Ветрогенератор: принцип работы, виды и перспективы развития

В то время как люди затрачивают массу усилий и средств на выработку электроэнергии, ее неиссякаемый источник находится совсем рядом, и это – ветер. Инженеры постоянно ведут работу над совершенствованием установок (ветрогенератор), предназначенных для преобразования силы ветра в электричество. Есть все основания полагать, что в будущем этот способ получения электричества станет одним из основных.

Энергию ветра человечество открыло для себя еще в давние времена. Еще за пять тысяч лет до нашей эры с ее помощью передвигалось судно по реке Нил, а в Китае ветряные мельницы использовались для того, чтобы перекачивать воду. Жители Ближнего Востока перемалывали таким образом зерно.

Идею привезли с Востока европейские путешественники, в Голландии установка была усовершенствована и приспособлена для всевозможных целей, например, для слива болот в дельтах рек, откачивать воду на фермах, а в 20 веке в США мельницы служили в качестве генераторов тока.

В 70-е годы прошлого века в связи с дефицитом нефти стал вопрос развития альтернативных источников энергии. Началась активная работа по созданию ветрогенераторов. В 90-е годы в связи со сложной экологической обстановкой в мире, ветряная энергетика была выбрана одним из наиболее эффективных решений проблем окружающей среды.

Типы ветрогенераторов

Ветряные генераторы бывают двух типов – с вертикальными и горизонтальными осями вращения.

В первых турбина расположена вертикально, перпендикулярно к земле. Ее запускает даже небольшой ветер. Вертикальный генератор чаще всего приспосабливают для обеспечения бытовых нужд потребителей, и их проще обслуживать. Шум от их работы не превышает 30 Дб. На практике используют различные типы вертикальных конструкций в зависимости от типа ротора (ортогональный – геликоидный, Дарье и Савониуса, многолопастный).

Во вторых ось ротора располагается параллельно поверхности земли. Как правило, такие устройства рассчитаны на большую мощность, их двигательная активность и коэффициент полезного действия выше той, которую обеспечивают установки вертикального типа. Есть одно, двух и трехлопастные системы. Последние наиболее востребованы, поскольку способны давать энергию до 7 мВт.

Устройство ветрогенератора

Ветряные электрогенераторы изготавливаются для промышленного и бытового использования, при этом конструктивно могут значительно отличаться.

Внешне промышленный ветряной электрогенератор похож на флюгер, но при ближайшем рассмотрении установка представляет собой весьма сложную конструкцию. В ее состав входит фундамент, силовой шкаф с контакторами и схемами управления, электрический генератор, который преобразует кинетическую энергию в электрическую.

Во избежание внештатных ситуаций ветряк включает тормозную систему, обтекатель, поворотный механизм, систему изменения угла атак лопасти. Ветряная установка защищена от пожаров, снабжена трансмиссией, системой слежения за направлением скоростью ветра, оборудована лестницей.

Ветровой датчик, входящий в конструкцию некоторых моделей ветрогенераторов, нужен для сбора данных о направлении и скорости ветра. Генератор не способен обеспечить мощность большую той, на которую он рассчитан. Поэтому и возникла необходимость защите установки от перегрузок.

Принцип работы ветрогенератора

Так же как и другими электрогенераторами, ключевая задача системы – преобразовать механическую энергию вращения лопастей в электрический ток. Это происходит благодаря специально спроектированной форме винтов обеспечивающих быстрое движение турбины. Лопасти винта имеют специальную форму: одна их сторона закруглена, а вторая – ровная.

Винты заставляют вращаться ось. Она соединена с ротором, который, в свою очередь, снабжен магнитами, вращающиеся в стартере. Таким образом создается переменный электрический ток.

Напряжение, частота и сила переменного тока от ветро-электрогенератора не всегда удовлетворяют требованиям осветительных и бытовых приборов. Поэтому выработанную электроэнергию необходимо преобразовать до стандартных характеристик.

Данный процесс осуществляется в два действия:

1. Полученный от ветряного электрогенератора переменный ток, через выпрямитель преобразуется в постоянный.
2. Постоянный ток через инвертор преобразуется в переменный с заданными значениями напряжения, частоты и силы тока.

   

Данная схема преобразования электрической энергии может дополнительно включать аккумуляторную батарею и контроллер заряда, для накопления энергии, что позволяет обеспечивать электроэнергией объекты даже в безветренную погоду.

Мощность инвертора определяет выходную мощность ветрогенератора.

Получение большого количества электроэнергии возможно лишь благодаря большому количеству промышленных установок (не менее несколько десятков). При движении потока воздуха 45 км/ч, турбина производит 400 Вт. Когда напор воздуха достаточно сильный, срабатывает система торможения. Движение ротора замедляется вместе с вращением магнитов. При сильных порывах в 80 км/ч лопасти полностью обездвижены.

Выбор ветрогенератора для домашнего использования

Ветрогенератор – оптимальное решение, когда речь идет об обеспечение электроэнергией домов в удаленных районах, например, в дачных поселках. Выбор продукции впечатляет: в продаже можно встретить как отечественные, таки импортные модели ветряных электростанций на любой вкус и кошелек.

Чтобы не прогадать с приобретением, следует прежде убедиться, что в том месте, где будет установлен ветряк, есть необходимая скорость движения воздуха. О целесообразности сообщат данные о среднегодовой скорости ветра. В противном случае можно купить установку и остаться без электричества (ниже 4,5 метров в секунду – не подходит для генератора такого типа). Также ветряки не ставят в северных широтах.

Для бытового использования в продаже имеются ветрогенераторы мощность от 500 Вт до 5 кВт, причём оборудование свыше 3 кВт будет отличаться большими размерами и стоимостью.

Среднестатистическое потребление электроэнергии составляет порядка 5 – 6 кВт в сутки. Данные цифры могут значительно разниться и зависят от количества используемого электрооборудования, а также его потребляемой мощности. К учету не принимались электрообогреватели, электропечи и др. подобное электрооборудование.

Таким образом, производя подбор ветряной электростанции, нет особого смысла приобретать установки мощностью свыше 3 кВт. С учётом стоимости дополнительного оборудования (выпрямитель, аккумуляторная батарея, инвертор и т.д.) целесообразно использование двух ветряных электрогенератора меньшей мощности, что позволит иметь электростанцию с большей автономностью и меньшей стоимостью.

Эффективность и окупаемость ветрогенератора

Еще раз следует отметить, что ветряная электростанция актуальна в тех регионах, где постоянно присутствуют достаточные для ее работы ветра. В зависимости от мощности электрогенератора, а также количестве, при стабильном и постоянном вращении винта, ветряк гарантирует подачу электроэнергии для нужд частого дома.

В настоящее время мало уделяется внимания на разработку и совершенствование оборудования альтернативной и экологической энергии, а следовательно, стоимость данного оборудования относительно высока. Стоимость электрогенератора и сопутствующего оборудования составляет порядка 100 т. руб., без учета монтажа и обслуживания. Таким образом окупаемость будет составлять порядка 10 лет, что не так уж и плохо. А в случае прибывания на загородных и удаленных от электрификации объектах использование энергии ветра будет одним из лучших вариантах.

Перспективы развития ветряной энергетики

Ветряную энергетику рассматривают как один из наиболее перспективных способов получения электричества в будущем. Запасы нефти, угля и газа имеют тенденцию к сокращению, а их использование даже в наши дни приводит к загрязнению атмосферы, необходимости строить большие комплексы.

Ученые и инженеры усиленно работают над созданием новых, совершенных типов генераторов, снабжают основные установки дополнительным оборудованием для аккумулирования и преобразования электроэнергии. У турбин появляется больше положительных свойств, а отрицательные моменты уходят в прошлое.