Все о ветрогенераторах

1 Как устроена ветряная электростанция

Ветряные генераторы, в отличие от своих бензиновых и дизельных аналогов, только набирают популярность. Стоимость таких электростанций в несколько раз выше, чем привычных автономных источников энергии. Но, в отличие от них, ветряк использует бесплатную энергию ветра и самоокупается через 5–6 лет эксплуатации.

Ветряной электрогенератор – это устройство, преобразующее кинетическую энергию воздушных потоков (ветров), в механическую (с помощью ротора), а затем в электрическую. Второе название этого механизма «ветряная электрическая установка» (ВЭУ), он используется в коммерческих, бытовых и промышленных целях.

Ветряные генераторы в последнее время набирают популярность

Ветровые электростанции для дома состоят из следующих элементов:

• Основной блок – подвижное ветряное колесо, приводящее в движение всю конструкцию;
• Редуктор, предназначенный для передачи энергии колеса генератору;
• Генератор, который вырабатывает переменный ток;
• Контролер – управляет колесом и преобразуют электричество, поступающее от генератора, в постоянный ток, заряжающий аккумуляторные батареи;
• Инвертор – трансформирует постоянный ток из АКБ в переменный, который используется в домашней электросети;
• Аккумуляторы высокой емкости, как правило, собираются в единый блок и служат для накопления и выравнивания электрической энергии;
• Мачта или ферма-основание – к ним крепится ветровое колесо.

Несмотря на похожее устройство и одинаковый принцип действия, ветряки для дома отличаются по нескольким параметрам. К примеру, по материалу, из которого изготовлены лопасти колеса, их количеству, направлению оси движения и шаг винта.

Различают ветряки с одной, двумя и тремя лопастями или совсем без них. Причем последние установки становятся все более востребованными. Роль ветряного колеса в них выполняет «парус» – конструкция в виде тарелки. Она приводит в действие поршни гидросистемы, которая вырабатывает энергию. Производители сознательно усложнили устройство ВЭУ, т. к. это позволило увеличить её КПД. Мощность лопастного ветрогенератора определяется просто – чем меньше лопастей, тем больше энергии он вырабатывает.

Выбор размера ветряка

Подбирать размер этой установки нужно исходя из желаемого количества электроэнергии и скорости ветра, а также его плотности, в вашем регионе. Сразу нужно уточнить что расчет мощности будет производится для ветрогенератора заводского изготовления, не сделанного своими руками из подручных деталей.

Количество необходимой электроэнергии вы можете постучать по счетам за последний год или взять произвольное (желаемое) количество.

Скорость и плотность ветра можно найти в сети, например на сайте метеослужбы. Указывать какие то цифры в этой статье я не будут, так как регионов много и климат очень быстро меняется в последние годы.

Существует несколько формул

1. Самая простая и понятная среднестатистическому человеку, однако полученные данные могут иметь определенную погрешность. По ней можно рассчитать кинетический ветрогенератор с горизонтальным валом:

AEO = 1.64 * D*D * V*V*V

Где:

• AEO — электроэнергия, которую вы хотите получить за год.
• D — диаметр ротора, который обозначается в метрах.
• V — среднегодовая скорость ветра, обозначается в м/сек.

2. Более сложная формула, которую используют для своих расчетов компании, занимающиеся продажей и установкой такого оборудования на профессиональном уровне.

P = V3 * ρ * S

Где:

• V – скорость ветра в метрах в секунду.
• ρ – плотность воздуха, единица измерения – кг/м3
• S – площадь лопастей, на которую дует воздушный поток, единица измерения – м2 (нужно смотреть по тех. описанию производителя).
• P – Количество кВт, которое можно получить.

Пример расчета P = 53 * 1,25 * 33 = 5156 Вт

Эффективность выработки электроэнергии напрямую зависит от диаметра лопастей ротора, посмотреть примерную производительность можно по таблице ниже.

В этой таблице указаны примерные данные, которые можно получить в зависимости от диаметра ротора, высоты установки ветрогенератора и скорости ветра.

Максимальная вырабатываемая мощность, кВт	Диаметр ротора, м	Высота мачты, м	Скорость ветра м/с
0,55	2,5	6	8
2,6	3,2	9	9
6,5	6,4	12	10
11,2	8	12	10
22	10	18	12

3. В случаи с вертикальным ротором (осью) расчеты необходимо производить по другой формуле.

P=0.6*S*V^3

Где:

• P– мощность Ватт
• S– рабочая площадь лопастей кв.м.
• V^3– Скорость ветра в кубе м/с

Более сложная, но более точная формула

P*= krV 3S/2, .

Где:

• r — плотность воздуха,
• V — скорость потока в м/с.
• S — площадь потока в квадратных метрах
• k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

При выборе ветряки необходимо смотреть на рекомендуемую производителем скорость ветра. Как правило, установки для частного использования, имеют такой диапазон: 2-11 М в секунду.

Ветрогенераторы своими руками на 220 в

Для того, чтобы собрать ветроуловитель нам понадобятся: генератор на 12 вольт, аккумуляторные батареи, преобразователь с 12 v на 220 в, вольтметр, медные провода, крепежи (хомуты, болты, гайки).

Изготовление любого ветряка предполагает наличие таких этапов как:

1. Изготовление лопастей. Лопасти вертикального ветрогенератора можно сделать из бочки. Нарезать детали можно при помощи болгарки. Винт для небольшого ветряка можно изготовить из трубы ПВХ с сечением в 160 мм.
2. Изготовление мачты. Мачта должна быть высотой не менее 6 метров. При этом, для того, чтобы крутящее усилие не сорвало мачту, ее необходимо закрепить ее на 4 растяжки. Каждую растяжку, при этом, нужно намотать на бревно, которое следует закопать глубоко в землю.
3. Установка неодимовых магнитов. Магниты наклеиваются на диск ротора. Лучше выбирать прямоугольные магниты, магнитные поля в которых сосредотачиваются по всей поверхности.
4. Намотка катушек генератора. Намотка выполняется медной нитью с диаметром не менее двух мм. При этом, мотков должно быть не более 1200.
5. Фиксация лопастей к трубе при помощи гаек.

При наличии мощных аккумуляторных батарей и инвертора, полученное устройство сможет выработать такое количество электричества, которого будет достаточно для использования бытовой техники (например, холодильника и телевизора). Отлично подойдет такой генератор для поддержания работы систем освещения, отопления и вентиляции небольшого дачного домика, теплицы.

Ротор Бирюкова

Изобретение Бирюкова появилось в 60-х годах прошлого века. Особенностью конструкции является устройство ротора, имеющего два «этажа» с разным строение лопастей. КПД ветряка, заявленный изобретателем, составляет 46 %, что для подобных устройств вертикального типа весьма привлекательно.

Ротор стартует как обычное устройство Савониуса, но при наборе скорости образуется воздушная подушка из завихрений, изменяющая профиль крыльчатки на более выгодный при данном режиме вращения. Усиление ветра способствует образованию вихревого кокона, который заставляет поток обтекать его словно монолитную преграду.

Расчет и выбор

Расчет мощности ветряка сводится к подсчету суммарной мощности потребления осветительными, вспомогательными и бытовыми приборами. Полученное значение увеличивается на 15-20% (запас мощности необходим при возникновении непредвиденных ситуаций), и на основании этих данных рассчитывается или выбирается готовый генератор.

От его параметров ведется построение всего остального комплекта — механические требования ложатся в основу проектирования ветряка, а эксплуатационные параметры — мощность, напряжение, сила тока — используются при создании системы накопления и обработки полученного тока.

Ветрогенератор для дома уже не редкость

Ветровые электростанции давно используют в промышленных масштабах. Но, сложность конструкции, а также сложность ее монтажа, не давали возможность использовать это оборудование в частных домах, как например солнечные панели.

Однако сейчас, с развитием технологий и увеличением спроса на “зеленую энергию”, ситуация изменилась. Производители наладили выпуск малогабаритных установок для частного сектора.

Принцип работы

Ветер вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора. В результате вращение в обмотках вырабатывается переменный ток. Для увеличение количества оборотов, а соответственно и количества выработанной энергии может использоваться редукторная передача (трансмиссия). Она же может блокировать вращение лопастей полностью, если возникнет такая необходимость.

Полученный переменный ток преобразуется в постоянный 220 Вт с помощью инвертора. Далее он поступает потребителю или, через контроллер заряда, на аккумуляторные батареи для накопления.

Полная схема работы установки от генерации энергии до ее потребления.

Виды ветрогенераторов и какой лучше для частного дома

На данный момент существуют два типа данной конструкции:

1. С горизонтальным ротором.
2. С вертикальным ротором.

Первый тип, с горизонтальным ротором. Такой механизм считается самым эффективным. КПД составляет примерно 50%. К минусом относиться необходимость минимальной скорости ветра от 3 м.в секунду, конструкция создает много шума.

Для максимально эффективной работы необходима высокая мачта, что, в свою очередь, усложняет монтаж  и дальнейшее обслуживание.

Второй тип, с вертикальным. Ветрогенератор с вертикальным ротором имеет КПД не более 20%, при этом достаточно скорости ветра всего 1-2 м в секунду. При этом он работает значительно тише, уровень выделяемого шума не более до 30 дБ, и без вибрации. Не требует большого пространства для работы, при этом не теряя эффективность.

Для установки не требуется высокая мачта. Оборудование можно смонтировать на крыше дома даже своими руками.

Отсутствие анемометра и поворотного механизма, он совсем не нужен при такой конструкции, делает этот тип ветрогенератора более дешевым по сравнению с первым вариантом.

Видео обзор

Какую установку выбрать?

Прежде чем ответить на этот вопрос нужно понять ваши требование, финансовые возможности и приоритеты в эксплуатации.

Если вы хотите получать максимум электроэнергии и готовы тратиться на периодическое обслуживание генератора, выберите первый вариант.  Вложив единоразово в высокую мачту, и оплатив 1 раз в 5-10 лет замену подшипников или масла, вы получите полную энергонезависимость, и даже, если вы живете в Украине или странах ЕС, сможете продавать излишки электричества.

Высокий уровень шума этой станции требует выбрать максимально удаленное от жилых зданий место. Это момент также нужно учитывать, потому что инфразвук не останется незамеченным вашими соседями.

Чтобы получить эквивалентную выработку в отношении с первым вариантом, необходимо будет поставить 3 ветрогенератора этого типа. Однако, в ценовом эквиваленте получается примерно одинаковая сумма (при условии самостоятельного монтажа).

Видео обзор эксперта в области альтернативных источников энергии

Стоимость

Ветрогенераторы с мощностью 3 кВт /48V – примерная стоимость 93 000,00р. Подобные могут быть использованы не только в качестве дополнительного источника электроснабжения, но и основного. Такие модели в состоянии обеспечить электроэнергией коттедж.

Ориентировочная цена установок, в зависимости от мощности:

• 5 кВт /120V — 220 100,00 рублей. Обеспечивает электроэнергией целый дом с большим количеством бытовых приборов;
• 10 кВт/240V — 414 000,00 рублей. Достаточно для нескольких домов или фермерского хозяйства, где кроме приборов используют строительные инструменты;
• 20 кВт/240V — 743 700,00 рублей. Используется даже для водонапорных систем;
• 30 кВт/240V — 961 800,00 рублей. Ветрогенератор для многоквартирных пятиэтажных домов;
• 50 кВт/380V — 3 107 000,00 рублей. Обеспечит энергией несколько многоэтажек.

Важно: Цены указаны для полной комплектации, но всегда можно исключить отдельные составляющие или, наоборот, добавить

Где купить	Цена в рублях
http://invertory.ru/category/vetrogeneratory/	от 58278
http://energywind.ru/katalog/vetrogeneratory	от 65000
http://www.termocool.ru/catalog/vetrogeneratory	от 59000
http://energy-ds.ru/catalog/generating/vetrogeneratory.html	по запросу
http://220-on.ru/catalog/vetrogenerator-dlya-otopleniya-doma/	от 95790

Достоинства и недостатки

Роторные конструкции имеют ряд достоинств:

• отсутствует необходимость наведения конструкции на ветер. Это значительно упрощает механизм ветряка и повышает его надежность
• устройства способны принимать потоки ветра, находящиеся невысоко над поверхностью земли. Турбулентность им не страшна. Это делает возможным отказаться от использования высоких мачт, усложняющих ремонт или обслуживание
• имеется много разновидностей вертикальных конструкций, позволяющих получить наиболее подходящее устройство для данных конкретных условий
• вертикальные устройства являются наиболее удобными для изготовления своими руками

К недостаткам роторных ветрогенераторов следует отнести:

• меньшая эффективность по сравнению с горизонтальными устройствами
• рабочие колеса имеют довольно большой вес, что затрудняет их вращение, особенно на слабых ветрах
• при ураганных или шквалистых ветрах установки нуждаются в защите от разрушения

Примечательно, что промышленных моделей роторных установок относительно немного, большинство разработок до сих пор находятся в состоянии проектов, рабочих чертежей. Это объясняется слабым интересом к ветроэнергетике со стороны российских производителей и высокими ценами зарубежных моделей, недоступными для массового покупателя в России.

Самый большой ловец ветра Enercon

Самым большим в мире принято считать детище компании Enercon. Мощность энергоустановки составляет 7,58 МВт. Высота несущей башни может изменяться в зависимости от требований потребителя, в стандартном варианте высота составляет 135м, а размах лопастей— 126м. Общая масса данной конструкции составляет величину около 6000т.

Если оговаривать самую большую ветровую установку для выработки электричества согласно размаху винтов-она находиться в Дании. Изготовили турбину инженеры компании LM Wind Power. Размах лопастей  составляет 180м. Это рекордный размер, который в мире не имеет равных. Разработчики большой размер придали только лопастям считая, что чем больше будут остальные детали у ветротурбины, тем больше в нее будет бить молний. Сами лопасти инженеры оборудовали специальной защитой, которая отводит разряд от удара молнии прямо в землю. Также лопасти самого большего размера оснащены специальным покрытием, что защищает их от без абразивного износа, а также от дождя или снега.

Компании, что активно развивают отрасль энергетики утверждают, что вскоре мир увидит гигантские конструкции с размахом “вентилятора” более 200 метров. Согласно их прогнозам, такой генератор сможет работать непрерывно даже при ураганах и обеспечить электричеством более 10000 домов – небольшой городок. Нам остаётся только надеяться на то, что у них все получиться, и вскоре мы сможем забыть о больших счетах за электроэнергию.

Принцип работы

Как уже говорилось, ВЭС имеют роторную или крыльчатую конструкцию. Роторные станции, как правило, имеют устройства с вертикальной осью вращения. Они во многом удобнее, чем крыльчатые, так как не издают при работе сильный шум и не требовательны к установке по направлению ветра. При этом, роторные конструкции менее эффективны и могут использоваться на небольших частных станциях.

Крыльчатые устройства способны выдавать максимальный эффект. Они используют получаемую энергию намного эффективнее, чем роторные образцы, но нуждаются в правильном ориентировании по отношению к потоку, что означает присутствие дополнительных приспособлений или оборудования.

Все виды действуют по одному принципу — поток ветра раскручивает подвижную часть, которая передает вращение на генератор, вследствие чего в системе образуется электроток. Он заряжает аккумуляторы, от которых питаются инверторы, преобразующие полученный ток в стандартное напряжение и частоту, подходящие для приборов потребления.

Для обеспечения большого числа потребителей отдельные ветрогенераторы соединяются в систему, образуя станции — ВЭС.

Проект Windstalk

Мачта без лопастей уже давно рассматривается, как самый удачный из вариантов альтернативных источников для электричества. В Абудаби в городе Мансард решили построить электростанцию Windstalk. Она являет собой совокупность стеблей, армированных резиной, с шириной 30 см и до 5 см в верхней точке. Каждый такой стебель согласно проекту, содержит слои электродов и керамических дисков, которые способны вырабатывать электрический ток. Ветер качая эти стебли, будет сжимать диски, вследствие чего будет вырабатываться электрический ток. Никакого шума и опасности для окружающей среды, подобные ветроустановки не создают. Площадь, которую занимают стебли в проекте Windstalk охватывает 2,6 гектара, а по мощности намного превосходит идентичное количество лопастного типа, что могут расположиться на этой же территории. На создание подобной конструкции разработчиков натолкнули камыши на болте, которые равномерно раскачиваются на ветру.

Разнообразие горизонтальных ветрогенераторов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Конструкция и принцип работы ветротурбин

Ветровые генераторы представляют собой спецустройства, которые трансформируют кинетическую энергию ветра в электрическую. Это независимые источники электроэнергии, которые отлично подходят для установки в частных жилых домах, на небольших и средних фермерских хозяйствах, производственных базах.

Конструкция стандартной мини-электростанции для бытового использования включает такие функциональные элементы:

1. Лопасти аэродинамической формы для улавливания ветра.
2. Генератор для продуцирования переменного тока.
3. Контроллер для автоматического управления ветряной станцией. Позволяет регулировать подзарядку аккумуляторов, распределяет потоки энергии между устройствами.
4. Накопитель. Специальные аккумуляторные батареи для накопления сгенерированного электричества.
5. Инвертор для приведения параметров вырабатываемой энергии к сетевым стандартам.
6. Мачта, приподнимающая лопасти на определённую высоту над уровнем земли.

Мачты бывают разными: свободностоящие без растяжек, жёстко зафиксированные и поворотные на растяжках. Последние могут опускаться и подниматься для обслуживания, а также проведения ремонтно-восстановительных работ.

Под воздействием ветра лопасти, насаженные на генераторный вал, начинают вращаться, способствуя запуску ротора. В результате происходит преобразование кинетической энергии воздушных потоков в механическую, а потом и в электрическую энергию. Так выглядит сильно упрощённая схема работы ветряка

В действительности энергия от ветряной электростанции напрямую к потребителю не поступает. В системе обязательно должны быть подключены специальные приборы для преобразования электротока.

В цепи после генератора размещается контроллер. Он конвертирует переменный ток в постоянный. В таком виде электричество аккумулируется и сохраняется в батареях, а потом от них через инвертор, который трансформирует постоянный ток в переменный, энергия подаётся в частную электросеть.

Такая схема даёт возможность сгладить нестабильность напряжения, а также накапливать энергию в периоды полного отсутствия потребления. А это, в свою очередь, позволяет задействовать ветряные генераторы меньшей мощности, чем суммарная мощность бытовых электроприборов.

В ходе конвертации электротока по схеме переменный-постоянный-переменный происходят определённые потери энергии, которые составляют примерно 20%

Вместе с автономной ветряной станцией можно устанавливать и солнечные модули, и топливные генераторы.

Если задействовано сразу несколько устройств для получения электричества, схему дополняют ещё одним элементом – автоматическим выключателем (ABP). Он необходим, чтобы при отключении одного источника альтернативной энергии запускался другой – резервный.

В составе современных ветряных станций используются различные конструкции роторов – вращающихся частей. Они имеют свои преимущества и недостатки, разную эффективность и функциональные возможности. В настоящее время существует много разработок автономных систем, способных взаимодействовать с ветрами разной скорости и силы.