Конструкция и принцип действия ветрогенератора, расчёт, параметры и цены
Ветрогенератор – это один из вариантов установок, использующих альтернативную энергию. В этом случае используется энергия ветра. Такие установки встречаются на дачных участках, в частном секторе, а также в дальних районах, где нет электрической инфраструктуры. В таких местах люди вынуждены добывать электроэнергию, как могут. Но и на тех участках, которые подключены к электричеству тоже можно встретить ветрогенераторы. Это продиктовано экономическими соображениями и желанием получить автономное энергоснабжение. В последнее время строящиеся коттеджи стали оснащаться гелиосистемами и ветрогенераторами. Такие устройства не загрязняют окружающую среду и не требуют покупки топлива. Конечно, ветрогенератор не может использоваться с одинаковой эффективностью во всех регионах. Для этого требуются определённые климатические условия. В этом материале мы поговорим об устройстве, применении и эффективности ветрогенераторов.
Содержание статьи
Конструкция и принцип работы ветрогенератора
Из названия ветрогенератора следует, что это оборудование приводится в движение ветром, но это далеко не все его особенности. Ветрогенераторная установка включает в себя несколько компонентов, перечисленных ниже:
- Ротор с лопастями. Могут быть двух, трёх и многолопастные ветрогенераторы;
- Редуктор. Он нужен для регулировки скорости вращения между генератором и ротором;
- Корпус. Служит защитой всех частей установки от воздействия окружающей среды;
- Механизм, регулирующий поворот конструкции по ветру;
- Аккумуляторы. Основная цель – это накопление электрической энергии. Ведь ветер дует непостоянно и генерируемую с его помощью нужно где-то сохранять;
- Инвертор. Используется для преобразования постоянного тока, который выдаёт ветрогенератор, в переменный, потребляемый бытовыми электроприборами.
Генератор может напрямую соединяться с ротором или между ними устанавливается редуктор, который повышает обороты генератора. Если ветрогенераторы крупные, работающие в местности с мощным потоком ветра, то в них может использоваться система регулировки положения лопастей для стабилизации оборотов генератора. В этом случае, при усилении ветра лопасти направляются в одну сторону. Это наращивает угол атаки ветряного потока, и ротор не ускоряет вращение. При ослабевании ветра лопасти, наоборот, поворачиваются так, чтобы ротор не снижал скорость. Обороты также могут быть отрегулированы нагрузкой на генератор или системой торможения. Цель этих регулировок в том, чтобы генератор функционировал на стабильных оборотах. Тогда он будет выдавать стабильное напряжение и тока со стабильной частотой. К примеру, 48 вольт 50 Гц.
Конструкция ветрогенератора
Принцип работы ветрогенератора несложный. Лопасти вращаются под действием ветра и вращают ротор. Затем в генераторе механическая энергия превращается в электрическую. Генератор вырабатывает трёхфазный ток. От него приборы работать не смогут, а значит, его нужно преобразовывать. Ток проходит через контроллер и заряжает аккумуляторы. От них ток идёт на инвертор, преобразующий его работы бытовых электроприборов. Ток становится переменным однофазным (напряжение 220 вольт, частота 50 Гц).
Если ветрогенератор работает на небольших оборотах, то они используются без стабилизации оборотов. Устанавливаются они на небольшую высоту. Аккумуляторы в таких системах используются практически всегда, чтобы энергоснабжение было даже в полный штиль. Чтобы защитить ветрогенератор от урагана, используется система со складыванием хвоста. И также для этой цели применяется электрический тормоз.
Зарядку аккумуляторов регулирует контроллер. Он вовремя отключает заряд аккумуляторов, чтобы их не испортить. Это может делаться сбросом энергии на балласт или торможением обмотки генератора. В любом случае электроэнергию напрямую от генератора использовать нельзя. Она должна проходить через аккумуляторы и инвертор. На аккумуляторах обычно напряжение 12, 24 или 48 вольт. В стандартные 220 вольт их превращает инвертор. Кроме того, он преобразует напряжение из постоянного в переменное.
Если все потребители тока требуют низкое постоянное напряжение, то можно обойтись и без инвертора. К примеру, можно напрямую к аккумуляторам подключать электрические приборы номиналом 12 вольт.
Вернуться к содержанию
Виды ветрогенераторов
Принцип работы ветрогенераторов в большинстве случаев аналогичен. Но существует ряд разновидностей. Часто их различают по виду материалов, которые используются для изготовления роторных лопастей, их число, положение оси вращения, шаговый признак винта. Чтобы иметь понимание о работе, ветрогенератора, нужно вкратце рассмотреть эти виды.
Двухлопастной ветрогенератор
Трёхлопастной ветрогенератор
Многолопастной ветрогенератор
Сегодня распространены двух, трёх или многолопастные ветрогенераторные установки. Есть ещё небольшая группа современных ветрогенераторов, у которых совсем нет лопастей. В них ветер улавливается при помощи паруса, по форме напоминающего тарелку. За этим парусом находятся поршни, входящие в их состав гидросистемы, вырабатывающей электрический ток. У таких конструкций самый высокий КПД из всех установок на энергии ветра. Причём прослеживается такая тенденция, что при меньше количестве лопастей генератор вырабатывает больше электроэнергии.
Помимо числа лопастей, ветрогенераторы отличаются материалами, их которых их делают. Лопасти могут быть жёсткими (металл или стеклопластик) или парусными. Последние менее практичны, но зато дёшево стоят. По шаговому признаку винта различают устройства с фиксированным и изменяемым шагом. Ветрогенераторы с фиксированным шагом являются более надёжными. Установки с изменяемым шагом вращения позволяют менять скорость, но их конструкция имеет большие габариты и требует дополнительных расходов монтаж и обслуживание.
Ветрогенератор с вертикальной осью вращения
Больше всего вариантов ветрогенераторов получается, если классифицировать их по направлению вращения оси. Есть две большие группы: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения можно подразделить на несколько видов, которые перечислены ниже.
- Ветрогенератор Савониуса. Это несколько полуцилиндров полых внутри, которые закреплены на вертикальной оси. Здесь плюс заключается в том, что они могут вращаться вне зависимости от силы и направления ветра. Основной минус в том, что энергию ветра используется только на 1/3;
- Геликоидный ротор. Этот вариант имеет закрученные лопасти, благодаря чему обеспечивается равномерное вращение. Это долговечный ветрогенератор, но сложный и дорогой;
- Ротор Дарье. Система представляет собой конструкцию с двумя или более лопастями в форме плоских пластин. Ротор прост в изготовлении, но вырабатывает немного энергии. Для его запуска потребуется дополнительный механизм;
- Многолопастные системы с вертикальной осью. Являются наиболее эффективными в плане выработки электроэнергии.
Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения имеют КПД выше, чем у вертикальных, но у них есть и свои минусы. К примеру, им нужно подстраиваться под направление ветра, для чего в их конструкции предусматривается флюгер. Кроме того, их эффективность сильно зависит от силы ветра. Так, что горизонтальные ветрогенераторы часто используют на открытом пространстве и располагают высоко над землёй. Им не должны мешать холмы, деревья, строения. Кроме того, стоимость горизонтальных установок довольно высокая и они издают сильный шум. Поэтому их лучше устанавливать вдалеке от строений.
Можно подразделить ветрогенераторы на импортные и отечественные. Среди зарубежных достаточно много китайских производителей. Присутствует также продукция из США и ЕС. Без проблем можно найти и продукцию российских предприятий. Стоимость ветрогенераторов зависит от мощности, наличия дополнительных функциональных возможностей (например, солнечных модулей). Цены могут меняться от десятков до сотен тыс. р.
Вернуться к содержанию
Расчёт и выбор ветрогенератора
На что нужно обращать внимание при выборе ветрогенератора. Для начала поймите, что зарубежные дорогие модели необязательно будут оптимальным решением. Здесь нужно исходить из ваших потребностей в выработке электричества. Так, что подсчитайте, сколько электричества вы будете расходовать.
Ветрогенератор с геликоидным ротором
При выборе стоит учитывать тот факт, что все модели ветрогенераторов рассчитаны на свою скорость ветра. То есть, они выдают мощность, указанную производителем, только при определённой скорости ветра. А значит, не последнюю роль играют климатические условия в вашем регионе. К примеру, максимальная мощность достигается при 10─12 метров в секунду. А в вашем регионе это значение в среднем 4─5, то заявленная электроэнергия вырабатываться не будет. Получится так, что просто переплатите и не получите ожидаемой мощности.
Мощность ветрогенератора напрямую зависит от диаметра того круга, который образуют лопасти. Приблизительно можно вычислить мощность по следующей формуле:
P = D^2 * R^3 / 7000, где
D – диаметр лопастей;
R – скорость ветра.
Если диаметр будет равен 1,5 метра, а скорость в вашей местности 5 метров в секунду, то мощность будет примерно 0,04 киловатта. Как видно мощность можно увеличить двумя способами: наращивая диаметр и скорость ветра. Причём последний параметр от нас не зависит. Обращайте внимание при покупке и на ёмкость аккумуляторов. Штиль может быть практически везде, кроме прибрежных зон. И в такие периоды ваши электроприборы будут брать электричество от аккумуляторов. Их ёмкость ограничена. Поэтому лучше дополнительно иметь резервное питание.
Чтобы обеспечить резервное энергоснабжение, нужно подключить ветрогенератор к электрической сети или использовать вместе с солнечными батареями. При необходимости можно скомпенсировать перебои в работе ветрогенератора.
Какое количество электроэнергии требуется обычной семье? В рядовой квартире у нас набегает за месяц примерно 360 кВтч. Ветрогенератор мощностью 5 киловатт выработает это количество даже при небольшой скорости ветра, какая обычно бывает в средней полосе России. А вот если энергопотребление велико (к примеру, стоит электрообогреватель, электрокотёл и т. п.), то ветрогенератора мощностью в 5 киловатт уже не хватит. Если только он не установлен у берега моря или крупного водоёма.
Вернуться к содержанию
Советы по установке
Наверное, всем понятно, что устанавливать ветрогенератор следует в тех местах, где максимальная сила ветра. Это степи, береговая зона, прочие открытые пространства, которые удалены от зданий. Ветрогенератор нельзя ставить рядом с деревьями. Нельзя даже ставить у маленьких деревьев, поскольку они со временем вырастут.
Ветрогенератор с ротором Дарье
При выборе места для установки ветрогенератора следует учесть мнение соседей. Ведь ветрогенераторы являются очень шумными механизмами. Согласитесь, что не каждый сосед согласится так жить. В идеале ветрогенератор должен находиться от домов не меньше, чем на 200─300 метров.
Ветряная станция является экологически чистым источником энергии и проблем с загрязнением она не принесёт. По сравнению с гелиосистемами они могут быть даже более доступными по цене. Ветер дует днём и ночью, а значит, ветрогенератор будет простаивать только в штиль. При этом цена установки немаленькая и, если купили ветрогенератор, сделайте его установку корректно.
Что касается совместного использования с электросетью или только ветрогенератора, то выбор здесь остаётся за вами. В любом случае покупка должна быть экономически оправданной, а не просто отдать дань модной тенденции.
Вернуться к содержанию
Окупаемость и эффективность
Стоимость ветрогенератора сама по себе немаленькая. А помимо него ещё нужно будет купить аккумуляторы, инвертор, контроллер, мачту, провода и т. п. Сейчас распространены модели ветрогенераторов мощностью 300 ватт. Это достаточно слабые модели, которые вырабатывают свои 300 ватт-час в случае ветра 10─12 метра в секунду, а при ветре 4─5 метра в секунду вырабатывается 30─50 ватт-час. Подобных установок хватает для обеспечения светодиодного освещения и питания мелкой электроники. Не нужно рассчитывать, что от этого ветрогенератора вы сможете обеспечить телевизор, микроволновку, холодильник и полноценное освещение. Стоимость маломощных ветрогенераторных установок стартует от 15─20 тысяч рублей. В комплект не входят аккумуляторы, инвертор и мачта. Полноценный комплект будет стоить не меньше 50 тыс. р.
Чтобы полноценно обеспечить энергией среднестатистический дом, требуется мощность ветрогенератора от 1 киловатта. В зависимости от скорости ветра такая установка может развивать мощность от 30 до 100 киловатт. Этого хватит на обеспечение питанием стандартной бытовой техники, освещения и так далее. На тех объектах, где требуется бесперебойное энергоснабжение, всё равно придётся ставить топливный генератор или организовывать работу ветрогенератора в связке с электросетью. Цена такого комплекта начинается от 150 и заканчивается на отметке 400 тысяч рублей.
Когда вы собираетесь обеспечить электричеством дом и небольшое подсобное хозяйство, потребуется ветрогенератор 3─5 киловатт. Цена такой ветряной установки лежит в интервале 0,3─1 миллион рублей. В стоимость входит контроллер, мачта, инвертор, аккумуляторы.
Ветрогенераторы мощностью 10 киловатт пригодятся тем, кто собирается ещё и отапливать дом от энергии, вырабатываемой этой установкой. Специалисты рекомендуют в таких случаях устанавливать ещё солнечные батареи и топливный генератор. Тогда энергоснабжение точно будет бесперебойным. Управление в таких системах берёт на себя специальный контроллер.
Вернуться к содержанию
Опрос
Загрузка ...
Если статья оказалась для вас полезной, распространите ссылку на неё в социальных сетях. Это поможет развитию сайта. Голосуйте в опросе ниже и оценивайте материал! Исправления и дополнения оставляйте в комментариях.
Вернуться к содержанию
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
