla stabilności i regulacji prędkości obrotowej łopat turbiny wiatrowe wyposażane są w dodatkowe mechanizmy.
Instalacje takie służą do wytwarzania energii elektrycznej na sprzedaż lub do dostarczania energii elektrycznej do produkcji w regionach, w których istnieje sieć elektroenergetyczna małej mocy (lub w ogóle nie ma sieci elektroenergetycznej). Takie elektrownie wiatrowe składają się z klastra generatorów elektrycznych, które mogą mieć różną moc.
Energia z instalacji komercyjnych może być dostarczana bezpośrednio do zakładów energetycznych lub wykorzystywana do ładowania dużej liczby akumulatorów, gdzie jest magazynowana i przekształcana w celu zasilania sieci.
Agregaty małej mocy wykorzystywane są do użytku prywatnego. Zgodnie z przepisami turbiny wiatrowe z masztami o wysokości mniejszej niż 25 metrów mogą być instalowane przez właścicieli gruntów bez zgody władz, w przypadku wyższych masztów należy uzyskać specjalne pozwolenie.
Wiatraki małej i średniej mocy mogą służyć jako źródło energii elektrycznej dla domków letniskowych, daczy, domów wiejskich i gospodarstw rolnych
Przydomowe generatory wiatrowe nadają się do ładowania akumulatorów napięciem 12/24/48 V, z którego energia zamieniana jest na napięcie 220 V. Urządzenia takie pozwalają całkowicie lub częściowo rozwiązać problem zasilania małych obiektów, które znajdują się z dala od scentralizowanej sieci energetycznej.
Z wytycznymi dotyczącymi wyboru generatora wiatrowego do zasilania prywatnego domu, poświęconymi temu ciekawemu zagadnieniu.
W oparciu o cechy konstrukcyjne urządzenia można również podzielić na kilka kategorii, chociaż wszystkie odmiany sprowadzają się do dwóch głównych typów: poziomych.
Instalacje takie (zwane także śmigłem lub skrzydłem) posiadają zwykle 3-5 łopat zamontowanych na osi poziomej. Obracając się z dużą prędkością, takie elementy pozwalają uzyskać maksymalną ilość energii (KIJÓW do 0,4).
Ponadto ilość wytworzonego prądu w dużej mierze zależy od wysokości urządzenia (im wyższa, tym większy wynik).
Pozioma turbina wiatrowa wykorzystuje siłę nośną, która występuje, gdy ciśnienie wzrasta w miejscu, w którym bezpośredni przepływ powietrza przechodzi przez łopaty i odbija się od tych elementów.
Urządzenia te są zazwyczaj instalowane w farmach wiatrowych, gdzie wytwarzana jest energia do użytku przemysłowego i komercyjnego, ale nadają się również do użytku domowego.
Elementem wykonawczym takich instalacji jest obrotowe koło wiatrowe. Ze względu na cechy konstrukcyjne takie konstrukcje różnią się typem („Beczka”, „Savonius”).
Pomimo niskiego wskaźnika KIJÓW (0,1-0,2) są one szeroko stosowane: instalacje pionowe działają na turbulentnych przepływach powietrza, dzięki czemu można je umieszczać nawet w obszarach, w których rzadko wieją silne wiatry.
Działanie pionowych generatorów wiatrowych nie jest uzależnione od kierunku wiatrów. Są łatwe w montażu i obsłudze, a urządzenia tego typu można instalować blisko podłoża
Aby poprawić wydajność pionowych turbin wiatrowych, producenci często zwiększają ich parametry wymiarowe, co prowadzi do znacznego wzrostu kosztów. Ponieważ takie instalacje są dość delikatne, wymagają zwiększonej ochrony przed huraganami i innymi zjawiskami naturalnymi.
Takie urządzenia należą do kategorii pionowych turbin wiatrowych, ale mają wyraźne różnice w konstrukcji. Dzięki takim funkcjom osiąga się redukcję hałasu, a także zwiększa się KIJÓW, co zbliża się do wydajności modeli poziomych.
W energetyce wiatrowej szerokie zastosowanie znalazła turbina niskociśnieniowa o osi obrotu prostopadłej do powietrza, zaproponowana w 1931 roku przez francuskiego projektanta samolotów Georgesa Darrieusa.
Wadą takich konstrukcji jest niski moment rozruchowy (ze względu na obecność tylko dwóch łopatek samodzielne uruchomienie urządzenia jest trudne). Aby rozwiązać problem, często stosuje się hybrydę „Savonius + Darier”.
W przypadku takich instalacji można zastosować zasadę budowy zarówno pionowych, jak i poziomych turbin wiatrowych. Główną cechą konstrukcyjną jest koło wiatrowe pokryte wieloma łopatami lub żaglami, podczas gdy takie modele nie mają profilu aerodynamicznego.
Istnieje wiele modeli żaglowych generatorów wiatrowych, które różnią się liczbą łopat, wagą i mocą. Wszystkie te parametry należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia
Pomimo tego, że instalacje żeglarskie charakteryzują się małą prędkością i niską wydajnością, są one często wykorzystywane w gospodarce narodowej. Takie konstrukcje są łatwe w montażu i obsłudze, a połączenie wysokiego momentu obrotowego i niskiej prędkości pozwala bezpośrednio napędzać różne przydatne mechanizmy, na przykład pompę do wypompowywania wody.
Turbiny wiatrowe do działania wymagają konwencjonalnych generatorów trójfazowych. Konstrukcja takich urządzeń jest podobna do modeli stosowanych w samochodach, ale ma większe parametry.
Przyrządy turbin wiatrowych posiadają trójfazowe uzwojenie stojana (połączenie w gwiazdę), z którego wychodzą trzy przewody i idą do sterownika, gdzie napięcie przemienne przetwarzane jest na napięcie stałe.
Wirnik generatora turbiny wiatrowej wykonany jest z magnesów neodymowych: w takich konstrukcjach niewłaściwe jest stosowanie wzbudzenia elektrycznego, ponieważ cewka zużywa dużo energii
Aby zwiększyć obrót, często stosuje się mnożnik. Urządzenie to pozwala na zwiększenie mocy istniejącego generatora lub zastosowanie mniejszego urządzenia, co zmniejsza koszty instalacji.
Multiplikatory częściej stosowane są w pionowych generatorach wiatrowych, w których proces obracania się koła wiatrowego jest wolniejszy. W przypadku urządzeń poziomych o dużych prędkościach obrotowych łopatek nie są wymagane mnożniki, co upraszcza i zmniejsza koszty konstrukcji.
Specyfika montażu i instalacji generatora wiatrowego oraz turbiny wiatrowej została szczegółowo opisana w polecanych przez nas artykułach.
Rozważmy szczegółowo zalety i wady turbin wiatrowych, ponieważ od nich zależy decyzja o zakupie turbiny wiatrowej lub rezygnacji z niej.
Do zalet urządzeń wykorzystujących energię wiatru zalicza się:
Zastosowanie turbin wiatrowych może być alternatywą dla stosowania drogich generatorów diesla, dodatkowo obniżając koszty transportu i magazynowania paliwa nawet o 80%.
Średnia moc turbiny wiatrowej różni się kilkukrotnie od obciążenia szczytowego. Generator wiatrowy odpowiada jedynie za ilość energii wytworzonej w określonym czasie przy średniej miesięcznej prędkości wiatru charakterystycznej dla danego obszaru.
W celu dokładniejszej oceny zasobów wiatru można wykorzystać specjalnie wyprowadzone dane (parametry Weibulla). Wskaźniki te odzwierciedlają rozkład wiatrów o różnej sile, charakterystyczny dla danego obszaru. Warto uwzględnić takie informacje przy opracowywaniu projektów farm wiatrowych o mocy kilkudziesięciu MW.
Moc wytwarzana przez turbinę wiatrową jest proporcjonalna do trzykrotnej prędkości wiatru. W konsekwencji wskaźnik ten jest bardzo mały, gdy przepływy wiatru są słabe, ale gdy się nasilają, gwałtownie rośnie. Ze względu na zmienność kierunku i prędkości wiatru, w projekcie turbiny wiatrowej należy uwzględnić elementy stabilizujące.
Zasady i wzory obliczania mocy generatora wiatrowego, zalecamy zapoznanie się z bardzo przydatnymi informacjami.
W małych systemach autonomicznych ich funkcję pełnią akumulatory, których ładunek zaczyna rosnąć, gdy tylko moc generatora wiatrowego przekroczy obciążenie.
W miarę wzrostu obciążenia akumulator może się rozładować. Warto wziąć tę cechę pod uwagę przy wyborze jednostki gospodarstwa domowego, jej moc musi odpowiadać miesięcznemu lub rocznemu zużyciu energii elektrycznej
Należy zaznaczyć, że efektywne wykorzystanie przepływów wiatru ułatwia różnorodność konstrukcji generatorów wiatrowych.
Turbiny poziome sprawdzają się dobrze na terenach płaskich, gdzie jest dużo wiatru, natomiast turbiny pionowe sprawdzają się lepiej w regionach o turbulentnych przepływach znajdujących się nisko nad poziomem gruntu (górne wzgórza, pasma górskie).
Jednocześnie turbiny wiatrowe mają również swoje negatywne strony:
Do negatywnych aspektów można zaliczyć również dość wysoki koszt takich jednostek, jednak niski koszt źródła energii w dużej mierze równoważy ten czynnik.
Chociaż turbina wiatrowa może działać autonomicznie, znacznie lepsze wyniki można osiągnąć, stosując kombinowane schematy, które łączą turbinę wiatrową z panelami słonecznymi, scentralizowaną siecią energetyczną, źródłami energii diesla lub gazu.
Autonomiczna praca. W tym przypadku instalowana jest pojedyncza instalacja, za pomocą której wychwytywana i akumulowana jest energia wiatru, która następnie przetwarzana jest na prąd elektryczny potrzebny odbiorcom.
Schemat pokazuje najprostszy sposób wykorzystania generatora wiatrowego, który zaleca się stosować w regionach, w których stale wieją silne wiatry
Połączenie generatora wiatrowego z panelami słonecznymi. Połączona opcja jest uważana za niezawodną i wydajną metodę zasilania. W przypadku braku wiatru akumulator działa, a przy pochmurnej pogodzie i w nocy ładowanie odbywa się z turbiny wiatrowej.
Idealna opcja dla prywatnego domu lub gospodarstwa położonego z dala od scentralizowanej sieci energetycznej. Ten połączony program pozwala na wykorzystanie dwóch rodzajów energii odnawialnej
Połączona praca generatora wiatrowego i sieci energetycznej. Turbinę wiatrową można połączyć z komunikacją elektryczną.
Układ ten jest typowy dla urządzeń przemysłowych i komercyjnych. W przypadku niektórych modeli domowych generatorów wiatrowych zapewnione jest również połączenie z komunikacją elektryczną
W przypadku wyprodukowania nadwyżki energii elektrycznej trafia ona do sieci scentralizowanej, a w przypadku niedoboru istnieje możliwość wykorzystania prądu elektrycznego z ogólnego systemu energetycznego.
Obecnie turbiny wiatrowe znajdują zastosowanie w różnych sektorach gospodarki narodowej. Modele przemysłowe o różnej wydajności są wykorzystywane przez firmy naftowe i gazowe, firmy telekomunikacyjne, stacje wiertnicze i badania geologiczne, zakłady produkcyjne i agencje rządowe.
Turbina wiatrowa może być wykorzystana jako dodatkowe źródło energii w szpitalach i innych instytucjach, zapewniające ciągłość zasilania w sytuacjach awaryjnych
Na szczególną uwagę zasługuje znaczenie wykorzystania turbin wiatrowych do szybkiego przywracania uszkodzonej energii elektrycznej podczas kataklizmów i klęsk żywiołowych. W tym celu jednostki Ministerstwa Sytuacji Nadzwyczajnych często wykorzystują generatory wiatrowe.
Przydomowe turbiny wiatrowe doskonale nadają się do organizacji oświetlenia i ogrzewania w osiedlach domków letniskowych i domach prywatnych, a także do celów gospodarczych w gospodarstwach rolnych.
Jest kilka punktów do rozważenia:
Wybierając model należy wziąć pod uwagę, że wskaźnik mocy wskazany na urządzeniu osiągany jest tylko przy maksymalnej prędkości wiatru. Tym samym instalacja 300V wytworzy określoną ilość energii dopiero przy prędkości przepływu powietrza 10-12 m/s.
Dla tych, którzy chcą zbudować generator wiatrowy własnymi rękami, oferujemy go, który zawiera szczegółowe przydatne informacje.
Poniższy film zawiera szczegółowe informacje na temat zasady działania i konstrukcji domowego modelu generatora wiatrowego:
Generator wiatrowy jest doskonałym źródłem produkcji energii elektrycznej, co szczególnie docenią mieszkańcy odległych obszarów. Różne przedsiębiorstwa rosyjskie i zagraniczne oferują szeroką gamę konstrukcji wiatrowych, ponadto modele domowe można wykonać własnymi rękami.
Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Opowiedz nam o tym, jak zbudowałeś generator wiatrowy na swojej posesji lub o tym, jak działa turbina wiatrowa u sąsiadów. Zadawaj pytania, udostępniaj przydatne informacje i zdjęcia na dany temat.
W artykule zawarto informacje o generatorach wiatrowych, do czego są potrzebne, ich rodzajach, zaletach i wadach.
Podano także szczegółowe klasyfikacje typów konstrukcji i zasad działania elektrowni wiatrowej.
Generatory wiatrowe to ekonomiczny wynalazek, który pozwala na wytwarzanie prądu z wiatru.
Generatory wiatrowe mogą być:
Te wieloklapowe reagują bardzo wrażliwie na najmniejszy powiew powietrza, ale nie wytwarzają dużo energii. Świetnie nadają się do wypompowywania wody.
Ze względu na rodzaj użytego materiału generatory wiatrowe dzielą się na:
Uwaga specjalisty: Sztywne generatory wiatrowe są znacznie bardziej niezawodne niż żaglowe, ale są droższe.
Różnica między zasadą krokową polega na tym, że niektóre generatory mają krok stały, podczas gdy inne mają krok zmienny.
Skok stały wyróżnia się niezawodnością, skok zmienny szybko nabiera rozpędu, ale ma złożoną, niepraktyczną konstrukcję.
W zależności od położenia osi istnieją generatory wiatrowe:
Pomocna informacja: Poziome generatory wiatrowe wyróżniają się mocą, natomiast pionowe dobrze wychwytują wiatr.
Służą do przekształcania siły wiatru w siłę przeciwną lub energię podnoszenia.
Energia podnoszenia wytwarza większą siłę niż energia przeciwdziałania. Ten ostatni nie może nabrać prędkości powyżej prędkości wiatru.
Generatory przypominające koło są również wykonane z poziomym środkiem. Wykonywane są zarówno stacjonarnie względem pionu, jak i ze zróżnicowanym kierunkiem ruchu.
Gdy wieje silny wiatr, ustawiane jest ograniczenie obrotu koła. W takich przypadkach skrzydła ustawiają koło tak, aby obracało się inaczej, wykorzystują zawory do regulacji przepływu lub używają urządzeń do przesuwania koła z dala od wiatru. Skrzydła osadzone są zarówno na osi generatora, jak i na obrotowym wieńcu wału wtórnego.
Pionowe generatory obrotowe różnią się od poziomych wieloma zaletami:
Urządzenia te posiadają płyty, elementy turbin, wirniki Savonius z końcówkami w kształcie litery S w typie „karuzeli”.
W 1920 roku Francuz Georges Darrieus opracował nowy wirnik. W ten sposób Darrieus ogłosił się głównym twórcą generatorów wiatrowych ze skrzydłami. Generatory te zasilane są siłą generowaną przez zakrzywione skrzydła.
Rotor jest bardzo zwrotny, szybki i może mieć różne kształty, zarówno rombowe, jak i trójkątne. Dostępne z jednym lub wieloma skrzydłami.
Skrzydła wykonane są głównie z drewna, ale czasami także ze stali. Odbywa się to ze względu na ich zwinność i łatwość obsługi.
Wytwarzana energia elektryczna zależy bezpośrednio od siły wiatru i szerokości skrzydeł.
Odpowiednio, zwiększając rozmiar skrzydeł, można zwiększyć moc elektryczną.
Istnieją turbiny małe i średnie. Średnie są łatwe w użyciu i łatwe w produkcji.
W tej chwili nawet najpotężniejsze generatory wiatrowe nie są niestety w stanie zaopatrzyć w energię elektryczną dużych miast. Na potrzeby rolnictwa wykorzystywane są generatory wiatrowe o małej mocy, które zapewniają zaopatrzenie w wodę, co jest bardzo ekonomicznym sposobem.
Farmy wiatrowe to sieć wielu generatorów wiatrowych przetwarzających energię wiatru na energię elektryczną.
Obejmuje:
Działają one w następujący sposób: wiatr, stykając się ze skrzydłami generatora wiatrowego, wprawia je w ruch, uruchamiają się mechanizmy generatora elektrycznego, co prowadzi do wytworzenia energii elektrycznej.
W elektrowniach stosuje się różne typy konstrukcji:
Elektrownie wiatrowe są bardzo ekonomicznym sposobem wytwarzania energii elektrycznej, jednak ze względu na małą moc i bezpośrednie uzależnienie od warunków atmosferycznych nie są głównym źródłem energii elektrycznej.
Mogą utrudniać naturalny przepływ powietrza i w niewielkim stopniu zmieniać klimat. Budowa elektrowni zajmuje ogromne obszary w porównaniu do innych elektrowni.
Z jednej strony generatory wiatrowe są naturalnym źródłem energii elektrycznej, ich praca nie powoduje żadnej szkody dla człowieka i stanowi doskonałą, niewyczerpaną rezerwę.
Są one zróżnicowane i możesz wybrać najlepszy dla swoich potrzeb.
Generatory wiatrowe są często instalowane w gospodarstwach rolnych i na własnych działkach. Z drugiej jednak strony zależą one od warunków pogodowych, przepływu wiatru i mogą powodować niedogodności w postaci hałasu podczas pracy. Ponadto duże elektrownie mogą zakłócać fale radiowe i komunikaty przesyłane w powietrzu.
Ponadto ogromne elektrownie utrudniają migrację ptaków. Wytworzona moc, nawet z największych stacji, wciąż nie wystarcza, aby zapewnić energię elektryczną dużym miastom.
Obejrzyj film, który omawia funkcje operacyjne, a także zalety i wady generatorów wiatrowych:
Na początek ustalmy, że mówiąc o turbinach wiatrowych mamy na myśli tę część jednostki wiatrowej (APU), która zamienia energię wiatru na energię ruchu obrotowego. Turbina wiatrowa napędzana jest wiatrem i jest połączona bezpośrednio lub za pośrednictwem mechanizmu przekładniowego z wałem, którego obrót napędza urządzenia wykonujące użyteczną pracę (na przykład generator lub pompa wodna). Turbina wiatrowa jest często nazywana wirnikiem lub kołem wiatrowym.
W tym poście omówimy główne typy turbin wiatrowych. Amatorowi, który po raz pierwszy styka się z energetyką wiatrową, nie jest łatwo dokonać właściwego wyboru spośród wielu rodzajów tego typu instalacji.
Przede wszystkim musisz jasno wiedzieć, czego potrzebujesz, jakiej pożądanej mocy oczekujesz od swojej instalacji, jakie są warunki pogodowe w okolicy, a po wszystkim przejść do szczegółowej znajomości tego lub innego rodzaju wiatru turbina. A różne typy generatorów wiatrowych dają zupełnie inne efekty swojej pracy. W tej publikacji dowiesz się, jakie rodzaje generatorów wiatrowych istnieją dzisiaj, a po ich zapoznaniu się z dokonaniem właściwego wyboru nie będzie Ci trudno.
W przypadku skromnych apetytów odpowiednim wyborem będzie tzw. generator wiatru ortogonalnego, który można zastosować w obszarach o bardzo słabym wietrze. Posiada kilka ostrzy równoległych do osi, znajdujących się w pewnej odległości od niej. (Zobacz zdjęcie).
Tak więc generatory wiatrowe różnią się typem:
W zależności od ilości ostrzy mogą być one jedno, dwu, trzy lub wielołopatowe. Te ostatnie rozpoczynają swój obrót przy najmniejszym ruchu powietrza, ale mają zastosowanie tylko do celów, gdzie istotny jest sam fakt obrotu, a nie wytwarzana energia elektryczna. Oznacza to, że są niezbędne, powiedzmy, przy pompowaniu wody z głębokich studni.
Ze względu na materiały, z których wykonane są łopaty, rozróżnia się generatory wiatrowe sztywne i żaglowe. Żaglowe są znacznie tańsze od sztywnych z włókna szklanego czy metalu, jednak w trakcie eksploatacji można znudzić się ich naprawą.
Ze względu na położenie osi obrotu względem powierzchni gleby rozróżnia się poziome i pionowe generatory wiatrowe. Różnice między nimi są tak delikatne, że w różnych warunkach zmieniają miejsca w swojej wyższości. Wiatraki o osi pionowej natychmiast wychwytują najmniejszy powiew wiatru i nie wymagają wiatrowskazu, ale mają mniejszą moc niż wiatraki poziome.
W zależności od skoku śmigła, generatory wiatrowe mają zmienny i stały skok. Zmienny skok niewątpliwie umożliwia zwiększenie prędkości obrotowej, ale co za projekt! Jest to skomplikowane, zwiększa wagę wiatraka, czyli będzie wymagało nieobliczalnych dodatkowych kosztów. Stały krok jest znacznie prostszy i bardziej niezawodny.
To w skrócie Twój kompas, dzięki któremu nie zgubisz się w wyborze.
Konieczne jest także podanie listy niektórych terminów i skrótów, które będą stosowane w przyszłości.
Jak już wspomniano, w sprzedaży nadal znajdują się dwa rodzaje generatorów wiatrowych (w zależności od położenia wału obrotowego względem powierzchni ziemi) - poziome i pionowe. Porozmawiajmy najpierw o pionowych.
Jednostki wiatrowe (APU) z pionową osią obrotu mają niezaprzeczalną zaletę w życiu codziennym: ich podzespoły wymagające konserwacji są skupione na dnie i nie wymagają podnoszenia. Pozostaje, choć nie zawsze, łożysko wahliwe z podporą oporową, ale jest ono mocne i trwałe. Dlatego projektując prosty generator wiatrowy, wybór opcji należy rozpocząć od pionów.
Na pierwszym miejscu jest ten najprostszy, nazywany najczęściej rotorem Savonius.
Na początku października 1924 roku rosyjscy wynalazcy bracia Ya A. i A. A. Voronin otrzymali sowiecki patent na turbinę z wirnikiem poprzecznym, a rok później fiński przemysłowiec Sigurd Savonius zorganizował masową produkcję podobnych turbin. Chwała wynalazcy tego nowego produktu pozostaje z nami.
Wirnik Voronina-Savoniusa, w skrócie BC, to co najmniej dwa półcylindry umieszczone na pionowej osi obrotu (patrz zdjęcie). I bez względu na kierunek wiatru, bez względu na to, jak gwałtownie zmienia swoje porywy, taki wiatrak będzie spokojnie obracał się wokół własnej osi, wytwarzając energię. To jedyna i główna przewaga wiatraka pionowego nad poziomym.
A jego główną wadą jest niskie wykorzystanie energii wiatrowej. Wyjaśnia to fakt, że półcylindrowe ostrza wykonują tylko ćwierć obrotu, a przez resztę koła obrotowego wydają się spowalniać prędkość obrotową swoim ruchem. Obliczenia wykazały, że wykorzystywana jest jedynie jedna trzecia energii wiatru.
Uwaga: dwułopatowy samolot nie wiruje, ale szarpie gwałtownie; 4-łopatkowy jest tylko trochę gładszy, ale dużo traci w KIJOWI. Aby ulepszyć, ostrza 4-korytowe są najczęściej dzielone na dwie kondygnacje - parę łopatek poniżej i drugą parę, obróconą o 90 stopni w poziomie, nad nimi. KIJÓW jest zachowany, a obciążenia boczne mechaniki słabną, ale obciążenia zginające nieco rosną i przy wietrze większym niż 25 m/s taki APU znajduje się na wale, tj. bez łożyska rozciągniętego na kablach nad wirnikiem „burzy wieżę”.
W 1931 roku francuski projektant George Darrieus zaproponował własną wersję wirnika, który ma dwie lub więcej płaskich łopatek. To jeszcze prostsze niż BC: ostrza wykonane są z prostej elastycznej taśmy bez żadnego profilu. Łatwy w produkcji i montażu, ale o niskiej wydajności - KIJÓW - do 20%.
Teoria wirnika Darrieusa nie jest jeszcze dostatecznie rozwinięta. Wiadomo tylko, że zaczyna się rozwijać ze względu na różnicę w oporach aerodynamicznych garbu i kieszeni na taśmę, a potem nabiera prędkości, tworząc własny obieg. Moment obrotowy jest niewielki, a w położeniach początkowych wirnika równoległego i prostopadłego do wiatru jest całkowicie nieobecny, więc samoobrót jest możliwy tylko przy nieparzystej liczbie łopatek (skrzydeł?) W każdym razie obciążenie z generatora należy odłączyć na czas rozruchu.
Wirnik Daria ma jeszcze dwie złe cechy. Po pierwsze, podczas obrotu wektor ciągu ostrza opisuje pełny obrót względem jego aerodynamicznego skupienia, a nie płynnie, ale gwałtownie. Dlatego wirnik Darrieusa szybko psuje swoją mechanikę nawet przy stałym wietrze. Po drugie, Daria nie tylko hałasuje, ale krzyczy i piszczy, aż do zerwania taśmy. Dzieje się tak z powodu jego wibracji. A im więcej ostrzy, tym silniejszy ryk. Tak więc, jeśli robią Darię, to z dwoma ostrzami, z drogich, wytrzymałych materiałów dźwiękochłonnych (węgiel, mylar), a mały samolot służy do obracania się pośrodku masztu.
Inny rodzaj generatora wiatrowego z pionową osią obrotu - z wirnik helikoidalny. Jest w stanie obracać się równomiernie dzięki skręcaniu ostrzy. Zaleta: zmniejsza obciążenie łożyska i zwiększa żywotność. Jednak ze względu na złożoną technologię jest zbyt drogi. (Widzieć zdjęcie).
I wreszcie są generatory wiatrowe wirnik wielołopatkowy. Jest to jeden z najbardziej wydajnych typów pionowych generatorów wiatrowych. (Widzieć zdjęcie).
Przejdźmy do opisu poziomych generatorów wiatrowych. W zależności od liczby ostrzy dzieli się je na jedno, dwu, trzy i wielołopatkowe. Zaletami poziomych jest wyższa wydajność w porównaniu do ich pionowych rywali. Wada: konieczność zainstalowania wiatrowskazu, aby stale szukać kierunku wiatru. Dodatkowo przy skręcie w kierunku wiatru prędkość obrotowa maleje, co zmniejsza jej wydajność.
Główną zaletą jednołopatkowych jest ich duża prędkość obrotowa. Zamiast drugiej łopaty posiadają zamontowaną przeciwwagę, która w niewielkim stopniu wpływa na opory ruchu powietrza, co pozwala na zastosowanie ich w generatorach o dużych prędkościach obrotowych. A to pozwala zmniejszyć wagę i wymiary całej instalacji. (Patrz zdjęcie jednołopatowej turbiny wiatrowej).
Dwułopatowe turbiny wiatrowe niewiele różnią się mocą od jednołopatowych turbin wiatrowych i nie ma sensu ich bardziej szczegółowo rozważać.
Na rynkach zbytu najczęściej spotykane są poziome wiatraki trójłopatowe. Ich moc wyjściowa może osiągnąć siedem megawatów.
Instalacje wielołopatkowe z liczbą ostrzy do pięciu tuzinów mają dużą bezwładność, dzięki czemu wytwarzają wysoki moment obrotowy przy niskich prędkościach obrotowych. Zaleta ta pozwala na zastosowanie instalacji do obsługi pomp wodnych, gdzie zajmują wiodącą pozycję.
Kto nie wie, że turbiny wiatrowe służą jako źródło dodatkowe? Wszyscy są świadomi. Ale jak zawsze, to nie wystarczyło ludzkości; próbują zamienić kurczaka w strusia i, wyobraźcie sobie, mówiąc w przenośni, to się udaje. W wyniku niestrudzonych badań powstały zupełnie nowe typy generatorów wiatrowych, które są w stanie wytwarzać prąd... bez łopat. Są też tacy, którzy radzą sobie nawet bez powietrza i wiatru! Teraz bardziej szczegółowo.
Wypuszczono już dość skuteczny generator wiatrowy, który łapie wiatr bez łopatek. Ten generator wiatrowy działa na zasadzie żaglówki (patrz zdjęcie). „Żagiel”, przypominający raczej płytę, wychwytuje ciśnienie powietrza, dzięki czemu tłoki, które znajdują się bezpośrednio za płytą, w górnej części instalacji, zaczynają się poruszać.
Tłoki napędzają układ hydrauliczny, który wytwarza energię elektryczną. Taka konstrukcja nie ma przekładni ani nadajników i prawie nie generuje hałasu. Sprawność jest znacznie wyższa niż w przypadku klasycznego generatora wiatrowego. Między innymi koszty eksploatacji są o połowę niższe w porównaniu z instalacjami konwencjonalnymi. Krajem narodzin takiego projektu jest Tunezja.
Ale to okazało się za mało! W Portugalii postanowiono nie korzystać z usług wiatrowych, lecz wykorzystać wodę morską. Przecież morze ciągle się porusza, jest wzburzone, czasem burzliwe, ale nigdy się nie zatrzymuje. Jest oczywiste, że energia kinetyczna jest marnowana.
A pięć lat temu, kilka kilometrów od wybrzeża, na wodach Oceanu Atlantyckiego uruchomiono instalację, która wytwarza ponad 2 megawaty energii elektrycznej, co wystarczy do oświetlenia ponad półtora tysiąca domów.
Schematyczna struktura jest następująca. Konstrukcja składa się z trzech sekcji, pomiędzy którymi znajdują się tłoki. Wewnątrz sekcji zamontowane są silniki hydrauliczne i generatory. Zasada działania jest niezwykle prosta. Sekcje kołyszą się na falach, które je uginają, co wprawia w ruch tłoki hydrauliczne. Wywierają nacisk na olej, dostaje się on do silników hydraulicznych, a następnie ruch jest przenoszony na generatory. To wszystko, prąd zszedł na brzeg.
Obecnie pracują trzy sekcje, planują podłączyć do nich kolejnych 25 takich przetwornic, a następnie moc projektowa instalacji morskiej wzrośnie do 20 megawatów, co pozwoli na zaopatrzenie w prąd około 15 000 domów.
Teraz wierzysz, że z kurczaka możesz stworzyć prawdziwego strusia!
Elektrownie pływakowe budowane są na całym świecie, m.in. w Rosji:
