Виды и устройство ветряных генераторов

Альтернативной энергетике последние 30-40 лет уделяется все больше внимания. Энергия ветра, солнца и воды абсолютно бесплатна и она неисчерпаема в отличие от ископаемых энергоресурсов — нефти, газа и угля.

Энергию ветра человек использовал с древнейших времен. Однако в конце XIX века корабельные паруса и ветряные мельницы вытеснил паровой двигатель. О силе ветра вспомнили в 1970-е года, когда разразился серьезный нефтяной кризис. Тогда появились первые современные ветрогенераторы — устройства, преобразующие энергию ветра в механическую, а ее в электроэнергию. Тогда же попытались вернуть в судоходство и парусный движетель. Однако дальше постройки нескольких судов-прототипов дело не пошло. А вот ветровой генератор — наследник ветряных мельниц, совершенствуясь, выпускается по сей день. Более того, дальнейшее использование энергии ветра, связывают именно с ветроэнергетическими установками — ВЭУ.

Что такое ветрогенератор

Ветровой генератор нужен для преобразования ветровой энергии в электрическую. Это преобразование выглядит так: кинетическая энергия ветрового потока через вращение лопастей ветрогенератора преобразуется в энергию механическую — вращение турбины. Вращаясь, турбина вырабатывает электрическую энергию.

Горизонтальный промышленный генератор — самый мощный из выпускаемых. Есть модели, мощность которых достигает 7-8 Мвт. Но следует учитывать, что производственные способности ветрогенератора напрямую зависят от скорости ветра. Большое значение для промветрогенераторов имеет размах винта — обычно несколько десятков метров — так как при вращении скорость лопастей в пять раз превышает скорость ветра. То есть, с увеличением числа оборотов в минуту набирает и мощность ветряной электрогенератор.

Чем выше от земли, тем сильнее ветер – на высоте практически не бывает штилей, ветра дуют постоянно и скорость их гораздо выше. В связи с этим высота мачты ветрогенераторов, построенных в последнее время, достигает 200 метров.

Промышленные генераторы, как правило, устанавливаются группами. В некоторых случаях до нескольких десятков ветрогенераторов вместе. Такое объединение называется ветровая электростанция (ветропарк, англ. wind farm). Установкой и эксплуатацией ветряков занимается государство, либо крупные энергетические компании.

Сами ВЭУ по оси вращения делятся на два типа — вертикальные и горизонтальные. По потребительскому назначению типы ветроэнергетических установок могут быть следующими: промышленные, бытовые и коммерческие. Области их применения ясны из названий. Лишь уточним, что коммерческие ветрогенераторы обычно средней мощности — до 1 мВт. Они встречаются как с горизонтальной осью вращения, так и с вертикальной. Часто их устанавливают в регионах, куда невыгодно проводить линию электропередач. Дугой вариант использования — резервный источник электроэнергии. Турбины горизонтальных или крыльчатых ветропреобразователей оборудуют небольшим числом лопастей — от двух до пяти. Среди промышленных больше востребованы трехлопастные ветрогенераторы.

Что такое низкоскоростной ветрогенератор? Тот, который состоит из большого числа лопастей — от 10 до 50. Его отличает низкая скорость вращения.

Перспективное направление в ветроэнергетике — парящие ветряки. По параметрам «эффективность и окупаемость» они превосходят наземные ветротурбины на 30-40%. Основной принцип работы такого ветрогенератора: с помощью носителя — дирижабль, дрон, воздушный шар — что угодно, лишь бы летало, ВЭУ поднимается на высоту от 400 до 1000 метров, где всегда стабильно дуют сильные ветра. КПД парящего ветряка на 40-50% выше промветрогенераторов, установленных в 150-200 метрах от земли.

Первые эксперименты по выработке электроэнергии с помощью ветрогенераторов, парящих на воздушных змеях, похожих на парашюты, приходятся на 2016 год. Тогда на севере Великобритании на высоту 450 метров запустили несколько парящих ветряков. По-видимому, эксперимент прошел удачно, потому что год спустя его решили провести в Нидерландах.

Ветровая энергия привлекает и мастеров-любителй. Многие сами мастерят различные виды ветрогенераторов для дач и загородных домов. Почти все ветроустановки, созданные своими руками — это роторные ветряки с горизонтальной плоскостью вращения ротора. Этот тип выбран мастерами по простой причине — ротор при вращении относительно безопасен и его несложно сделать. Для лопастей на первый случай даже используют большие металлические бочки, вертикально разрезанные пополам. В других случаях пополам режут пластиковые канализационные трубы. Для ротора обычно хватает двух половинок труб или бочек.

Самое сложное в самодельных конструкциях сделать стартор. Их в ветряке 9 штук. Для них нужен медный провод сечением в 1 м., а количество витков — ровно 60. Подробно на самодельных конструкциях роторных ветряков останавливаться не будем — их описаний, всех «за» и «против», с избытком на просторах сети.

В общих чертах устройство обычного ветрогенератора выглядит так:

  • Турбина с пропеллерными лопастями
  • Преобразующий ротор внутри турбины
  • Генераторная ось и сам генератор
  • Инвертор для генератора. Он используется для преобразования переменного тока в постоянный.
  • Аккумуляторы для хранения и передачи полученной электроэнергии.

Если говорить о промышленной ветроустановке, то ее конструкция намного сложнее и разнообразнее. И вот почему:

  • Для промышленной установки необходим очень мощный и сложный фундамент.
  • На фундамент монтируется опора ветряка, которая в высоту может достигать несколько десятков метров.
  • Ветроустановке для обеспечения ее работы нужен силовой шкаф, который монтируется на фундаменте у основания опоры.
  • Для подъема к ветрогенератору внутри полой опоры устанавливается лестница.
  • На верх опоры устанавливается сам ветрогенератор.
Устройство ветрогенератора

Ветрогенератор состоит из следующих блоков:

  • Поворотный механизм — поворачивает ветрогенератор по направлению ветра.
  • Гондола, в которую монтируются все составляющие ветрогенератора. Это:

1. Электрогенератор. В нем механическая энергия вращения лопастей преобразуется в электрическую. Лопасти вращает ветер.
2. Анемометр, который следит за скоростью ветра и его направлением.
3. Тормозная система. Устанавливается между трансмиссией и электрогенератором.
4. Трансмиссия, которая через тормозную систему соединяет ротор с электрогенератором.
5. Винт с устройством для изменения его шага.
6. Лопасти винта.

Ветер раскручивает лопасти, которые вращают ротор электрогенератора. Так вырабатывается электрический переменный ток. Затем переменный ток поступает на контролер, который нужен для преобразования переменного тока в постоянный. А уже постоянный ток идет на заряжение аккумуляторов. Аккумуляторы для промышленных ветрогенераторов — обязательная опция. А для бытового — крайне желательна. Иначе выработанная электроэнергию будет просто пропадать.

Следующий этап преобразования — инвертор. Он служит для преобразования постоянного тока в переменный. Преобразованный инвертором переменный ток, передается в бытовую и промышленную электросеть напряжением 220 в или 380 ватт, которое поступает потребителями — бытовым, коммерческим и промышленным. Это окончательный процесс преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Инвертор или преобразователь — важнейшая часть любого ветряка. Без него вся конструкция бессмысленна, так как инвертор приводит электроэнергию к потребительскому состоянию. А в противном случае электроэнергия, которую выработал ветрогенератор, если можно так выразиться, не больше чем необработанное сырье.

Типы ветряных генераторов

По типу положения оси ветропреобразователи бывают двух типов:

  1. Горизонтальные
  2. Вертикальные или карусельные

Ветряки горизонтального типа обычно двух-трехлопастные. Есть и многолопастные варианты, но они используются не для выработки электроэнергии, а как водяные насосы. Горизонтальные ветрогенераторы обладают большой мощностью по преобразованию силы ветра в электрический ток. Поэтому все ветряки промышленного типа относятся к горизонтальным.

Особняком стоят парусные ветрогенераторы. Он относится к ветрякам горизонтальной установки, но по конструкции напоминает карусельные ветроустановки. В силу малой мощности генератора он используются исключительно в бытовых условиях. Дело в том, что скорость вращения роторного ветрогенератора не превышает скорость ветра. Отсюда ограниченные возможность роторного ветрогенератора в производстве электроэнергии.

Вертикальные ветроустановки обычно небольшого размера и часто используются в качестве бытовой миниэлектростанции. Зачастую их установка не представляет большой сложности и позволяет владельцу монтировать и устанавливать ее самостоятельно. Но есть исключения. Например, ортогональные роторные установки геликоидного типа сложны в монтаже и установке — обычно этими работами занимается специалист.

Лопасти для роторных ветрогенераторов делают из металла, композитных материалов и различных видов пластика. Вначале 2000-х промышленность стала применять углеволоконный ротор для ветрогенератора — он легкий, прочный, почти не деформируется под воздействием температур, но резкое подорожание углеволокна на мировом рынке, привело к сокращению производства углеволоконных роторов.

Ортогональные ветрогенераторы

Принцип такого ветрогенератора в том, что параллельно оси вращения установлены несколько удаленных от нее прямых, реже изогнутых, лопастей. Плюс ортогональных ветряков в том, что они не зависят от направления ветра, поэтому в конструкции отсутствуют механизмы направления, какие обязательны в горизонтальных ветротурбинах.

Так как расположение ветрогенератора вертикальное, все приводное оборудование устанавливается на уровне земли. Это удешевляет и упрощает эксплуатацию ветряка.

К недостаткам ортогонального ветряка относят малые сроки службы, в основном опорных узлов и подшипников. Это происходит из-за сильных динамических нагрузок, потому что во время вращения ротора резко возрастает подъемная сила. Сама ортогональная система отличается повышенным весом, чем невыгодно отличается от других типов вертикальных ветряков. При этом эффективность работы ортогональных конструкций ниже, чем у горизонтально-осевых, что повышает конечную стоимость произведенной электроэнергии. Именно поэтомe ортогональные ВЭУ получили довольно слабое распространение.

Ветрогенераторы с эффектом Магнуса

Этот эффект назван по имени немецкого ученого Генриха Густава Магнуса. Он открыл и исследовал его в 1852 году. В наши дни эффект Магнуса нашел применение для ветряков в регионах с низкой ветровой нагрузкой. Если традиционные вертикальные ВЭУ при скорости ветра 5 м/сек становятся неработоспособными, то ветрогенератор, действующий на эффекте Магнуса, может работать при скорости ветра в 2-4 м/сек. Эта ВЭУ для континентальных областей — территорий слабых ветров. Но они там стабильны, скорость составляет 2-6 м/сек, что в перспективе обуславливает широкое применение в этих регионах ветрогенераторов на основе эффекта Магнуса.

Ветряк с эффектом Магнуса

Его использование в ветряках основано на том, что слабый поток ветра, поперечно обтекает цилиндр, приводит его в движение. Цилиндров может быть несколько — пока эффективными признаны ветроустановки с 3-4 цилиндрами. Они выполняют функцию лопастей, собственно, и заменяя их на ветроустановке. Последние разработки и эксперименты с ними, в частности белорусских ученых, показали, что эффект Магнуса наиболее подходит к ветрякам роторного типа.

Ветрогенератор Третьякова

Это изобретение самарского конструктора Виталия Третьякова. Внешне оно не похоже ни на один из известных ветрогенераторов, настолько у него необычный, даже экстравагантный, вид. Зато эта конструкция способна работать на самых малых ветрах: ветрогенератор Третьякова способен перерабатывать энергию ветра при скорости 1,4 м/сек. Он, как определил его конструкцию сам изобретатель, относится к диагональным ветрогенераторам и может быть установлен где угодно, на крыше дома, на небольшой опоре в саду, даже на заборе или крыше (если необходимо) легкового автомобиля.

Размеры ветрогенератора Третьякова — метр на полтора, а предназначение сугубо бытовое — обеспечить электроэнергией загородный дом или дачный участок. Разговор о промышленном использовании ветряка Третьякова пока не идет, так как у этой уникальной конструкции есть свой недостаток — всем деталям его корпуса требуется повышенная прочность, что снижает КПД ветрогенератора и увеличивает его себестоимость.

Связано это с тем, что установка состоит из неподвижного корпуса, внутри которого монтируются лопасти, немного напоминающие корабельный винт. Эти части ветрогенератора в силу своей конструкции более остальных подвержены давлению ветра, поэтому им и требуется повышенная прочность.

Парусный ветрогенератор

Если лопасти традиционных ветряков изготавливают из твердых материалов, то в парусном они наоборот — из материалов мягких. Подходит любая плотная ткань, например, брезент. Часто в таких конструкциях используется нетканые слоистые материалы. Внешне парусный ветрогенератор похож на большую детскую вертушку.

По конструкции парусные ветряки разделяются на два типа.

  • Круговой с треугольными парусными лопастями
  • С парусным колесом, тоже круговым
Парусный ветрогенератор с треугольными лопастями

Треугольные парусные лопасти обычно делают равнобедренными, но во многих случаях их форма подбирается индивидуально — под ветровые нагрузки местности, где они установлены. Парусный ветряк начинает работать при скорости ветра в 5 м/сек. КПД у него выше, чем у большинства лопастных ветряков, но при этом он не лишен многих недостатков. Так при перемене ветра «парусник» останавливается и ему необходимо время чтобы раскрутиться в новом направление ветропотока.

Другой недостаток — недолговечность самих «парусов». Они часто рвутся, выходят из строя и требуют полной замены.
Считается, что этих недостатков лишен круговой парусный генератор. Его КПД в два раза выше, чем у генератора с парусными лопастями. Внешне он похож на спутниковую тарелку и отличается от привычных генераторов тем, что не имеет никаких вращающихся лопастей, цилиндров или роторов. Этот генератор вибрирует под напором или порывами ветра, своими колебаниями передавая механическую энергию на генератор.

Генератор с ротором Дарье

Еще один роторный ветрогенератор с вертикальной осью вращения. Его легко определить по внешнему вид — три плоские лопасти-полоски, закрепленные концами внизу и вверху оси. В профиль такой ветряк похож на куриное яйцо. Простота устройства — просто плоская, обычно металлическая полоска, из которой делают лопасти, удешевляет конструкцию ветряка с ротором Дарье. Его можно устанавливать прямо на земле. Соответственно все необходимое оборудование тоже. Такие агрегаты часто становятся объектами самостоятельного изготовления — обычно для снабжения электроэнергией дач, небольших сельских домов или как дополнительный источник электроэнергии.

Но не обходится без недостатков. Из-за высоких нагрузок на лопасти и ось вращения, роторный ветрогенератор Дарье быстро выходят из строя. Двухлопастные варианты при стабильной скорости ветра, практически не раскручиваются. Чуть лучше раскручиваются трехлопастные Дарье. Но чтобы его запустить, нужен сильный порыв ветра, либо раскрутить его вручную. Поэтому есть смысл устанавливать конструкцию Дарье только в регионах со стабильными порывистыми ветрами.

Генераторы с ротором Савониуса

Этот роторный ветрогенератор тоже популярен в качестве бытовых ветроэлектростанций. Основа конструкции в нескольких полуцилиндрах — двух-трех, реже больше, закрепленных на вертикальной оси вращения. Иногда, для увеличения мощи ветряка с ротором Савониуса блоки полуцилиндров выстраивают в два ряда — один над другим.

Промышленно произведенные генераторы с ротором Савониуса часто отличает необычный хай-тековский вид, напоминающий расправленные паруса яхт. В силу простоты конструкции их часто делают самостоятельно. Но только из-за простоты конструкции, так как мощность вертикальных ветряков подобного типа — с ротором Дарье, с ротором Савониуса и других, в три раза ниже, чем у горизонтальных конструкций.

Генераторы на многолопастном роторе с направляющим аппаратом

Многолопастный роторный ветряк — это основательно переработанный ортогональный ветрогенератор. Роторный комплекс состоит из двух лопастных блоков, вертикальной установки.

Наружный блок состоит из неподвижных лопастей, вращается лишь внутренний. Внешние неподвижные лопасти захватывают воздушный поток, направляя его не внутреннюю лопастную карусель, приводя ее в движение. КПД такого ветрогенератора примерно в два раза выше, чем аналогичных роторных конструкций вертикальной установки. Но ветрогенератор с многолопастным ротором самый дорогой среди вертикальных роторных ветряков, что сдерживает их распространение среди частных потребителей.

Генераторы с геликоидным ротором

Еще такие ветрогенераторы называются генераторами Горлова. В принципе, это еще один вариант на тему ортогонального роторного ветряка, причем, вариант довольно удачный. Внешнее и техническое отличие генератора с геликоидным ротором от классического ортогонального ветрогенератора, в том, что его лопасти закручены дугообразно, отсюда и его название — геликоидный.
Изобретатель это сделал для того, чтобы аппарат легко улавливал даже слабый поток воздуха. За счет лопастной дуги ротор вращается без рывков. В целом такой режим работы уменьшает динамику нагрузки на опору ветряка и подвижные узлы. Поэтому срок службы ветрогенератора Горлова выше, чем у других вертикально-роторных аналогов.

Ссылка на основную публикацию