Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.

Расчёт

Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.

Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P - мощность;
D - диаметр винта в м;
V - скорость ветра в м/сек.

Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.

Виды

На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:

Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.

Преимущества:

• Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
• Простота изготовления;
• Большое разнообразие моделей.

Недостатки:

• Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
• Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
• Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.

Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.

Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.

Выбор модели

Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.

Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.

Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.

И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.

Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.

Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.

Новейшие разработки

Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.

Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.

Электричество сегодня считается чем-то обыденным, ведь оно есть в каждом доме. И никто не задумывается, откуда оно берется. Электричество в основной массе вырабатывается электростанциями, работающими на нефти, природном газе, ядерном топливе или угле. Эти традиционные источники представляют определенную опасность для окружающей среды, вследствие чего все большее внимание уделяется альтернативным видам энергии. К последним можно отнести ветрогенераторы, которым для выработки электричества нужен лишь ветер.

Устройство

Конструктивно ветрогенераторы в большинстве случаев предполагают наличие следующих элементов:

Лопасти турбины (пропеллер).
Турбина (вращающаяся часть).
Электрогенератор.
Ось электрогенератора.
Инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный, для возможности зарядки батареи.
Механизм вращения лопастей.
Механизм вращения турбины.
Аккумулятор.
Мачта.
Контроллер вращения(анемометр).
Демпфер.
Датчик ветра и анемоскоп.
Хвостовик анемоскопа.
Гондола и ряд других элементов.

В зависимости от вида ветрогенератора конструкция и входящие в него элементы могут разниться. К примеру, промышленные устройства также предусматривают наличие системы молниезащиты, силового шкафа, поворотного механизма, надежного фундамента, системы пожаротушения, системы изменения угла атаки лопасти, телекоммуникационной системы для передачи информации о работе ветрогенератора и так далее.

Принцип действия

Ветрогенератор представляет устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Прародителями современных видов ветрогенераторов являются ветряные мельницы, которые применялись для получения муки из зерен. И принцип их работы изменился ненамного: лопасти вращают вал, который передает необходимую энергию на другие элементы.

1. Ветер вращает лопасти, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора.
2. При вращении ротора образуется трехфазный переменный ток.
3. Полученный ток направляется на аккумуляторную батарею через контроллер. Аккумуляторы применяют для создания стабильности работы ветрогенератора. Генератор заряжает аккумуляторы при наличии ветра. При его отсутствии всегда можно взять энергию с аккумулятора, чтобы потребитель не прекращал получать электричество.
4. С целью защиты от ураганов в ветрогенераторах применяется система с уводом ветроколеса от ветра при помощи складывания хвоста, либо торможения ветроколеса электротормозом.
5. Для зарядки аккумуляторов ставится контроллер между ветряком и АКБ. Он отслеживает зарядку АКБ, чтобы не испортить аккумуляторы. При необходимости он может сбрасывать лишнюю энергию на определенный балласт, к примеру, большой резистор или тэны для отопления.
6. В аккумуляторах имеется лишь постоянное низкое напряжение рядностью 12/24/48 вольт. Однако потребителю нужно напряжение в 220 вольт, именно поэтому ставится инвертор. Это устройство преобразует постоянное напряжение в переменное, создавая напряжение в 220 вольт. Естественно, что можно обойтись и без инвентора, но придется использовать электрические приборы, специально рассчитанные на низкое напряжение.
7. Преобразованный ток направляется потребителю, чтобы питать отопительные батареи, освещение, телевизор и иные устройства.

В промышленных ветряках могут применяться и другие элементы, которые обеспечивают автономную работу устройства.

Типы и виды ветрогенераторов

Классифицировать ветряки можно по материалам, количеству лопастей, шагу винта и оси вращения.

Выделяют два основных типа ветрогенераторов по оси
вращения:

1. С горизонтальной осью круглого вращения, то есть крыльчатые.
2. С вертикальной осью вращения, то есть «лопастные» ортогональные, «карусельные».

Горизонтальные классические ветрогенераторы имеют пропеллер (в большинстве случаев трехлопастной), а вертикальные ветряки обладают ветроколесом, которое вращается вертикально.

По количеству лопастей ветряки могут быть:

1. Трехлопастные и двухлопастные.
2. Многолопастные.

Вращение многолопастных ветряков начинается при слабом ветре, тогда как для двухлопастных и трехлопастных устройств требуется более сильный ветер. Однако каждая
дополнительная лопасть создает дополнительное
сопротивление ветроколеса, вследствие чего достигнуть рабочих оборотов генератора становится сложнее.

По материалам лопастей ветряки могут быть:

1. Парусные генераторы.
2. Жесткие лопасти ветрогенератора.

Парусные лопасти дешевле и проще в изготовлении, однако, когда необходима стабильная и надежная работа для автономного электроснабжения они не подойдут.

По шагу винта:

1. Изменяемый шаг винта.
2. Фиксированный шаг винта.

Изменяемый шаг винта дает возможность повысить диапазон эффективных скоростей работы. В то же время данный механизм неизбежно,

1) усложняет конструкции лопасти,
2) снижает общую надежность ветрогенератора,
3) утяжеляет ветроколесо и требует дополнительного усиления конструкции.

Применение

Устройства могут использоваться в различных местах. В большинстве случаев в открытые пространства, где большой потенциал ветров:

В то же время генераторы современных конструкций дают возможность задействовать энергию даже слабых ветров – от 4 м/с. Благодаря им можно решать задачи электроснабжения и энергосбережения объектов любой мощности.

1. Стационарные ветряные электростанции в виде альтернативных источников энергии способны полностью обеспечить электрической энергией небольшой производственный объект или жилой дом. В периоды отсутствия ветра необходимый запас электроэнергии будет выбираться из аккумуляторных батарей. Они отлично могут сочетаться с фотоэлектрическими батареями, газовым или дизельным генератором.
2. Ветрогенераторы могут использоваться и для экономии при наличии центральной электросети.
3. Ветроустановки средней и малой мощности часто используются владельцами фермерских хозяйств и домов, удаленных от централизованных электросетей, в качестве автономного источника.

Типы ветрогенераторов
Ветрогенераторы представляют устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Двухлопастные, трехлопастные, многолопастные…

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветряка и положению его в потоке ветра системы ветродвигателей разделяются на три класса:
1. Крыльчатые ветрогенераторы имеют ветроколесо с тем или иным числом крыльев. Плоскость вращения ветроколеса у крыльчатых ветродвигателей перпендикулярна направлению ветра, следовательно, ось вращения параллельна ветру
(фиг. 5,а). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей достигает ξ= 0,42.
2. Карусельные и роторные ветрогенераторы имеют ветроколесо (ротор) с лопастями, движущимися в направлении ветра, ось вращения ветроколеса занимает вертикальное положение (фиг. 5,б). Коэффициент использования энергии ветра этих ветродвигателей равен от 10 до 18%.
3. Барабанные ветрогенераторы имеют такую же схему ветроколеса, как и роторные, и отличаются от них лишь горизонтальным положением ротора, т. е. ось вращения ветроколеса горизонтальна и расположена перпендикулярно потоку ветра (фиг. 5,г). Коэффициент использования энергии ветра этих ветряков от 6 до 8%.

Так как крыльчатые ветрогенераторы работают значительно эффективнее карусельных и роторных, то в дальнейшем изложении мы будем говорить только о крыльчатых ветродвигателях.

Крыльчатый ветродвигатель состоит из следующих элементов (фиг. 6):
1. Ветряк может иметь от 2 до 24 лопастей. Ветряки с числом лопастей от 2 до 4 называются малолопастными, если у ветроколеса более 4 лопастей, то оно называется многолопастным.
2. Головка ветродвигателя представляет опору, на которой монтируется вал ветроколеса и верхняя передача (редуктор).
3. Хвост крепится к головке и поворачивает ее около вертикальной оси, устанавливая ветроколесо на ветер.
4. Башня ветродвигателя служит для выноса ветроколеса выше препятствий, нарушающих течение воздушного потока. Маломощные ветродвигатели, работающие на генератор, обычно монтируются на столбе или трубе с растяжками.
5. У основания башни вертикальный вал приключается к нижней передаче (редуктору), которая передает движение рабочим машинам.
6. Регулирование оборотов ветроколеса представляет приспособление или механизм, с ограничивающий обороты ветроколеса с увеличением скорости ветра.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты
Ветрогенераторами называют двигатели, преобразующие энергию ветра в механическую работу. По устройству ветрогенератораа и положению его в потоке ветра типы ветрогенераторов разделяются на тр

Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра. Энергия ветра применялась людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.

Принцип действия ветрогенератора:

1. Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
2. Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
3. Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.

Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

1. Оси вращения.
2. Количеству лопастей.
3. Материалу, из которого выполнены лопасти.
4. Шагу винта.

Классификация по оси вращения:

1. Горизонтальные.
2. Вертикальные.

Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.

Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.

Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.

Классификация по количеству лопастей:

1. Двухлопастные.
2. Трехлопастные.
3. Многолопастные (50 и более лопастей).

По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Классификация по материалам лопастей:

1. Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
2. Парусные ветрогенераторы.

Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратны, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.

Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.

Классификация по шагу винта:

1. Фиксированный шаг винта.
2. Изменяемый шаг винта.

Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.

Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.

Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы
Классификации ветряных турбин по видам, строению и принципам работы схемы и фотографии

В этой статье мы постараемся дать ответ на вопрос читателям портала сайт- что же такое ветрогенератор, в чем заключается его работа и отличия.

Ветрогенератор – это техническое устройство, посредством которого кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую энергию, для использования потребителями.

В соответствии с нижеприведенной схемой, принцип работы ветрового генератора можно описать следующим образом:

Ветрогенераторы различаются по конструкции, способу установки и монтажа, и у каждого вида есть свои достоинства и недостатки, они бывают:

С горизонтальной осью вращения

Ось ротора и ведущая ось расположены параллельно поверхности земли.

Бывают однолопастные (№1), двухлопастные (№2), трехлопастные (№3) и многолопастные (№4), с количеством до 50 штук.

Достоинства данного вида:

• Высокий КПД;

Недостатки:

• Необходимость в ориентации по направлению воздушных потоков;
• Необходимость монтажа высокой конструкции для установки устройства, причем, чем выше мощность агрегата, тем выше должна быть конструкция (мачта);
• Необходимость устройства фундамента для монтажа мачты, что приводит к удорожанию монтажных работ;
• Высокий уровень шума в процессе эксплуатации;
• Потенциальная опасность для птиц и иных летающих организмов.

С вертикальной осью вращения

Ось вращения расположена вертикально по отношению к поверхности земли.

Данный вид устройств можно разбить на несколько групп, это:

Данная конструкция состоит из нескольких полуцилиндров. При этом ось постоянно вращается, вне зависимости от потоков ветра и их интенсивности.

Достоинства конструкции:

• Высокая технологичность конструкции;
• Значительный пусковой крутящий момент;
• Способность работать при малых воздушных потоках.

Недостатки:

• Низкая эффективность работы лопастей;
• Значительная потребность в материалах при изготовлении.

В данной конструкции, на оси вращения закреплены несколько лопастей, представляющих из себя плоскую полосу. На схеме приведены следующие виды данного типа устройств:

1 – классический вариант ротора Дарье.

2 – ротор Дарье тина Н (ортогональным ротором).

3 – винтообразный ротор Дарье (с гелиокоидным ротором).

Достоинства конструкции:

• Нет необходимости в ориентации на воздушные потоки;
• Простота изготовления лопастей;
• Простота и удобный способ обслуживания.

Недостатки:

• Низкий КПД установок;
• Непродолжительные межремонтные циклы опорных узлов и элементов конструкции;
• Имеют слабую способность к самозапуску, при наличии двух лопастей, при равномерных потоках ветра.

С геликоидный ротором

Является модификацией устройств с ротором Дарье. На выше приведенной схеме — №3.

Достоинства конструкции:

• Более продолжительные сроки эксплуатации, в сравнении с классическим вариантом ротора Дарье;

Недостатки:

• Более высокая стоимость в сравнении с классическим вариантом;
• Более трудоемкий и сложный процесс изготовления лопастей.

Является модификацией устройств с ротором Савоуниса. В данной конструкции присутствуют два ряда лопастей. Первый ряд - неподвижный, он захватывает воздушный поток и сжимает его, в связи с чем скорость воздушного потока увеличивается. После этого поток воздуха поступает на второй ряд, работающий по принципу ротора Савоуниса.

Достоинства конструкции:

• Высокая эффективность в работе;
• Способность работать при малых потоках ветра.

Недостатки:

• Высокая стоимость.

Данная конструкция является основой выше приведенных - ось вращения располагается
вертикально, к ней прикреплены несколько лопастей, расположенных параллельно оси и удаленных от нее на определенное расстояние.

На выше приведенной схеме это №2 – ротор Дарье тина Н.

Достоинствами конструкции:

• Отсутствие механизмов ориентации по ветровым потокам;
• Простота в эксплуатации и обслуживании.

Недостатки:

• Непродолжительные межремонтные циклы опорных узлов и элементов конструкции.

Работающие на водяных каплях

Эта конструкция еще промышленно не производится. В ее состав входит металлическая
рама, внутри контура которой, горизонтально размещены изолированные трубки. В каждой трубке имеются специальные сопла и электроды. Принцип действия основан на генерировании и накоплении энергии с помощью капель воды, которые выходят из специальных сопел.

Капли воды положительно заряжены, и под воздействием ветровых потоков они сносятся к положительно заряженным электродам. Это приводит к увеличению потенциальной энергии положительно заряженной капли. Электроэнергия получается, когда капли воды попадают на положительно заряженный электрод.

Генератор данного типа внешне напоминает спутниковую антенну. Для монтажа
используется мачта, как и в случае с ветряками, имеющими горизонтальную ось вращения. А также эти конструкции похожи и по ориентации в воздушных потоках – используется хвостовик, благодаря чему «тарелка», постоянно находится в плоскости перпендикулярной направлению ветра.

«Парус» закреплен и растянут на круглой раме и под воздействием ветра совершает колебательные движения. Эти движения, посредством системы тяг, передаются на поршни гидравлической системы, в которой механическая энергия колебаний преобразуется в давление жидкости. Гидравлическое давление жидкости преобразуется во вращательное движение привода, к которому подсоединен электрический генератор, вырабатывающий электрически ток.

Достоинствами конструкции являются:

• Способность работать при малой скорости ветра;
• Малый вес конструкции;
• Ремонтопригодность и простота обслуживания;
• Экологическая безопасность устройств;
• Простота монтажа

Недостатки:

• При использовании на территориях, где сильные ветра, основные преимущества пред прочими конструкциями, теряют свою актуальность.

Для того чтобы выбрать ветрогенератор необходимо:

Популярные модели и марки

В настоящее время ветровые генераторы выпускают как отечественные производители, так и зарубежные.

Среди отечественных моделей наибольшим спросом пользуются:

Среди зарубежных моделей, широко распространены ветровые генераторы:

• Zonhan Windpower Co, Ltd (Китай), с горизонтальной осью вращения, мощностью от 0,3 до 5,0 кВт;
• Bekar Europe GmbH (Германия), с вертикальной осью вращения, мощностью от 0,5 до 60,0 кВт.

Средние цены

Стоимость ветряных генераторов зависит от конструкции, мощности, страны и фирмы производителя.

Стоимость рассмотренных выше моделей составляет:

• EnergyWind, в зависимости от мощности (от 1,0 до 10,0 кВт), составляет от 68000,00 до 650000,00 рублей, соответственно.
• Exmork от копании Zonhan Windpower Co, Ltd (Китай), в зависимости от мощности (от 0,3 до 5,0 кВт), составляет от 30000,00 до 260000,00 рублей, соответственно.
• Bekar, в зависимости от мощности (от 0,5 до 60,0 кВт), составляет от 43000,00 рублей.

Плюсы и минусы

К достоинствам использования энергии ветра, а соответственно и ветровых генераторов,
относятся следующие:

• Энергия ветра – это возобновляемая энергия, обладающая неисчерпаемостью ресурсов;
• Экологичность энергетического ресурса и процесса производства электрической энергии;
• Способность быстрого выполнения монтажа установок и обеспечения потребителей электрической энергией;

К недостаткам можно отнести следующие:

• КПД установок зависит от времени года, погодных условий и региона монтажа агрегата;
• Высокий уровень шума при работе агрегатов;
• Опасность для пернатых обитателей региона, где установлен ветровой генератор;
• При промышленном производстве электрической энергии, при использовании ветровых генераторов, требуются значительные площади земли.

В связи с возрастающей потребностью в энергоресурсах, а также с уменьшением запасов обычных энергоносителей, развитие зеленой энергетики, становится все более актуальным.

Ученые и инженеры разных стран разрабатывают новые модели ветроустановок, с целью
увеличения доли положительных свойств агрегатов и минимизирования отрицательных.

Такими примерами могут служить плавающие и парящие ветрогенераторы. Плавающие устанавливаются далеко от берега и занимают земельные участки, их работа является наиболее эффективной благодаря постоянству морских ветров. Эффективны и парящие генераторы, т. к., чем выше он поднят над поверхностью земли, тем больше скорость ветра.

Доля электрической энергии, производимой ветряными электростанциями, постоянно растет. Это происходит как в нашей стране, а так и во всех, технически развитых странах.

В России, в перспективе, планируется что доля вырабатываемой электрической энергии ветровыми электростанциями, составит около 30%, от всего производства электроэнергии в стране.

В двадцатые годы двадцатого века об электрификации всей страны в Стране Советов только мечтали. Мечта, в общем, стала явью. Однако есть еще и на территории постсоветского пространства, и во всем мире места, не опутанные проводами ЛЭП. Вот и вынуждены фермеры, рабочие в тайге, полярники искать альтернативные источники энергии. Об одном из них, ветрогенераторах, и пойдет речь в статье.

Нужен ли вам ветрогенератор?

Итак, что же такое ветрогенератор или в просторечии ветряк? Кому и зачем он может быть полезен?

Даже если вы не проводите исследований во льдах Антарктиды и не разводите коров на ферме, не валите лес в тайге и не занимаетесь разработками различных месторождений в местах, где не ступала нога человека, не спешите отвечать отрицательно на вопрос:”Нужен ли вам ветрогенератор?”. Давайте сначала выясним, что это такое и каковы его возможности.

Как уже было сказано выше, ветряк - это альтернативный источник энергии. Если говорить конкретнее, это устройство, превращающее энергию ветра в электричество.

Может ли такое устройство быть полезным не в экстремальных условиях, а в обычной жизни? Конечно, может. На дачных участках, где нет электричества, в населенных пунктах, где оно есть, но вырабатывается с большими перебоями и часто отключается, ветряк, несомненно, пригодится.

В последнее время наметилась тенденция оснащать коттеджи автономным источником энергии. Ветрогенератор в таком случае - один из наиболее популярных вариантов, ведь он экологически чистый, не требует сырья и не образует отходов.

Как работает ветрогенератор?

Для ответа на этот вопрос сначала рассмотрим его устройство.

В любой ветроустановке обязательно должны быть:

Схему работы устройства в самом упрощенном виде можно представить так: ветер вращает лопасти, которые, в свою очередь, приводят в движение ротор. Далее происходит превращение механической энергии в электрическую.

Вращаясь, ротор генератора вырабатывает трехфазный переменный ток, от которого электроприборы работать не могут, поэтому его нужно преобразовать.

С этой целью в конструкции ветряка предусмотрены контроллер. Он превратит ток, идущий с генератора, в постоянный. От последнего заряжаются аккумуляторные батареи. Проходя через них, ток поступает на инвертор, где и приобретает характеристики, приемлемые для работы наших электроприборов. Из постоянного он вновь становится переменным, но с уже привычными нам показателями: однофазным, с напряжением в 220 В и частотой в 50 Гц.

Все ли ветрогенераторы одинаковы?

Несмотря на то, что принцип работы всех ветряков примерно одинаков, существует множество классификаций этих источников энергии. Если рассматривать именно устройства для дома, то наибольшее значение имеют материалы, используемые для изготовления лопастей, их количество, направление оси вращения по отношению к земной поверхности, а также шаговый признак винта. Рассмотрим коротко каждый из видов.

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

Разновидности ветрогенераторов

Ветрогенераторы, как уже отмечалось выше, могут отличаться не только количеством лопастей, но и материалами, которые применяются для их изготовления. Лопастная система может быть жесткой, изготовленной из металлов или стеклопластика, а может - парусной, более дешевой, но менее практичной.

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

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

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

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

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

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

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

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

Конструируем ветрогенератор самостоятельно

Конечно, такая цена делает ветрогенераторы доступными далеко не для всех. Если вы решили, что ветряк вам просто необходим, но купить его вы не имеете возможности, или не желаете тратить деньги на его установку, можно попробовать изготовить такой источник энергии самостоятельно. Для этого вам понадобится схема устройства, чертеж и, конечно же, набор необходимых деталей.

Описание работы со всеми схемами, чертежами и пошаговыми инструкциями (иногда даже с фото) вам выдаст любая поисковая система. Однако не спешите приступать к работе по первой же попавшейся инструкции. Лучше сначала детально изучить принцип действия и процесс сборки нескольких конструкций, выбрать ту, которая подходит вам по мощности, доступности деталей и сложности изготовления, и только потом приступать к работе.

Итак, в каждом самодельном ветряке должны быть:

• лопасти;
• генератор;
• мачта;
• а также установка, преобразующая электрический ток.

Каждую из этих деталей можно изготовить самостоятельно или переделать из уже существующей. Так, например, для изготовления лопастей подойдут трубы из ПВХ или алюминия. Есть также схемы изготовления их из дерева или стеклопластика. Все эти способы изготовления лопастей подходят для горизонтальных ветряков, которые рекомендуют специалисты для самодельного домашнего или дачного ветряка. Лопасти же вертикального устройства легко изготовить из пластиковой или металлической бочки.

Способов изготовления генератора тоже существует немало. Один из самых распространенных - это самостоятельно собранный на основе неодимовых магнитов дисковый генератор. Его недостаток - это высокая цена магнитов и их большое количество, достоинством же является простота сборки.

Еще один способ - переделать готовый генератор асинхронного электродвигателя. В этом случае достаточно переточить ротор и перемотать катушки статора. Последнее - самая сложная часть процесса. Тем не менее, и она вполне осуществима в домашних условиях.

Готовые автомобильные или велосипедные генераторы тоже подойдут.

В качестве мачты послужит стальная труба длиной не менее пяти с половиной метров.

Сборка деталей в единую конструкцию осуществляется по схеме, найти которую нетрудно при помощи поисковиков. Главное, суметь в ней разобраться.

Конечно, собрать ветрогенератор своими руками - задача, которая под силу не каждому. Кому-то купить его гораздо проще, чем разбираться в процессе наклеивания неодимовых магнитов или перемотке катушек статора.

Как сделать правильный выбор?

Так на что же обратить внимание при выборе ВЭУ?

Не стоит считать, что самый дорогой и импортный ветрогенератор будет самым лучшим. Исходить, в первую очередь, нужно не из цены, а из ваших потребностей. Перед тем, как сделать покупку, посчитайте, сколько электроэнергии вы планируете расходовать.

Понятно, что выбирать нужно ту модель, которая способна вырабатывать нужное вам количество энергии. Однако будьте внимательны. Каждый ветрогенератор рассчитан на определенную скорость ветра. Это означает, что заявленную производителем мощность он способен выдавать именной при той скорости, которая указана в инструкции к нему.

Если максимальную мощность ВЭУ развивает при скорости ветра 10 -12 м/с, а в вашей местности средний показатель не превышает 4−5 м/с, то не стоит ожидать, что устройство будет вырабатывать заявленное количество электроэнергии. В итоге вы заплатите лишние деньги за то, чего не получите.

Мощность ветрогенератора находится в прямой зависимости от диаметра колеса, образованного лопастями. С погрешностью 20% ее можно рассчитать по формуле: квадрат диаметра помножить на куб средней скорости ветра и разделить полученное значение на 7000. То есть при диаметре колеса, равном двум метрам и средней скорости ветра в вашей местности 3 м/с вы получите около 0,015 кВт электроэнергии. Если же диаметр увеличить в два раза, то ветрогенератор при той же скорости ветра будет выдавать в 4 раза больше электроэнергии - 0,6 кВт. Таким образом, при прочих одинаковых характеристиках, более производителен ветряк с большим размером лопастей.

Не менее важно при выборе ветрогенератора обращать внимание на ёмкость аккумулятора. Если вы живете не в прибрежной зоне, то штиль в вашей местности - явление нередкое. В этом случае система будет работать именно от аккумулятора. А он имеет свойство разряжаться. Поэтому желательно, чтобы помимо него имелся резервный источник энергии.

С этой целью можно приобрести установку сразу с солнечными батареями, или же подключить ветряк к сети. В этом случае он будет лишь компенсировать недостаток электроэнергии в случае необходимости.

Сколько же энергии нужно среднестатистической семье?

1. В городской квартире будет достаточно 0,5 кВт. Чтобы было понятнее, счетчик в этом случае будет показывать 360 кВт ч.
2. Ветряк мощностью 5 кВт может обеспечить такое количество энергии даже в том случае, если скорость ветра невелика.
3. Если же в квартире постоянно работает какой-либо отопительный прибор, то тот же ветрогенератор сможет обеспечить его работу только при такой скорости ветра, которая возможна лишь у береговой линии.

Какое место выбрать для установки ветрогенератора?

Разумеется, устанавливать ветряк нужно в местах, максимально открытых для ветра. Наиболее подходят для этих целей возвышенности, прибрежные зоны, степи, открытые пространства в удалении от зданий. Не стоит располагать ветроэнергетическую станцию и там, где поблизости есть даже невысокие деревья. Пользоваться ветряком вы будете долго, за это время деревья успеют вырасти и будут создавать помехи.

Немаловажный фактор в выборе места для установки такого устройства - наличие соседей рядом. Дело в том, что ветрогенераторы - устройства отнюдь не бесшумные. Кроме того, об их лопасти, как уже говорилось выше, иногда разбиваются птицы. Не каждый сосед готов терпеть такие неудобства. В связи с этим ветряки лучше устанавливать на расстоянии не менее 250 метров от ближайших жилых домов.

В целом, ветряк - наиболее экологически чистый источник энергии, в отличие, например, от дизельной станции. По сравнению с солнечными батареями, также не выделяющими отходов в окружающую среду, он более доступен по цене. Кроме того, ветер дует и днем, и ночью.

Однако, цена ветрогенератора все же велика, поэтому установка его должна быть целесообразной. Если приобрести такую установку из соображений только охраны окружающей среды или в надежде сэкономить сумасшедшие деньги, ничего, кроме разочарования вам это устройство не принесет. Однако, ветрогенератор станет для вас лучшим выходом из положения, если:

• ветер в местности, где вы планируете установить ветряк, дует много дней в году со скоростью не менее 4 м/с;
• ваш дом не подключен к электросети или расходы на электроэнергию очень высоки;
• на вашем участке достаточно места, чтобы установить такое громоздкое устройство;
• факт установки ветрогенератора согласован с соседями;
• вы обладаете достаточным количеством средств на приобретение и обслуживание ветроэнергетического устройства.

Пользоваться ли электроэнергией от обычной сети, приобретать автономный источник или попытаться его изготовить самостоятельно - выбор остается за вами. Если вы делаете выбор в пользу ветрогенератора, помните, что это решение должно быть продиктовано необходимостью, а не быть просто модной тенденцией. Только тщательно продумав все до мелочей, взвесив все «за» и «против», можно приобрести наиболее выгодный источник альтернативной энергии.

Успешно используются в странах Запада, США, Китае. Для использования таких устройств требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам.

Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?

Существующие ныне мощные ветрогенераторы имеют практически одинаковую конструкцию. За основу взят горизонтальный ротор с крыльчаткой. Большие размеры лопастей создают высокую площадь сопротивления потоку ветра, поэтому обычно устанавливается по три . Масса таких установок очень велика - одна из величайших установок Enercon E-126 весит 6000 т. При таких параметрах требуется достаточно сильный и ровный ветер.

Для старта вращения используются специальные электродвигатели. Большинство моделей не имеет устройства наведения, обходятся установкой на преобладающем направлении потока. Обычное место использования - степные или пустынные регионы, прибрежные или шельфовые районы с постоянными и ровными ветрами.

Конструкция мощного ветрогенератора состоит из следующих элементов:

• опорная башня. У образцов меньших размеров это мачта. Башня имеет коническую форму, способствующую большей устойчивости и равномерному распределению нагрузок. Изготавливается на месте путем последовательной заливки бетоном соответствующей опалубки. В основании имеется мощная бетонная площадка, являющая цоколем фундамента, обеспечивающего неподвижность и устойчивость
• гондола. Это камера, внутри которой расположены генераторный отсек, устройства передачи вращения. К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб - это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.
• генератор турбины представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.

Лопасти изготавливаются из специального композитного волокна с включениями стали. В зависимости от размеров они изготавливаются целиком или набираются из отдельных частей. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.

В зависимости от размеров, фирмы-изготовителя и назначения ветряка, могут иметься какие-либо изменения в конструкции, дополнения или иные особенности, присущие только данной модели.

Размеры ветряка

Промышленные ветрогенераторы большой мощности обладают впечатляющими габаритами. Так, уже упоминавшийся Enercon E-126 имеет полную высоту 198 м при размахе лопастей 128 м. Площадь, которую ометают такие лопасти, составляет 12668 м 2 .

Размеры других ветряков соответствуют вырабатываемой мощности. Существуют более крупные или мелкие модели, но все они велики и обладают большим весом. При этом, поверхность земли занимает только основание мачты, вся остальная площадь пригодна для использования под сельское хозяйство.

Примечательно, что мощные ветряки нерентабельны по отдельности . Они используются чаще всего в составе больших ветроэлектростанций, занимающих достаточно большие площади. В составе комплексов насчитываются десятки и даже сотни отдельных установок, объединенных в единую систему и выдающие суммарную мощность в несколько мВт. Они создаются в местах с оптимальными ветровыми условиями, способными обеспечить равномерную нагрузку и стабильную производительность оборудования.

Большие размеры означают высокие цены на оборудование. Так, стоимость турбины Enercon E-126 составляет 11 млн евро. Можно примерно подсчитать стоимость целой ветроэлектростанции, эксплуатационные расходы и затраты на доставку и монтаж таких гигантов. Соответственно, себестоимость энергии достаточно высока, а срок службы относительно низок - около 20 лет.

Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика

Параметры мощных ветряков напрямую зависят от их мощности. Тип конструкции у всех моделей практически одинаков, так как аэродинамика лопастей, оптимальным образом подходящая для установок высокой мощности, должна соответствовать именно такой конфигурации. Поэтому сравнивать можно только пропорции крыльчатки того или иного устройства. Гораздо проще рассматривать мощность установок, поскольку она важнее для любых расчетов и может сказать гораздо больше для потенциального пользователя.

Флагманами в этом направлении являются известные фирмы Siemens, Enercon, Vestas и многие другие. Конкуренция между ними весьма жесткая, так как спрос ограничен, ошибки недопустимы. Отсюда высочайшее качество оборудования, отлаженный механизм работы всех узлов и агрегатов. Примечательно, что спрос на крупные устройства намного ниже, чем на менее производительные. Цена оборудования не позволяет широко распространять его повсеместно, выбор делается в сторону меньших расходов.

Промышленные ветровые электростанции

Функционирование нескольких сотен крупных ветряков способно создавать большие мощности. Создание ветровых электростанций позволило решить проблемы с электроснабжением регионов, не имеющих возможности строительства ГЭС или АЭС.

Примечательно, что запрет на строительство АЭС в ряде регионов мира и отсутствие других возможностей явились причинами возникновения множества ВЭС, хотя эксплуатационные и экономические параметры ветряков уступают более традиционным вариантам выработки энергии. Кроме того, ветроэнергетика признана экологически чистым направлением, что также сыграло немалую роль в развитии отрасли.

В последнее время наблюдаются две параллельные тенденции:

• рост числа мощных установок, объединенных в большие станции
• возрастание интереса к частным источникам, дающим возможность автономного существования без использования сетевых ресурсов

Возникает конкурентная ситуация, когда большие вложения в огромные комплексы перестают покрываться доходами от них, а небольшие установки становятся все более выгодными и удобными. Будущее покажет, какая система станет наиболее распространенной и эффективной.