Где применяются ветряные двигатели. Применение промышленных ветрогенераторов

Существует множество моделей ветряных турбин, которые различаются по количеству лопастей, весу и мощности. Все эти параметры необходимо учитывать при выборе агрегата.

Кинетический ветрогенератор: устройство, принцип работы, применение

Современный кинетический ветряк позволяет использовать силу воздушных потоков, преобразуя их в электричество. Для этого существуют заводские и самодельные модели устройств, которые используются как в промышленности, так и в частных домах.

Мы расскажем вам о конструкции данного типа ветрогенератора, представим характеристики устройства и возможности строительства. В предлагаемой нами статье освещены слабые и сильные стороны ветрогенератора. Для импровизаторов у нас есть полезные схемы и рекомендации по сборке.

Принцип работы ветрогенератора

Ветряная турбина работает за счет преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электричество.

Принцип работы довольно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, заставляет ротор генератора двигаться по кругу, вырабатывая электричество.

Энергия ветра — одна из самых перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно использовать силу ветровых потоков для выработки электроэнергии.

Полученный нестабильный переменный ток «течет» к регулятору, где преобразуется в постоянное напряжение, которое можно использовать для зарядки аккумуляторов. Оттуда ток направляется в инвертор, где преобразуется в переменное напряжение 220/380 В, которое затем передается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности воздушного потока (N), которая рассчитывается по формуле N=pSV 3 /2, где V — скорость ветра, S — рабочая поверхность, p — плотность воздуха.

Устройство ветряного генератора

Различные конструкции ветряных турбин значительно отличаются друг от друга.

На рисунке ниже показана внутренняя структура классической горизонтальной ветряной турбины. Такие модели чаще всего используются как в промышленных, так и в жилых помещениях.

Промышленные турбины представляют собой сложные конструкции длиной несколько метров, требующие фундамента, в то время как бытовая модель может состоять из минимальных компонентов (двигатель постоянного тока 3-12 В, конденсатор 1000 мкФ 6 В, кремниевый выпрямительный диод).

Типичная установка включает следующие элементы:

генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветровых потоков);
лопасти, которые передают вращение к валу генератора (часто они дополнительно оснащены редукторами, стабилизаторами скорости вращения ротора);
мачта ветряка, к которой крепятся лопасти (чем выше находятся эти элементы, тем большее количество ветровой энергии они могут получить);
аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии. Батарея также выполняет функцию стабилизации электрической энергии, поступившей от генератора;
контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет учитывать, куда движутся потоки воздуха;
АВР – устройство автоматического переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями, электросетью);
датчик направления ветров – прибор, облегчающий лопастям поиск ветрового потока;
инвертор для преобразования постоянного тока из аккумуляторов в переменное напряжение, которое применяется в электрокоммуникациях.

Устройство может быть оснащено различными типами инверторов для лучшего удовлетворения потребностей пользователя:

приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей квадратную синусоиду. Устройства этого типа подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и иных приборов, нетребовательных к качеству сети;
инверторы трехфазного напряжения, рассчитанные для трехфазных электросетей;
установки с чистой синусоидой, которые производят энергию для более чувствительной техники;
инверторы сетевые, способные функционировать без батарей. Подобные устройства предназначены для схем, предполагающих попадание электрической энергии непосредственно в общую сеть.

При выборе моделей всегда обращайте внимание на тип инвертора.

Что это такое?

Поскольку спрос на энергию растет с каждым днем, а предложение традиционных источников энергии уменьшается, использование альтернативных источников энергии становится все более актуальным. В последнее время ученые и конструкторы разработали новые модели ветряных турбин. Использование новейших технологий позволяет улучшить качественные характеристики турбин и уменьшить количество негативных моментов в конструкциях.

Ветряная турбина — это вид технического устройства, которое преобразует кинетическую энергию ветра в электричество.

Важность и применение продукта, производимого этими турбинами, постоянно растет благодаря неисчерпаемым ресурсам, которые они используют для своей работы.

Где применяются?

Ветряные турбины используются в различных местах, обычно на открытом воздухе, где потенциал ветра больше. Альтернативные энергетические установки устанавливаются на горах, мелководье, островах и полях. Современные турбины могут вырабатывать электроэнергию даже при слабом ветре. Поэтому ветряные турбины подходят для электростанций различной мощности.

Стационарная ветряная станция может обеспечить электрической энергией частный дом или небольшой объект на производстве. Во время отсутствия ветра запас энергии будет аккумулироваться, а после использоваться из батареи.

Ветровые установки со средней мощностью могут применяться на фермерских хозяйствах либо в домах, которых удалены от теплосетей. В данном случае этот источник электроэнергии может использоваться для отопления помещений.

Статья по теме: Какие бывают пилы: основные виды и характеристики иструмента. Как называется маленькая пила.

Устройство и принцип работы

Ветряная турбина работает за счет использования энергии ветра. Конструкция такой турбины должна включать следующие элементы:

турбинные лопасти или пропеллер;
турбина;
электрический генератор;
ось электрического генератора;
инвертор, в функции которого входит преобразование переменного тока в постоянный;
механизм, вращающий лопасти;
механизм, вращающий турбину;
аккумулятор;
мачта;
контроллер вращательных движений;
демпфер;
датчик ветра;
хвостовик ветряного датчика;
гондола и иные элементы.

Существуют различные типы генераторов, поэтому элементы конструкции могут отличаться.

Промышленные турбины имеют панель управления, молниезащиту, вращающийся механизм, надежный фундамент, систему пожаротушения и телекоммуникационное оборудование.

Ветряная турбина — это устройство, преобразующее энергию ветра в электричество. Предшественниками современных установок являются мельницы, которые производят муку из зерна. Однако схема подключения и принцип работы генератора не изменились.

Благодаря силе ветра начинают вращаться лопасти, крутящий момент которых передается к валу генератора.
Вращение ротора создает трехфазный переменный ток.
Через контроллер переменный ток отправляется к аккумуляторной батарее. Аккумулятор необходим для того, чтобы создать стабильную работу ветрогенератора. Если ветер присутствует, то агрегат заряжает батарею.
Для защиты от урагана в ветряной системе генерации тока имеются элементы для увода ветроколеса от ветра. Происходит это складыванием хвоста или торможением колеса при помощи электрического тормоза.
Чтобы подзарядить аккумулятор, потребуется установить контролер. В функции последнего входит отслеживание зарядки АКБ для предотвращения ее поломки. При надобности данное приспособление может сбросить лишнюю энергию на балласт.
Аккумуляторы имеют постоянное невысокое напряжение, однако к потребителю оно должно доходить силой 220 Вольт. По этой причине в ветрогенераторы устанавливают инверторы. Последние способны преобразовывать переменный ток в постоянный, увеличивая показатель его силы до 220 Вольт. Если инвертор не будет установлен, то потребуется использовать только те приборы, которые рассчитаны на низкое напряжение.
Ток в преобразованном виде отправляется к потребителю для питания отопительных батарей, освещения помещений, работы бытовой техники.

Промышленные ветряные турбины имеют в своей конструкции дополнительные элементы, которые позволяют устройствам работать в островном режиме.

Грандиозные проекты

Одним из крупнейших проектов в области ветроэнергетики является строительство ветряной турбины Enercon E-126, которая представляет собой лопастной генератор с горизонтальной осью вращения и 3 лопастями. На сегодняшний день Enercon является самой большой и мощной ветряной турбиной в мире.

Самая большая в мире промышленная ветряная турбина Enercon E-1.

Длина одной лопасти составляет 63 метра, диаметр окружности, замкнутой лопастями, — 127 метров, высота основания — 135 метров. Вес этой огромной конструкции составляет около 6 000 тонн. Максимальная мощность генератора составляет 7,58 МВт.

Это чудо техники было установлено недалеко от немецкого города Эмден в 2007 году. Лопасти ветрогенератора совершают 5-11,7 оборотов в минуту, а минимальная скорость ветра, при которой лопасти вращаются, составляет 3 м/с.

Ветряная турбина Vestas V164-8,0 МВт

Компания Vestas установила ветряную турбину того же типа V164-8,0 МВт мощностью 8 МВт. Высота мачты составила 140 м, а длина одной лопасти — 80 м.

Большая плавучая ветряная турбина была возведена японцами после взрыва на Фукусиме. Высота мачты составляет около 105 м, а мощность — 7 МВт.

Ветряная электростанция Сан-Горгонио-Пасс, Калифорния. Она состоит из 3218 ветряных турбин, вырабатывающих 615 МВт электроэнергии.

Maple Ridge Wind Farm — крупнейшая ветряная электростанция в штате Нью-Йорк. Она была введена в эксплуатацию в 2006 году. Ферма будет обеспечивать 75% потребностей Нью-Йорка в электроэнергии.

Ветропарк Линн и Даусинг в Линкольншире, Великобритания, работает с 2008 года. Она обеспечивает энергией 130 000 домохозяйств.

Ветряная электростанция на острове Роза в Антарктиде вырабатывает 999 кВт (3 ветряные турбины по 333 кВт). Ветропарк был установлен на Кратер-Хилл для снабжения электростанций Скотт (Новая Зеландия) и Мак-Мердо (США). Ветряные турбины покрывают 11 % потребностей исследовательских станций.

Арктический поселок Амдерма

Ветроэлектростанция в российском арктическом поселке Амдерма. Состоит из 4 ветряных турбин, вырабатывающих до 677,2 МВт (38,6% энергии, потребляемой жителями). Стоимость 1 кВт ветровой энергии составляет около 20 рублей, по сравнению с 65,51 рубля, которые жители Амдермы платят за электроэнергию от дизельного генератора. Дизельное топливо, используемое на местных электростанциях, стоит дорого и сильно загрязняет окружающую среду. Ветряные турбины могут сделать энергию дешевле и сохранить окружающую среду. Некоторые скандинавские мастера строят ветряные турбины вручную.

Статья по теме: Сверлильно присадочный станок как работать. Присадочный станок для мебели как работать.

Типы ветрогенераторов

По мощности и области применения ветрогенераторы бывают

промышленные (мощность от 500 КВт);
бытовые (мощность 0-10 КВт).

Турбины мощностью от 10 до 500 кВт используются крайне редко.

По конструкции бытовые типы ветряков отличаются конструкцией ротора (турбины)

С горизонтальной осью. Отличаются системой управления турбины (ротора), она может быть:
- аэромеханической (на лопастях установлены специальный «закрилышки», которые меняю угол направления ветра: чем больше скорость ветра, тем больше угол атаки лопастей и наоборот). Меняя угол атаки, мы можем управлять турбиной как на малых, так и на больших скоростях для эффективной и правильной работы устройства.
- с азимутальным приводом (электроника фиксирует скорость и направление ветра, поворачивает или отворачивает турбину от ветра, если скорость ветра превышает номинальную).
С вертикальной осью – это малоэффективные устройства, которые не рекомендовано использовать из-за ряда недостатков. Они отличаются типом турбин:
- ротор Савониуса (Savonius). Их недостатком является коэффициент опережения. Если скорость ветра 10 м/с, то законцовка турбины будет вращаться со скоростью 100 м/с, соответственно, коэффициент опережения – 10. Фактически ветряк не может самостоятельно стартовать, его нужно раскручивать и только после этого он начинает работать. Если этого не делать, то он начет вырабатывать энергию только при скорости ветра 10 м/с и больше.
- ротор Дарье (Darrieus). Применяются разве что как анемоскопы, так как малоэффективные.

Сейчас ветровые турбины с горизонтальной осью вращения (лопастями), благодаря тому, что у них коэффициент ветрового потока (CIEV) легко достигает 30% и более, а у ветровых турбин с вертикальной осью вращения CIEV составляет около 20%.

Бытовая энергосистема, использующая ветряную турбину, похожа на систему солнечных панелей; в одной системе могут использоваться как ветряные турбины, так и солнечные панели.

Высота мачты и диаметр ротора определяют количество вырабатываемой энергии следующим образом: На каждые 10 метров высоты ветряной турбины добавляется 1 м/с скорости ветра. Чем выше мачта, тем больше вероятность того, что она будет работать максимально эффективно. То же самое относится и к ротору: чем больше его диаметр, тем больше выход энергии.

Статья по теме: Зачем нужен штангенрейсмас. Штангенрейсмас что это такое.

Значения силы ветрового потока для работы ветряка

Скорость ветра для начала вращения лопастей, при котором мощности нет вообще – от 1,5 м/с.
Минимальная скорость ветра при которой уже начинается генерация мощности – 3 м/с.
Номинальная скорость ветра (для ветрогенераторов украинского производства) – 7-9 м/с.
Максимальная скорость ветра, при которой ветрогенератор украинского производства сохраняет свою работоспособность– 52 м/с (200 км/час), что свидетельствует о высоком качестве сборки установки и прочности материалов изготовления.

Применение и рекомендации по месту установки ветрогенератора

Ветровые турбины характеризуются широким применением в самых разных областях: Частные дома и домохозяйства, предприятия и индивидуальные здания, нуждающиеся в автономном энергоснабжении. Они устанавливаются на открытых участках, предпочтительно на больших высотах, с хорошим ветровым потенциалом: поля, горы (холмы), острова и даже мелководье. Ветряные турбины могут устанавливаться по отдельности или группами, образуя ветропарк, который обеспечивает электроэнергией крупные объекты. Чаще всего ветропарки используются для обеспечения электроэнергией отдельных зданий, не подключенных к городской электросети. Ветряные турбины малой мощности используются в охотничьих угодьях, рыболовных лагерях, пчеловодами и в индивидуальных установках для уличного освещения.

В настоящее время использование ветряных турбин в качестве альтернативы централизованному электроснабжению нерентабельно из-за высокой стоимости турбин, но в то же время возможно использование ветряных турбин в районах, где централизованное электроснабжение отсутствует или часто прерывается. Срок окупаемости составляет 25 лет.

Существует также техническая возможность спроектировать генератор для выработки переменного тока, который можно использовать для потребителей прямой энергии, не нуждающихся в бесперебойном электроснабжении, например, насоса для осушения территории.

В Украине ветрогенераторы с разным КПД могут использоваться по всей территории страны. Наиболее благоприятными с точки зрения ветрового потенциала является установка ветрогенераторов в Крыму и Закарпатье.

Принцип действия

Принцип работы ветровых турбин можно описать следующим образом на основе следующего рисунка:

под воздействием воздушных потоков (№1 на схеме), ротор «А» и лопасти «В», закрепленные на нем, приводятся во вращательное движение;
вращательное движение (№2 на схеме) ротора «А» передается на ведущую ось «С» и редуктор «D» (коробка передач);
с редуктора «D», вращательное движение передается на электрический генератор «G», в обмотках которого, вырабатывается электрический ток.

Ветровые электростанции в России

Доля ветроустановок в единой энергосистеме нашей страны очень мала и составляет 0,01% от общей мощности энергосистемы к концу 2021 года. В количественном выражении это составляет — 10,9 МВт.

Ветроэнергетические установки находятся в эксплуатации:

Калининградской области:
«Зеленоградская», установленной мощностью 5,1 МВт.
Республике Башкортостан:
«Тюпкильды», установленной мощностью 2,2 МВт.
Республике Калмыкия:
«Калмыцкая», установленной мощностью 1,0 МВт.
Оренбургской области:
В селе Тамар-Уткуль, установленной мощностью 0,925 МВт;
В г. Орск, установленной мощностью 0,4 МВт;
Белгородской области:
«АльтЭнерго», установленной мощностью 0,1 МВт.

В Республике Крым 7 ветряных турбин работают независимо от единой энергосистемы страны с общей мощностью 89,01 МВт.

Кроме того, вне системы работает одна установка в Чукотской автономной области мощностью 2,5 МВт и три установки в Камчатской области общей мощностью 4,125 МВт.

Другие электростанции находятся на стадии планирования и строительства:

Краснодарском крае, 1 станция, общей проектируемой мощностью 460,0 МВт, запуск в работу планируется в 2021 – 2021 годах.
В Республике Адыгея, 1 станция, общей проектируемой мощностью 150,0 МВт, запуск в работу в 2021 году.
В Республике Калмыкия, 1 станция, общей проектируемой мощностью 51,0 МВт, ведутся пуско-наладочные работы.
В Ульяновской области, 4 станция, общей проектируемой мощностью 80,0 МВт, запуск в работу в 2021 и 2021 году.
В Астраханской области, 2 станций, общей проектируемой мощностью 30,0 МВт, запуск в работу планируется в 2021 и 2018 году.
В Оренбургской области, 2 станций, общей проектируемой мощностью 30,0 МВт, запуск в работу планируется в 2021 и 2018 году.

Средние цены

Стоимость ветряных турбин зависит от типа конструкции, мощности, страны и производителя.

Стоимость для вышеупомянутых 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.

Кинетический ветрогенератор: устройство, принцип работы, применение. Где применяются ветряные двигатели.