Видове вятърни турбини. Домашен вятърен генератор за дома и градината: принципи на работа, диаграми, какъв вид и как да го направите

В момента има много вятърни турбини с хоризонтална и вертикална ос на въртене. Те се различават един от друг не само по външен вид и дизайн, но и по технически възможности, в зависимост от целите, за които се използват. Въз основа на конструкцията на приемника на вятърна енергия и местоположението му във въздушния поток се разграничават няколко системи за вятърни двигатели.

Вече говорихме за вятърни турбини с въртележка и барабан. Известен е и така нареченият ротационен вятърен двигател (фиг. 23). Неговите перки се въртят като вятърна турбина с въртележка в хоризонтална равнина и задвижват вертикален вал.

Ориз. 23. Ротационна вятърна турбина

Вече са широко разпространени лопатковите вятърни турбини, най-старият тип от които са обикновените вятърни мелници. Основната част на всяка лопаткова вятърна турбина е вятърното колело. Състои се от няколко остриета и се върти под въздействието на вятъра. С помощта на двойка конусни зъбни колела, монтирани на главата на вятърната турбина (фиг. 24), въртенето на колелото се преобразува в по-бързо движение на вертикалния вал или в възвратно-постъпателно движение на задвижващия прът.

Ориз. 24. Схема на лопаткова вятърна турбина

За да обърнат главата и вятърното колело във вятъра, вятърните мелници имат носач, а съвременните малки вятърни турбини имат опашка с вертикална опашка в края. Големите вятърни турбини с лопатки имат други по-сложни механизми за автоматично изравняване на вятърното колело спрямо вятъра. За да се гарантира, че скоростта на въртене на вятърното колело не надвишава максималната, има специално устройство за автоматично регулиране на скоростта.

Обикновено на повърхността на земята въздушният поток поради различни препятствия е неравномерен и отслабен, така че вятърното колело се монтира на висока мачта или кула, над препятствията.

Въз основа на конструкцията на вятърните колела съвременните лопаткови вятърни турбини се разделят на високоскоростни и нискоскоростни.

При нискоскоростна вятърна турбина вятърното колело се състои от голям брой лопатки (фиг. 25). Движи се лесно. Благодарение на това нискоскоростната вятърна турбина е удобна за работа с бутална помпа и други машини, които изискват голяма начална сила при стартиране.

Ориз. 25. Съвременна многолопатна вятърна турбина TB-5 с мощност до 2,5 конски сили

Нискоскоростните вятърни турбини се използват главно в райони, където средната скорост на вятъра не надвишава 4,5 метра в секунда. Всички механизми на многопластовите вятърни турбини като правило са малко по-прости от тези на високоскоростните. Въпреки това, вятърните колела на нискоскоростните вятърни турбини са доста обемисти конструкции. С големия размер на такива колела е трудно да се създаде необходимата стабилност, особено при висока скорост на вятъра. Ето защо понастоящем многолопатковите вятърни турбини се изграждат с диаметър на вятърните колела не повече от 8 метра. Мощността на такава вятърна турбина достига 6 конски сили. Тази мощност е напълно достатъчна за доставяне на вода на повърхността от кладенци с дълбочина до 200 метра.

Високоскоростните вятърни турбини имат не повече от четири крила с обтекаем профил във вятърното колело (вижте например фиг. 27).

Ориз. 27. Вятърна турбина 1-Д-18 с мощност до 30 киловата

Това им позволява да издържат добре на много силни ветрове. Дори при силен и поривист вятър, добре проектираните механизми за управление създават равномерно въртене на вятърните колела на високоскоростните вятърни турбини.

Тези положителни характеристики на високоскоростните вятърни турбини им позволяват да работят при променливи ветрове с всякаква сила.

Следователно, високоскоростни вятърни турбини могат да бъдат построени с много големи диаметри на вятърните колела, достигащи петдесет или повече метра и развиващи мощност от няколкостотин конски сили.

Благодарение на високата и стабилна равномерност на вятърните колела, високоскоростните вятърни двигатели се използват за задвижване на голямо разнообразие от машини и електрически генератори. Съвременните високоскоростни вятърни турбини са универсални машини.

Удобно е да се сравняват вятърни двигатели от различни системи, като се въведе концепцията за нормална скорост. Тази скорост се определя от отношението на периферната скорост във външния край на въртящата се лопатка при скорост на вятъра 8 метра в секунда към скоростта на въздушния поток.

Лопатките на въртележките, ротационните и барабанните вятърни двигатели по време на работа се движат по въздушния поток и скоростта на която и да е точка никога не може да бъде по-голяма от скоростта на вятъра. Следователно нормалната скорост на вятърните турбини от този тип винаги ще бъде по-малка от единица (тъй като числителят ще бъде по-малък от знаменателя).

Вятърните колела на крилати вятърни турбини се въртят напречно на посоката на вятъра, поради което скоростта на движение на крайните части на техните крила достига високи стойности. Тя може да бъде няколко пъти по-висока от скоростта на въздушния поток. Колкото по-малко са лопатките и колкото по-добър е техният профил, толкова по-малко съпротивление изпитва вятърното колело. Това означава, че по-бързо се върти. Най-добрите примери за модерни лопаткови вятърни турбини имат нормална скорост до девет единици. Повечето фабрично произведени вятърни турбини имат скорост от 5-7 единици. За сравнение отбелязваме, че дори най-добрите селски мелници са имали скорост от само 2-3 единици (и в този смисъл те са по-напреднали от въртележките, ротационните и барабанните вятърни двигатели).

С увеличаването на броя на лопатките на вятърното колело се увеличава способността му да се отдалечава при ниски скорости на вятъра. Следователно многолопатковите крилати вятърни двигатели, при които общата площ на лопатките е 60-70 процента от пометената повърхност (виж фиг. 20) на вятърното колело, влизат в действие при скорост на вятъра 3-3,5 метра за секунда.

Ориз. 20. Портална мелница

Високоскоростните вятърни турбини с малък брой лопатки стартират при скорост на вятъра от 4,5 до 6 метра в секунда. Следователно те трябва да бъдат пуснати в експлоатация или без натоварване, или с помощта на специални устройства.

Доброто стартиране и простотата на дизайна на въртележките, ротационните и барабанните вятърни турбини пленяват много изобретатели и дизайнери, които ги смятат за идеални вятърни турбини. В действителност обаче тези машини имат редица съществени недостатъци. Тези недостатъци ги правят трудни за използване дори с такива обикновени и прости машини като бутални помпи и мелници.

Вятърните турбини с роторни приемници на вятърна енергия използват много слабо енергията на въздушния поток; техният коефициент на използване на вятърна енергия е 2-2,5 пъти по-малък от този на лопатковите вятърни турбини. Следователно, с равни повърхности, обхванати от лопатките, лопатковите вятърни турбини могат да развият мощност 2-2,5 пъти по-голяма от въртележките, ротационните и барабанните вятърни електроцентрали.

Роторните вятърни турбини в момента се използват само под формата на малки занаятчийски инсталации с мощност до 0,5 конски сили. Например, те се използват за задвижване на различни вентилационни устройства в животновъдни сгради, ковачници и други селскостопански производствени зони.

Какво определя мощността на вятърната турбина?

Знаем, че енергията на въздушния поток не е постоянна, така че всяка вятърна турбина има променлива мощност. Мощността на всяка вятърна турбина зависи от скоростта на вятъра. Установено е, че при удвояване на скоростта на вятъра мощността на крилете на ветрогенератора се увеличава 8 пъти, а при увеличаване на скоростта на въздушния поток 3 пъти мощността на ветрогенератора се увеличава 27 пъти.

Мощността на вятърната турбина също зависи от размера на приемника на вятърна енергия. В този случай тя е пропорционална на площта, пометена от лопатките на вятърното колело или ротора. Например, за вятърни турбини с лопатки, повърхността, пометена от лопатките, ще бъде площта на кръга, който описва края на лопатката при един пълен оборот. За барабанни, каруселни и въртящи се вятърни турбини повърхността, пометена от лопатките, представлява площта на правоъгълник с височина, равна на дължината на лопатката, и ширина, равна на разстоянието между външните ръбове на противоположните лопатки.

Въпреки това всяко вятърно колело или ротор преобразува само част от енергията на въздушния поток, преминаващ през повърхността, пометена от лопатките, в полезна механична работа. Тази част от енергията се определя от коефициента на използване на вятърната енергия. Стойността на коефициента на използване на вятърната енергия винаги е по-малка от единица. За най-добрите съвременни високоскоростни вятърни турбини този коефициент достига 0,42. За серийни фабрични високоскоростни и нискоскоростни вятърни турбини коефициентът на използване на вятърната енергия обикновено е 0,30-0,35; това означава, че приблизително само една трета от енергията на въздушния поток, преминаващ през вятърните колела на вятърните турбини, се превръща в полезна работа. Останалите две трети от енергията остават неизползвани.

Съветският учен Г. X. Сабинин въз основа на изчисления установи, че дори идеалната вятърна турбина има коефициент на използване на вятърната енергия само 0,687.

Защо този коефициент не може да бъде равен или дори близък до единица?

Това се обяснява с факта, че част от вятърната енергия се изразходва за образуване на вихри на лопатките и скоростта на вятъра зад вятърното колело пада.

Така действителната мощност на една вятърна турбина зависи от коефициента на използване на вятърната енергия. Мощността на вятърната турбина е пропорционална на нейната стойност. Това означава, че с увеличаване на степента на използване на вятърната енергия, мощността на вятърната турбина се увеличава и обратно.

Барабанните, ротационните и ротационните вятърни турбини с прости лопатки имат много ниски нива на използване на вятърната енергия. Стойностите им варират в широки граници от 0,06 до 0,18. За лопатковите двигатели този коефициент варира от 0,30 до 0,42.

В допълнение, полезната мощност на всяка вятърна турбина също е пропорционална на ефективността на трансмисионния механизъм, както и на плътността на въздуха. Обикновено ефективността на съвременните механизми на вятърни турбини е от 0,8 до 0,9.

От това, което беше казано за мощността на вятърна турбина, следва, че за даден вятър, тази вятърна турбина ще има по-висока мощност, при която най-голямото количество въздушен поток протича през повърхността, пометена от крилата, и лопатките на вятърното колело имат добре очертан профил.

Повечето видове вятърни турбини са известни толкова отдавна, че историята мълчи за имената на техните изобретатели.

Видове вятърни генератори:

Основните видове вятърни турбини са показани на фигурата. Те са разделени на две групи:

вятърни турбини с хоризонтална ос на въртене (лопатка) (2...5);

вятърни турбини с вертикална ос на въртене (ротационни: лопаткови (1) и ортогонални (6)).

Видовете лопаткови вятърни турбини се различават само по броя на лопатките.

Крилат

За лопатковите вятърни турбини, чиято най-голяма ефективност се постига, когато въздушният поток е перпендикулярен на равнината на въртене на лопатките на крилата, е необходимо устройство за автоматично завъртане на оста на въртене.

За целта се използва стабилизиращо крило.

Каруселните вятърни турбини имат предимството, че могат да работят във всяка посока на вятъра, без да променят позицията си.

Коефициентът на използване на вятърната енергия (виж фигурата) за лопатковите вятърни турбини е много по-висок, отколкото за ротационните вятърни турбини.

В същото време въртележките имат много по-висок въртящ момент.

Тя е максимална за модули с въртящи се ножове, при нулева относителна скорост на вятъра.

Разпространението на роторните вятърни турбини се обяснява с големината на тяхната скорост на въртене.

Те могат да бъдат директно свързани към генератор на електрически ток без умножител.

Скоростта на въртене на лопатковите вятърни турбини е обратно пропорционална на броя на крилата, поради което единици с повече от три лопатки практически не се използват.

Въртележка

Разликата в аеродинамиката дава предимство на ротационните вятърни турбини пред традиционните вятърни турбини.

С увеличаване на скоростта на вятъра те бързо увеличават теглителната си сила, след което скоростта на въртене се стабилизира.

Каруселните вятърни турбини са нискоскоростни и това позволява използването на прости електрически вериги, например с асинхронен генератор, без риск от авария при случаен порив на вятъра.

Бавността поставя едно ограничаващо изискване - използването на многополюсен генератор, работещ при ниски скорости.

Такива генератори не са широко разпространени и използването на мултипликатори (мултипликатор [лат. Multiplicator - умножаване] - нарастваща предавка) не е ефективно поради ниската ефективност на последното.

Още по-важно предимство на дизайна на въртележката беше способността му без допълнителни трикове да следи „откъде духа вятърът“, което е много важно за повърхностните потоци.

Вятърни турбини от този тип се изграждат в САЩ, Япония, Англия, Германия и Канада.

С увеличаване на натоварването скоростта на въртене намалява и въртящият момент се увеличава до пълно спиране.

Ортогонален

Ортогоналните вятърни турбини, според експертите, са обещаващи за мащабна енергия.

Днес почитателите на вятъра на ортогоналните структури се сблъскват с определени трудности. Сред тях по-специално е проблемът със стартирането.

Ортогоналните инсталации използват същия профил на крилото като дозвуковия самолет (виж фиг. 6).

Самолетът, преди да се „опре” на подемната сила на крилото, трябва да излети. Същото е положението и с ортогоналния монтаж.

Първо, трябва да му подадете енергия - да го завъртите и да го доведете до определени аеродинамични параметри и едва след това самият той ще премине от режим на двигател към режим на генератор.

Отвеждането на мощност започва при скорост на вятъра около 5 m/s, а номиналната мощност се постига при скорост 14...16 m/s.

Предварителните изчисления на вятърните турбини предвиждат използването им в диапазона от 50 до 20 000 kW.

При реалистична инсталация с мощност 2000 kW диаметърът на пръстена, по който се движат крилата, би бил около 80 метра.

Мощната вятърна турбина е с големи размери. С малки обаче може да минеш - вземай бройката, а не размера.

Чрез оборудването на всеки електрически генератор с отделен преобразувател е възможно да се сумира изходната мощност, генерирана от генераторите.

В този случай се увеличава надеждността и жизнеспособността на вятърната турбина.

Принципът на работа на всички вятърни турбини е един и същ: под натиска на вятъра вятърно колело с лопатки се върти, предавайки въртящ момент през трансмисионна система към вала на генератора, който генерира електричество, към водната помпа. Колкото по-голям е диаметърът на вятърното колело, толкова по-голям въздушен поток улавя и толкова повече енергия произвежда устройството.

Традиционното разположение на вятърните турбини е с хоризонтална ос на въртене (фиг. 3) е добро решение за устройства с малък размер и мощност. Когато обхватът на лопатките нарасна, това разположение се оказа неефективно, тъй като на различни височини вятърът духа в различни посоки. В този случай не само не е възможно да се ориентира оптимално устройството спрямо вятъра, но също така съществува риск от разрушаване на острието. В допълнение, краищата на лопатките на голяма инсталация, движещи се с висока скорост, създават шум. Основната пречка пред използването на вятърната енергия обаче все още е икономическа - мощността на блока остава малка, а делът на разходите за неговата експлоатация се оказва значителен. Устройствата с ниска мощност могат да произвеждат енергия, която е приблизително три пъти по-скъпа.

Фигура 3 - Лопаткова вятърна турбина

Съществуващи системи за вятърни турбини според дизайна на вятърното колело и неговото положение във вятърния поток са разделени за три класа.

Първи класвключва вятърни турбини, при които вятърното колело е разположено във вертикална равнина; в този случай равнината на въртене е перпендикулярна на посоката на вятъра и следователно оста на вятърното колело е успоредна на потока. Такива вятърни турбини се наричат крилат.

Скоростта е съотношението на периферната скорост (ωR) на върха на перката към скоростта на вятъра V:

З= ω Р.

Лопатковите вятърни турбини, съгласно GOST 2656-44, в зависимост от вида на вятърното колело и скоростта, се разделят на три групи (Фигура 4):

Ø многолопатни вятърни турбини, нискоскоростни, с висока скорост Zn£2;

Ø вятърни двигатели с малки лопатки, нискооборотни, включително вятърни мелници, с висока скорост Zn> 2;

Ø вятърните турбини са с малка перка, високоскоростни, Zn³3.

Фигура 4 - Схеми на вятърни колела на лопаткови вятърни двигатели: 1 – многолопатен; 2–4 – дребноострие

Co. втори класвключват системи за вятърни турбини с вертикална ос на въртене на вятърното колело . Според конструктивната схема те се разделят на групи:

- въртележка, при които неработещите лопатки са или покрити с екран, или разположени на ръба срещу вятъра (Фигура 5, позиция 1);

- ротационенвятърни турбини от системата Савониус.

ДА СЕ трети класвключват вятърни двигатели, работещи на принципа на колелото на воденицата и т.нар барабани (Фигура 5, т.7 ) . Тези вятърни турбини имат хоризонтална ос на въртене и перпендикулярна на посоката на вятъра.

Фигура 5 - Видове вятърни турбини: 1 – ротационни; 2–3 многоделни; 4–5 – дребнолистни; 6 – ортогонален; 7 - барабан

Основните недостатъци на въртележките и барабанните вятърни турбиниследват от самия принцип на разположение на работните повърхности на вятърното колело във вятърния поток:

1. Тъй като работните лопатки на колелото се движат по посока на въздушния поток, натоварването от вятъра не действа едновременно върху всички лопатки, а една по една. В резултат на това всяка лопатка изпитва периодично натоварване, а степента на използване на вятърната енергия е много ниска и не надвишава 10%.

2. Движението на повърхностите на вятърното колело по посока на вятъра не позволява развиването на високи скорости, тъй като повърхностите не могат да се движат по-бързо от вятъра.

3. Размерите на използваната част от въздушния поток (метената повърхност) са малки в сравнение с размерите на самото колело, което значително увеличава теглото му на единица инсталирана мощност на вятърния двигател.

Карусел вятърни турбиниимат предимството, че могат да работят във всяка посока на вятъра, без да променят позицията си.

Роторните вятърни турбини на системата Savonius имат най-висок процент на използване на вятърна енергия от 18%.

Лопатковите вятърни турбини са лишени от горните недостатъци на ротационните и барабанните вятърни турбини. Добрите аеродинамични качества на лопатковите вятърни турбини, конструктивната способност за производството им за висока мощност, сравнително ниското тегло на единица мощност са основните предимства на вятърните турбини от този клас

Търговската употреба на лопатъчни вятърни турбини започва през 1980 г. През последните 14 години мощността на вятърните турбини се е увеличила 100 пъти: от 20...60 kW с диаметър на ротора от около 20 m в началото на 80-те години до 5000 kW с диаметър на ротора над 100 m до 2003 г. (фиг. 7.6).

Видовете лопаткови вятърни турбини се различават само по броя на лопатките.

За лопаткови вятърни турбини, чиято най-голяма ефективност се постига, когато въздушният поток е перпендикулярен на равнината на въртене на лопатките на крилото, е необходимо устройство за автоматично завъртане на оста на въртене. За целта се използва стабилизиращо крило.

Коефициентът на използване на вятърната енергия (Фигура 4) за лопатковите вятърни турбини е много по-висок, отколкото за ротационните вятърни турбини. В същото време въртележките имат много по-висок въртящ момент. Тя е максимална за модули с въртящи се ножове при нулева относителна скорост на вятъра.

Разпространението на роторните вятърни турбини се обяснява с големината на тяхната скорост на въртене. Те могат да бъдат директно свързани към генератор на електрически ток без умножител. Скоростта на въртене на лопатковите вятърни турбини е обратно пропорционална на броя на крилата, така че единици с повече от три лопатки практически не се използват.

Разликата в аеродинамиката дава предимство на ротационните инсталации пред традиционните вятърни турбини (Фигура 7). С увеличаване на скоростта на вятъра те бързо увеличават теглителната си сила, след което скоростта на въртене се стабилизира. Каруселните вятърни турбини са нискоскоростни и това позволява използването на прости електрически вериги, например с асинхронен генератор, без риск от авария поради случаен порив на вятъра. Бавността поставя едно ограничаващо изискване - използването на многополюсен генератор, работещ при ниски скорости. Такива генератори не се използват широко и използването на мултипликатори (Множител [лат. мултипликатор] - увеличаваща се предавка) не е ефективно поради ниската ефективност на последните.

Още по-важно предимство на дизайна на въртележката е способността му да следи „къде духа вятърът“ без допълнителни трикове, което е много важно за повърхностните потоци. Вятърни турбини от този тип се изграждат в САЩ, Япония, Англия, Германия и Канада.

Вятърната турбина с въртящи се перки е най-лесна за работа. Дизайнът му осигурява максимален въртящ момент при стартиране на вятърната турбина и автоматично саморегулиране на максималната скорост на въртене по време на работа. С увеличаване на натоварването скоростта на въртене намалява и въртящият момент се увеличава, докато спре напълно.

Когато потокът взаимодейства с острието, се случва следното:

1) сила на съпротивление, успоредна на вектора на относителната скорост на настъпващия поток;

2) подемна сила, перпендикулярна на съпротивителната сила;

3) завихряне на потока около лопатката;

4) турбулизация на потока, т.е. хаотични смущения на неговата скорост по големина и посока;

5) пречка за идващия поток.

Препятствието пред настъпващия поток се характеризира с параметър, наречен геометрично запълване и равен на съотношението на площта на проекцията на лопатките върху равнина, перпендикулярна на потока, към площта, пометена от тях.

Основните класификационни характеристики на вятърните енергийни инсталации могат да бъдат определени по следните критерии:

1. Ако оста на въртене на вятърното колело е успоредна на въздушния поток, инсталацията ще бъде хоризонтално-аксиална, ако оста на въртене на вятърното колело е перпендикулярна на въздушния поток - вертикално-аксиална.

2. Инсталациите, които използват съпротивителна сила (плъзгащи машини) като сила на въртене, като правило се въртят с линейна скорост, по-ниска от скоростта на вятъра, а инсталациите, които използват повдигаща сила (асансьорни машини), имат линейна скорост на краищата на лопатки, което е значително по-висока скорост на вятъра.

3. За повечето инсталации геометричното запълване на вятърното колело се определя от броя на лопатките. Вятърните турбини с голямо геометрично запълване на вятърното колело развиват значителна мощност при относително слаби ветрове, а максималната мощност се постига при ниски скорости на колелото. Вятърните турбини с ниско пълнене постигат максимална мощност при високи скорости и им отнема повече време, за да достигнат този режим. Ето защо първите инсталации се използват например като водни помпи и остават работещи дори при слаб вятър, докато вторите се използват като електрически генератори, където са необходими високи скорости на въртене.

4. Инсталациите за пряко извършване на механична работа често се наричат вятърна мелница или турбина; инсталациите за производство на електроенергия, т.е. комбинация от турбина и електрически генератор, се наричат вятърни генератори, въздушни генератори, а също и преобразуване на енергия инсталации.

5. За въздушни генератори, свързани директно към мощна енергийна система, скоростта на въртене е постоянна поради ефекта на асинхронизация, но такива инсталации използват енергията на вятъра по-малко ефективно от инсталациите с променлива скорост на въртене.

6. Ветроходното колело може да бъде свързано към електрическия генератор директно (твърдо свързване) или чрез междинен преобразувател на енергия, който действа като буфер. Наличието на буфер намалява последствията от колебанията в скоростта на въртене на вятърното колело, което позволява по-ефективно използване на вятърната енергия и мощността на електрическия генератор. Освен това има частично отделени схеми за свързване на колелото към генератора, наречени меки връзки. По този начин нетвърдата връзка, заедно с инерцията на вятърното колело, намалява влиянието на колебанията на скоростта на вятъра върху изходните параметри на електрическия генератор. Това влияние може да бъде намалено и чрез еластично свързване на лопатките към оста на вятърното колело, например с помощта на пружинни панти.

Вятърно колело с хоризонтална ос.Нека разгледаме вятърните колела с хоризонтална ос от витлов тип. Основната сила на въртене за колелата от този тип е повдигането. По отношение на вятъра вятърното колело в работно положение може да бъде разположено пред опорната кула или зад нея.

Вятърните генератори обикновено използват вятърни колела с две и три лопатки, като последните се характеризират с много гладко движение. Електрическият генератор и скоростната кутия, свързваща го с вятърното колело, обикновено се намират в горната част на опорната кула във въртящата се глава.

Колела с много лопатки, които развиват висок въртящ момент при слаб вятър, се използват за изпомпване на вода и други цели, които не изискват висока скорост на въртене на вятърното колело.

Вятърни генератори с вертикална ос (Фигура 7). Вятърните генератори с вертикална ос на въртене, поради своята геометрия, са в работно положение при всяка посока на вятъра. В допълнение, тази схема позволява чрез просто удължаване на вала да се монтира скоростна кутия с генератори в долната част на кулата.

Основните недостатъци на такива инсталации са: много по-голямата им чувствителност към разрушение от умора поради по-често възникващите автоколебателни процеси в тях и пулсации на въртящия момент, водещи до нежелани пулсации в изходните параметри на генератора. Поради това по-голямата част от вятърните генератори са проектирани с помощта на дизайн с хоризонтална ос, но изследванията на различни видове инсталации с вертикална ос продължават.

Най-често срещаните видове инсталации с вертикална ос са:

1. Чаша ротор (анемометър).Вятърно колело от този тип се върти от съпротивителна сила. Формата на чашовидната лопатка осигурява почти линейна зависимост на скоростта на колелото от скоростта на вятъра.

2. Ротор на Савониус.Това колело също се върти чрез съпротивление. Остриетата му са направени от тънки извити листове с правоъгълна форма, т.е. те са прости и евтини. Въртящият момент се създава поради различното съпротивление, оказвано на въздушния поток от вдлъбнатите и извитите спрямо него перки на ротора. Благодарение на големия геометричен пълнеж, това вятърно колело има голям въртящ момент и се използва за изпомпване на вода.

3. RotorDarye.Въртящият момент се създава от повдигащата сила, която възниква върху две или три тънки извити опорни повърхности с аеродинамичен профил. Повдигащата сила е максимална в момента, когато перката пресича насрещния въздушен поток с висока скорост. Роторът Daria се използва във вятърни генератори. По правило роторът не може да се върти сам, така че за стартирането му обикновено се използва генератор, работещ в режим на двигател.

4. Ротор Musgroove.Лопатките на това вятърно колело в работно състояние са разположени вертикално, но имат способността да се въртят или сгъват около хоризонтална ос, когато са изключени. Има различни версии на роторите Musgrove, но всички те се затварят при силен вятър.

5. Ротор на Еванс.Лопатките на този ротор се въртят около вертикална ос в аварийни ситуации и по време на управление.

Фигура 7 - Вятърни генератори с вертикална ос

Хъбове.Мощността на вятърната турбина зависи от ефективността на използване на енергията на въздушния поток. Един от начините за увеличаването му е използването на специални концентратори (усилватели) на въздушния поток. Разработени са различни версии на такива концентратори за вятърни генератори с хоризонтална ос. Това могат да бъдат дифузори или объркващи устройства (дефлектори), насочващи въздушния поток към вятърното колело от площ, по-голяма от площта на движение на ротора, и някои други устройства. Концентраторите все още не са широко използвани в промишлените инсталации.

Вятърните турбини използват мощността и силата на вятъра за производство на електрическа енергия. Животът на съвременния човек е немислим без

електричество, дори в райони, отдалечени от електрозахранване. Вятърните производители на екологично чиста светлинна енергия служат като алтернативен източник.

И те набират все по-голяма популярност всяка година. Колкото по-голяма е гамата от продукти, толкова повече въпроси възникват кой тип вятърен генератор да предпочетете. И като производителност, и като пари.

Основни видове вятърни генератори

Моделите вятърни генератори се предлагат в различни дизайни и се различават по мощност. Според геометрията на въртене на основната ос на ротора те се разделят на:

Вертикален тип - турбината е разположена вертикално спрямо земната равнина. Започва да работи при слаб вятър.
Хоризонтален тип - оста на ротора се върти успоредно на земната повърхност. Има голяма мощност за преобразуване на вятърната енергия в променлив и постоянен ток.

Нека разгледаме тези видове по-подробно, тъй като всеки от тях има разработки и подобрения.

Видове вертикални генератори (тип въртележка)

Вертикалните вятърни преобразуватели често се използват за домашни цели. Тези видове вятърни генератори са лесни за поддръжка. Основните компоненти, които изискват внимание, се намират в долната част на инсталациите и са свободни за достъп.

1. Генератори с ротор Savounis

Състои се от два цилиндъра. Постоянното аксиално въртене и потокът на вятъра не са зависими един от друг. Дори при резки пориви се върти с първоначално зададената скорост.

Липсата на влияние на вятъра върху скоростта на въртене несъмнено е добро предимство. Лошото е, че използва силата на стихията не на пълна мощност, а само до една трета. Дизайнът на лопатките под формата на полуцилиндри ви позволява да работите само на четвърт оборот.

2. Генератори с ротор Daria

Имат две или три остриета. Лесен за монтаж. Дизайнът е прост и ясен. Започват да работят от ръчен старт.

Минусът е, че турбините не са много мощни. Силните вибрации причиняват силен шум. Това се улеснява от голям брой остриета.

3. Хеликоиден ротор

Вятърният генератор се върти равномерно благодарение на усуканите перки. Лагерите не са подложени на бързо износване, което значително удължава техния експлоатационен живот.

Инсталирането на модула отнема време и е изпълнено с трудности при монтажа. Сложната технология на производство доведе до висока цена.

4. Многолопатков ротор

Дизайнът с вертикална ос и голям брой лопатки го прави чувствителен дори към много слаб вятър. Ефективността на такива вятърни генератори е много висока.

Това е мощен конвертор. Вятърната енергия се използва максимално. Скъпо е. Недостатък: висок фонов звук. Може да произвежда голямо количество електрически ток.

5. Ортогонален ротор

Започва да генерира енергия при скорост на вятъра 0,7 м/сек. Състои се от вертикална ос и лопатки. Не вдига много шум и има красив, необичаен дизайн. Срокът на експлоатация е няколко години.

Голямото тегло на острието го прави обемист, което усложнява монтажните работи.

Положителните аспекти на вертикалните вятърни генератори:

Използването на генератори е възможно дори при слаб вятър.
Те не се приспособяват към ветровите течения, тъй като не зависят от посоката му.
Те са монтирани на къса мачта, което позволява обслужването на системите на земята.
Шум в рамките на 30 dB.
Разнообразен, приятен външен вид.

Основният недостатък е, че силата и енергията на вятъра не се използват напълно поради ниската скорост на въртене на ротора.

Хоризонтални ветрогенератори (лопаткови)

Различни модификации на хоризонтални инсталации имат от една до три остриета или повече. Следователно ефективността е много по-висока от тази на вертикалните.

Недостатъците на вятърните генератори са необходимостта да се ориентират по посока на вятъра. Постоянното движение намалява скоростта на въртене, което намалява неговата производителност.

Едноострие и двуострие. Те се отличават с високи обороти на двигателя. Теглото и размерите на уреда са малки, което улеснява монтажа.
Трилопатен. Те са търсени на пазара. Те могат да произвеждат енергия до 7 mW.
Уредите с много остриета имат до 50 остриета. Имат голяма инерция. Ползите от въртящия момент се използват при работата на водните помпи.

На съвременния пазар се появяват вятърни генератори с дизайн, различен от класическия, например има хибридни.

1. Вятърен генератор, изграден като платноходка

Дисковидната структура под налягане на въздуха задвижва буталата, които активират хидравличната система. В резултат на това физическата енергия се трансформира в електрическа.

Устройството не издава шум по време на работа. Високи нива на мощност. Лесно управляем.

2. Вятърен генератор с летящо крило

Използва се без мачта, генератор, ротор и перки. В сравнение с класическите конструкции, които работят на малка надморска височина с променлива сила на вятъра, а изграждането на високи мачти е трудоемко и скъпо, "крилото" няма такива проблеми.

Изстрелва се на височина 550 метра. Производството на електроенергия е 1 MW годишно. Производител на "крилото" е Makani Power.

Приложение на вятърни генератори

Вятърните генератори се използват в промишлеността и в бита.

Индустриалните вятърни турбини се използват за производствени нужди или за осигуряване на електричество на малки населени места в условия на липса или недостиг на електрическо захранване. Те са инсталирани в големи количества в открити пустинни зони.

Вятърните мелници, предимно прости, са предназначени за домашна употреба в летни вили. В студените зимни времена, за да спестят електроенергия, те се изграждат на територията на жилищни сгради. Прост вятърен генератор произвежда енергия според броя на ветровитите дни.

Ефективност на вятърната турбина

При вертикалните и хоризонталните вятърни генератори ефективността е приблизително еднаква. За вертикален е 20-30%, за хоризонтален 25-35%.

Ефективността зависи от вида на вятърния генератор и скоростта на вятъра

Някои производители повишават ефективността на вертикалните вятърни турбини с до 15%, като заменят лагерите с постоянни неодимови магнити. Но такова леко увеличение на ефективността само с 3-5% води до значително увеличение на цената на конструкциите.

И двата вида не се различават по отношение на експлоатационния живот. Средно продължителността на производството на енергия е проектирана за 15 - 25 години служба. Най-бързо се износват лагерният възел и лопатките. Срокът на експлоатация зависи от качеството на услугата.

Цената на вятърните генератори

Цените на вятърните генератори са доста високи. Това са обемисти конструкции, направени от скъп материал. Включва батерии, контролер, инвертор и мачта.

Комплектът може да се състои от: 1 - самия вятърен генератор, 2 - Мачта, 3 - Фундамент, 4 - Комплект батерии, 5 - Инвертор, 6 - Контролер, както и кабели, конектори, багажник, дизелов генератор и други необходими консумативи за монтаж

Техническите характеристики на вятърните генератори също влияят върху цената.

Най-простият е генератор с ниска мощност до 300 вата. Произвежда енергия при сила на вятъра 10-12 м/сек. Комплект от най-простата вятърна мелница само с контролер струва от 15 000 рубли. Когато е оборудван с инвертор, батерия и мачта, цената достига 50 000 рубли.
Генератори с обявена мощност 1 kW. При слаби ветрове средно те произвеждат енергия от 30-100 kW на месец. За голяма къща с висока консумация на електроенергия се препоръчва допълнително използване на дизелови и бензинови агрегати. Те ще зареждат батерии и в дните без вятър. Такъв вятърен генератор струва от 150 000 рубли. Достига до 300-400 хиляди рубли с по-пълен комплект.
Консумацията на електроенергия в голяма къща с градина ще изисква вятърна мелница с мощност 3-5 kW. Достатъчен брой батерии, по-мощен инвертор, контролер, висока мачта. Един комплект струва от 300 000 рубли до милион.

Ако къщата се отоплява и от вятър, тогава инсталацията трябва да бъде избрана с мощност от 10 kW. И се погрижете за допълнителни източници, като слънчеви панели. Може да се нуждаете и от газов генератор. Всичко зависи от това колко енергия трябва да запазите в резерв в случай на безветрени и облачни дни.

Производители на вятърни генератори

Поради нарастващото търсене на екологичен метод за производство на електроенергия, на пазара се появяват предложения от водещи производители на ветрогенератори. Винаги можете да изберете най-добрия вариант.

Дания “Vestas” с пазарен дял от 12,7%
Китай “Snovel” – 9,0%
Китай “Goldwind” – 8,7%
Испания “Gamesa” – 8.0%
Германия “Enercon” – 7,8%
Индия “Suzlon” – 7,6%
China Guodian United Power - 7,4%
Германия “Siemens” - 6,3%
Китай „Ming Yang“ − 3,6%

Местните производители също са създали производството на вятърни генератори: в района на Москва - Vetro Svet LLC, SKB Iskra LLC, Sapsan-Energia LLC, Agregat-Privod CJSC, в Санкт Петербург - Wind Energy Company CJSC.

Правило за избор

Изборът на вятърен генератор не е труден въпрос, ако подходите към него отговорно. По-добре предварително.

Изчислете количеството енергия, необходимо за захранване на вашия дом.
Разберете средната годишна скорост на вятъра, вземете под внимание кога вятърната мелница ще бъде неактивна и кога може да осигури достатъчен обем. Силата трябва да се вземе с резерв. Изчислете броя на батериите за съхраняване на енергия в случай на тихо време.
Вземете предвид климатичните особености на мястото на пребиваване. В Централна Русия през по-голямата част от зимата има силни студове. Инсталирането на вятърни генератори там не е оправдано.
Дъждът и снегът намаляват производството на енергия. Това са недостатъците.
Обърнете внимание на броя на остриетата. Колкото по-малко са, толкова по-голяма е ефективността.
Определете интензитета на шума по време на работа на инсталацията.
Сравнете параметрите на вятърните генератори. Запознайте се внимателно с техните технически и сравнителни характеристики.
Обратната връзка от хора, които вече използват системите, ще ви помогне да изберете вятърен генератор.
Прегледайте производителите, когато избирате генератор.

Вятърът и слънцето са естествени, екологични и безотпадни източници на енергия. В епоха, когато потенциалът на природните ресурси е изчерпан, производството на вятърни турбини набира скорост.

Руска карта на вятъра за избор на вятърен генератор

Вятърните мелници стават все по-популярни сред обикновените хора. Създадени са всички условия за това. Разнообразие от вятърни турбини и наличие на тематична информация, която да ви помогне при избора.

Нарастването на производството на енергия чрез използване на невъзобновяеми природни ресурси е ограничено от прага, след който има пълно производство на суровини. Алтернативната енергия, включително производството на вятърна енергия, ще намали натоварването върху околната среда.

Движението на всяка маса, включително въздух, генерира енергия. Вятърната турбина преобразува кинетичната енергия на въздушния поток в механична енергия. Това устройство е в основата на вятърната енергия, алтернативна посока в използването на природните ресурси.

Ефективност

Доста лесно е да се оцени енергийната ефективност на единица от определен тип и дизайн и да се сравни с производителността на подобни двигатели. Необходимо е да се определи коефициентът на използване на вятърната енергия (WEF). Изчислява се като съотношението на мощността, получена от вала на вятърната турбина, към мощността на вятърния поток, действащ върху повърхността на вятърното колело.

Коефициентът на използване на вятърната енергия за различни инсталации варира от 5 до 40%. Оценката ще бъде непълна без да се вземат предвид разходите за проектиране и изграждане на съоръжението, количеството и себестойността на произведената електроенергия. При алтернативната енергия периодът на изплащане на разходите за вятърни турбини е важен фактор, но също така е необходимо да се вземе предвид произтичащият ефект върху околната среда.

Класификация

Вятърните турбини се разделят на два класа въз основа на принципите на използване на генерираната енергия:
линеен;
цикличен.

Линеен тип

Линейна или мобилна вятърна турбина преобразува енергията на въздушния поток в механична енергия на движение. Това може да е платно или крило. От инженерна гледна точка това не е вятърна турбина, а задвижващо устройство.

Цикличен тип

При цикличните двигатели самият корпус е неподвижен. Въздушният поток се върти, извършвайки циклични движения, работните му части. Механичната ротационна енергия е най-подходяща за генериране на електричество, универсална форма на енергия. Цикличните вятърни двигатели включват вятърни колела. Вятърните колела, от древните вятърни мелници до съвременните вятърни електроцентрали, се различават по дизайнерски решения и пълно използване на мощността на въздушния поток. Устройствата се разделят на високоскоростни и нискоскоростни, както и според хоризонталната или вертикалната посока на оста на въртене на ротора.

Хоризонтална

Вятърните турбини с хоризонтална ос на въртене се наричат лопаткови двигатели.Към вала на ротора са закрепени няколко лопатки (крила) и маховик. Самият вал е разположен хоризонтално. Основните елементи на устройството: вятърно колело, глава, опашка и кула. Ветроходното колело е монтирано във въртяща се около вертикална ос глава, в която е монтиран вал на двигателя и са разположени трансмисионни механизми. Опашката играе ролята на ветропоказател, завъртайки главата с колелото на вятъра срещу посоката на вятъра.

При високи скорости на въздушния поток (15 m/s и повече) използването на високоскоростни хоризонтални вятърни турбини е рационално. Две и три лопатки от водещи производители осигуряват КИЕВ от 30%. Самоизработената вятърна турбина има степен на използване на въздушния поток до 20%. Ефективността на устройството зависи от внимателното изчисляване и качеството на изработка на остриетата.

Лопатковите вятърни турбини и вятърните турбини осигуряват висока скорост на въртене на вала, което позволява мощността да се прехвърля директно към вала на генератора. Значителен недостатък е, че при слаб вятър такива вятърни турбини изобщо няма да работят. Има стартови проблеми при преминаване от тих към усилен вятър.

Нискооборотните хоризонтални двигатели имат по-голям брой лопатки. Значителната площ на взаимодействие с въздушния поток ги прави по-ефективни при слаб вятър. Но инсталациите имат значителна ветровитост, което налага да се вземат мерки за защитата им от пориви на вятъра. Най-добрият показател КИЕВ е 15%. Такива инсталации не се използват в индустриален мащаб.

Вертикален тип въртележка

В такива устройства лопатките са монтирани по вертикалната ос на колелото (ротора), за да приемат въздушния поток. Корпусът и амортисьорната система гарантират, че вятърният поток удря едната половина на вятърното колело, а резултантният момент на прилагане на силите осигурява въртене на ротора.

В сравнение с лопатките, ротационната вятърна турбина генерира повече въртящ момент. С увеличаване на скоростта на въздушния поток той по-бързо достига работен режим (по отношение на теглителната сила) и се стабилизира по отношение на скоростта на въртене. Но такива единици са бавни. За преобразуване на въртенето на вала в електрическа енергия е необходим специален генератор (многополюсен), способен да работи при ниски скорости. Генераторите от този тип не са много разпространени. Използването на системата на скоростната кутия е ограничено от ниската ефективност.

Вятърната турбина с въртележка е по-лесна за работа. Самият дизайн осигурява автоматично управление на скоростта на ротора и ви позволява да наблюдавате посоката на вятъра.

Вертикален: ортогонален

За мащабно производство на енергия най-обещаващите са ортогоналните вятърни турбини и вятърните турбини. Диапазонът на използване на такива агрегати по отношение на скоростта на вятъра е от 5 до 16 m/s. Генерираната от тях мощност е увеличена до 50 хил. kW. Профилът на ортогоналното острие е подобен на този на крилата на самолета. За да започне крилото да работи, трябва да приложите въздушен поток към него, както при излитане на самолет. Вятърната турбина също трябва първо да се завърти, като изразходва енергия. След като това условие е изпълнено, инсталацията преминава в генераторен режим.

заключения

Вятърната енергия е един от най-обещаващите възобновяеми енергийни източници. Опитът от промишленото използване на вятърни турбини и вятърни турбини показва, че ефективността зависи от разположението на вятърните генератори на места с благоприятни въздушни потоци. Използването на съвременни материали при проектирането на агрегатите, използването на нови схеми за генериране и съхранение на електроенергия допълнително ще подобри надеждността и енергийната ефективност на вятърните турбини.