Vrste vjetroturbina. Domaći generator vjetra za dom i vrt: principi rada, dijagrami, kakav i kako to učiniti

Trenutno postoji mnogo sustava vjetroturbina s horizontalnom i vertikalnom osi rotacije. Međusobno se razlikuju ne samo po izgledu i dizajnu, već i po tehničkim mogućnostima, ovisno o namjeni za koju se koriste. Na temelju dizajna prijemnika energije vjetra i njegovog položaja u struji zraka razlikuje se nekoliko sustava vjetromotora.

Već smo govorili o vjetroturbinama tipa vrtuljak i bubanj. Poznat je i tzv. rotacijski motor na vjetar (slika 23). Njegove se lopatice, poput vjetroturbine vrtuljka, okreću u vodoravnoj ravnini i pokreću okomitu osovinu.

Riža. 23. Rotacijska vjetroturbina

Sada su raširene vjetroturbine s krilcima, od kojih su najstariji tip obične vjetrenjače. Glavni dio svake lopatice vjetroturbine je vjetroturbina. Sastoji se od nekoliko lopatica i okreće se pod utjecajem vjetra. Uz pomoć para koničnih zupčanika postavljenih na glavu vjetroagregata (slika 24) rotacija kotača pretvara se u brže kretanje okomite osovine ili u povratno kretanje pogonske šipke.

Riža. 24. Shema lopatične vjetroturbine

Za okretanje glave i kotača vjetra u vjetar vjetrenjače imaju nosač, a moderne male vjetroturbine imaju rep s okomitim repom na kraju. Vjetroturbine s velikim krilcima imaju druge složenije mehanizme za automatsko usklađivanje kotača vjetra s vjetrom. Kako bi se osiguralo da brzina vrtnje kotača vjetra ne prelazi maksimalnu, postoji poseban uređaj za automatsku kontrolu brzine.

Obično je na površini zemlje strujanje zraka zbog raznih prepreka neravnomjerno i oslabljeno, pa se vjetrobran postavlja na visoki jarbol ili toranj, iznad prepreka.

Na temelju dizajna vjetroagregata, moderne lopatice vjetroturbine dijele se na brze i spore.

U vjetroturbini male brzine vjetrobran se sastoji od velikog broja lopatica (slika 25). Lako se kreće. Zahvaljujući tome, vjetroturbina male brzine prikladna je za rad s klipnom pumpom i drugim strojevima koji zahtijevaju veliku početnu silu pri pokretanju.

Riža. 25. Moderna vjetroturbina s više lopatica TB-5 snage do 2,5 konjskih snaga

Vjetroturbine male brzine uglavnom se koriste u područjima gdje prosječna brzina vjetra ne prelazi 4,5 metara u sekundi. Svi mehanizmi višepločnih vjetroturbina u pravilu su nešto jednostavniji od onih brzih. Međutim, kotači vjetroagregata vjetroturbina male brzine prilično su glomazne strukture. Uz veliku veličinu takvih kotača, teško je stvoriti potrebnu stabilnost, osobito pri velikim brzinama vjetra. Stoga se trenutno vjetroturbine s više lopatica grade s promjerom kotača vjetra ne većim od 8 metara. Snaga takve vjetroturbine doseže 6 konjskih snaga. Ova snaga je sasvim dovoljna za dovod vode na površinu iz bunara dubokih do 200 metara.

Vjetroturbine velike brzine nemaju više od četiri krila s aerodinamičnim profilom u kotaču vjetra (vidi, na primjer, sl. 27).

Riža. 27. Vjetroturbina 1-D-18 snage do 30 kilovata

To im omogućuje da dobro podnose vrlo jake vjetrove. Čak i pri jakim i olujnim vjetrovima, dobro osmišljeni kontrolni mehanizmi stvaraju jednoliku rotaciju kotača vjetra vjetroturbina velike brzine.

Ove pozitivne značajke vjetroturbina velike brzine omogućuju im rad pri promjenjivim vjetrovima bilo koje jačine.

Stoga se mogu graditi vjetroturbine velike brzine s vrlo velikim promjerima kotača vjetra, koji dosežu pedeset i više metara i razvijaju snagu od nekoliko stotina konjskih snaga.

Zbog visoke i stabilne ujednačenosti kotača vjetra, vjetromotori velike brzine koriste se za pogon raznih strojeva i električnih generatora. Moderne vjetroturbine velike brzine su univerzalni strojevi.

Pogodno je usporediti vjetromotore različitih sustava uvođenjem pojma normalne brzine. Ta se brzina određuje omjerom periferne brzine na vanjskom kraju rotirajuće lopatice pri brzini vjetra od 8 metara u sekundi i brzine protoka zraka.

Lopatice karuselnih, rotacijskih i bubnjastih vjetromotora tijekom rada kreću se duž strujanja zraka i brzina bilo koje točke nikada ne može biti veća od brzine vjetra. Stoga će normalna brzina vjetroturbina ovih tipova uvijek biti manja od jedan (budući da će brojnik biti manji od nazivnika).

Vjetrokotač krilatih vjetroturbina okreće se poprečno u smjeru vjetra, pa stoga brzina kretanja krajnjih dijelova njihovih krila doseže visoke vrijednosti. Može biti nekoliko puta veća od brzine strujanja zraka. Što je manje lopatica i što je njihov profil bolji, vjetrobran ima manji otpor. To znači da se brže okreće. Najbolji primjeri modernih vjetroturbina s krilcima imaju normalnu brzinu do devet jedinica. Većina tvornički proizvedenih vjetroturbina ima brzinu od 5-7 jedinica. Za usporedbu, napominjemo da su čak i najbolji seljački mlinovi imali brzinu od samo 2-3 jedinice (i u tom su smislu napredniji od vrtuljačkih, rotacijskih i bubnjastih vjetromotora).

Kako se broj lopatica na kotaču vjetra povećava, povećava se njegova sposobnost odmicanja pri niskim brzinama vjetra. Stoga, krilati vjetromotori s više lopatica, u kojima je ukupna površina lopatica 60-70 posto pometene površine (vidi sliku 20) vjetrotočka, stupaju u pogon pri brzinama vjetra od 3-3,5 metara po sekundi.

Riža. 20. Portalni mlin

Vjetroturbine velike brzine s malim brojem lopatica pokreću se pri brzinama vjetra od 4,5 do 6 metara u sekundi. Stoga ih je potrebno staviti u pogon bez opterećenja ili uz pomoć posebnih uređaja.

Dobar start i jednostavnost dizajna vrtuljnih, rotacijskih i bubnjastih vjetroagregata osvajaju mnoge izumitelje i dizajnere koji ih smatraju idealnim vjetroagregatima. U stvarnosti, međutim, ovi strojevi imaju brojne značajne nedostatke. Ovi nedostaci čine ih teškim za korištenje čak i s tako uobičajenim i jednostavnim strojevima kao što su klipne pumpe i glodalice.

Vjetroturbine s rotorskim prijemnicima energije vjetra vrlo slabo iskorištavaju energiju strujanja zraka, njihov koeficijent iskorištenja energije vjetra je 2-2,5 puta manji od koeficijenta iskorištenja vjetroturbina s lopaticama. Stoga, s jednakim površinama koje zahvataju lopatice, vjetroelektrane s krilcima mogu razviti snagu 2-2,5 puta veću od vjetroelektrana s vrtuljkom, rotacijskim i bubanjskim vjetroelektranama.

Vjetroturbine rotorskog tipa trenutno se koriste samo u obliku malih zanatskih instalacija snage do 0,5 konjskih snaga. Na primjer, koriste se za pogon raznih ventilacijskih uređaja u objektima za stoku, kovačnicama i drugim poljoprivrednim proizvodnim područjima.

Što određuje snagu vjetroturbine?

Znamo da energija strujanja zraka nije konstantna, pa svaka vjetroturbina ima promjenjivu snagu. Snaga svake vjetroturbine ovisi o brzini vjetra. Utvrđeno je da kada se brzina vjetra udvostruči, snaga na krilcima vjetroagregata se povećava za 8 puta, a kada se brzina strujanja zraka poveća za 3 puta, snaga vjetroagregata se povećava za 27 puta.

Snaga vjetroturbine ovisi i o veličini prijemnika energije vjetra. U ovom slučaju, proporcionalan je površini koju brišu lopatice kotača vjetra ili rotora. Na primjer, za lopatice vjetroturbina, površina koju brišu lopatice bit će područje kruga koji opisuje vrh lopatice u jednom punom okretaju. Za bubanj, karusel i rotacijske vjetroturbine, površina koju brišu lopatice predstavlja površinu pravokutnika visine jednake duljini lopatica i širine jednake udaljenosti između vanjskih rubova suprotnih lopatica.

Međutim, svaki kotač ili rotor pretvara samo dio energije protoka zraka koji prolazi kroz površinu koju brišu lopatice u koristan mehanički rad. Ovaj dio energije određen je faktorom iskorištenja energije vjetra. Vrijednost faktora iskorištenja energije vjetra uvijek je manja od jedan. Za najbolje moderne vjetroturbine velike brzine ovaj koeficijent doseže 0,42. Za serijske tvorničke vjetroturbine velike i niske brzine, faktor iskorištenja energije vjetra obično je 0,30-0,35; to znači da se približno samo jedna trećina energije protoka zraka koji prolazi kroz kotače vjetroagregata pretvara u koristan rad. Preostale dvije trećine energije ostaju neiskorištene.

Sovjetski znanstvenik G. X. Sabinin je na temelju proračuna utvrdio da čak i idealna vjetroturbina ima koeficijent iskorištenja energije vjetra od samo 0,687.

Zašto ovaj koeficijent ne može biti jednak ili čak blizu jedan?

To se objašnjava činjenicom da se dio energije vjetra troši na stvaranje vrtloga na lopaticama, a brzina vjetra iza kotača vjetra opada.

Dakle, stvarna snaga vjetroturbine ovisi o faktoru iskorištenja energije vjetra. Snaga vjetroturbine proporcionalna je njezinoj vrijednosti. To znači da s povećanjem stupnja iskorištenja energije vjetra raste i snaga vjetroturbine i obrnuto.

Bubnjaste, rotacijske i rotacijske vjetroturbine s jednostavnim lopaticama imaju vrlo niske stope iskorištenja energije vjetra. Njihove vrijednosti variraju u širokim rasponima od 0,06 do 0,18. Za motore s lopaticama ovaj koeficijent se kreće od 0,30 do 0,42.

Osim toga, korisna snaga svake vjetroturbine također je proporcionalna učinkovitosti prijenosnog mehanizma, kao i gustoći zraka. Obično je učinkovitost modernih mehanizama vjetroturbina od 0,8 do 0,9.

Iz rečenog o snazi vjetroturbine proizlazi da će za određeni vjetar ona vjetroturbina imati veću snagu, kod koje najveći protok zraka struji kroz površinu koju brišu krila, a lopatice kotača vjetra imaju dobro oblikovan profil.

Većina vrsta vjetroturbina poznata je toliko dugo da povijest šuti o imenima njihovih izumitelja.

Vrste vjetrogeneratora:

Glavne vrste vjetroturbina prikazane su na slici. Podijeljeni su u dvije skupine:

vjetroturbine s vodoravnom osi rotacije (lopatice) (2...5);

vjetroturbine s okomitom osi vrtnje (rotacijske: lopatične (1) i ortogonalne (6)).

Vrste lopatica vjetroturbina razlikuju se samo po broju lopatica.

Krilati

Za krilne vjetroturbine, čija se najveća učinkovitost postiže kada je strujanje zraka okomito na ravninu rotacije lopatica krila, potreban je uređaj za automatsko zakretanje osi rotacije.

U tu svrhu koristi se krilo stabilizatora.

Karusel vjetroturbine imaju prednost što mogu raditi u bilo kojem smjeru vjetra bez promjene položaja.

Koeficijent iskorištenja energije vjetra (vidi sliku) za vjetroturbine s krilcima puno je veći nego za rotacijske vjetroturbine.

Istodobno, karuseli imaju puno veći okretni moment.

Maksimalna je za jedinice s rotirajućim noževima, pri nultoj relativnoj brzini vjetra.

Rasprostranjenost vjetroturbina s rotorom objašnjava se veličinom njihove brzine vrtnje.

Mogu se izravno spojiti na generator električne struje bez množitelja.

Brzina rotacije lopatica vjetroturbina obrnuto je proporcionalna broju krila, stoga se jedinice s više od tri lopatice praktički ne koriste.

Karusel

Razlika u aerodinamici daje rotirajućim vjetroturbinama prednost u odnosu na tradicionalne vjetroturbine.

Kako se brzina vjetra povećava, oni brzo povećavaju vučnu silu, nakon čega se brzina rotacije stabilizira.

Vjetroturbine s vrtuljkom su niske brzine i to omogućuje korištenje jednostavnih električnih krugova, na primjer, s asinkronim generatorom, bez opasnosti od nezgode u slučaju slučajnog naleta vjetra.

Sporost postavlja jedan ograničavajući zahtjev - korištenje višepolnog generatora koji radi pri malim brzinama.

Takvi generatori nisu široko rasprostranjeni, a upotreba multiplikatora (multiplikator [lat. Multiplicator - množenje] - povećanje brzine) nije učinkovita zbog niske učinkovitosti potonjeg.

Još važnija prednost dizajna vrtuljka bila je njegova mogućnost da bez dodatnih trikova prati "odakle vjetar puše", što je vrlo važno za površinske tokove skretanja.

Vjetroturbine ovog tipa grade se u SAD-u, Japanu, Engleskoj, Njemačkoj i Kanadi.

Kako se opterećenje povećava, brzina vrtnje se smanjuje, a zakretni moment raste do potpunog zaustavljanja.

Ortogonalno

Ortogonalne vjetroturbine, kako stručnjaci vjeruju, obećavaju za veliku energiju.

Danas se vjetroviti štovatelji ortogonalnih struktura suočavaju s određenim poteškoćama. Među njima je posebno problem s lansiranjem.

Ortogonalne instalacije koriste isti profil krila kao podzvučni zrakoplov (vidi sliku 6).

Avion, prije nego što se "osloni" na uzgonsku silu krila, mora poletjeti. Isti je slučaj i s ortogonalnom instalacijom.

Prvo mu morate dati energiju - zavrtjeti ga i dovesti do određenih aerodinamičkih parametara, a tek onda će se on sam prebaciti iz načina rada motora u način rada generatora.

Oduzimanje snage počinje pri brzini vjetra od oko 5 m/s, a nazivna snaga se postiže pri brzini od 14...16 m/s.

Preliminarni proračuni vjetroturbina predviđaju njihovu upotrebu u rasponu od 50 do 20.000 kW.

U realnoj instalaciji snage 2000 kW promjer prstena po kojem se pomiču krila bio bi oko 80 metara.

Snažna vjetroturbina je velika. No, s malima se može proći - uzmite broj, a ne veličinu.

Opremanjem svakog električnog generatora zasebnim pretvaračem moguće je zbrojiti izlaznu snagu koju generiraju generatori.

U ovom slučaju povećava se pouzdanost i održivost vjetroturbine.

Princip rada svih vjetroturbina je isti: pod pritiskom vjetra vrti se kotač vjetra s lopaticama, prenoseći okretni moment preko prijenosnog sustava na osovinu generatora koji proizvodi električnu energiju, na pumpu za vodu. Što je veći promjer kotača vjetra, veći je protok zraka koji hvata i jedinica proizvodi više energije.

Tradicionalni raspored vjetroturbina je s vodoravnom osi rotacije (Sl. 3) je dobro rješenje za jedinice male veličine i snage. Kada su rasponi lopatica porasli, ovaj raspored se pokazao neučinkovitim, jer na različitim visinama vjetar puše u različitim smjerovima. U tom slučaju ne samo da nije moguće optimalno orijentirati jedinicu prema vjetru, već postoji i rizik od uništenja lopatica. Osim toga, krajevi lopatica velike instalacije, krećući se velikom brzinom, stvaraju buku. Međutim, glavna prepreka korištenju energije vjetra još uvijek je ekonomska - snaga jedinice ostaje mala, a udio troškova za njezin rad značajan. Jedinice male snage mogu proizvesti približno tri puta skuplju energiju.

Slika 3 - Lopatična vjetroturbina

Postojeći sustavi vjetroturbina prema izvedbi kotača vjetra i njegovom položaju u strujanju vjetra su podijeljeni za tri razreda.

Prvi razred uključuje vjetroturbine u kojima se kotač vjetra nalazi u vertikalnoj ravnini; u ovom slučaju, ravnina rotacije je okomita na smjer vjetra, pa je, prema tome, os kotača vjetra paralelna s strujanjem. Takve vjetroagregate nazivamo krilati.

Brzina je omjer periferne brzine (ωR) vrha lopatice i brzine vjetra V:

Z= ω R.

Vjetroturbine s krilcima, prema GOST 2656-44, ovisno o vrsti vjetroagregata i brzini, dijele se u tri skupine (slika 4):

Ø vjetroturbine s više lopatica, male brzine, velike brzine Zn£2;

Ø vjetromotori s malim lopaticama, male brzine, uključujući vjetrenjače, s velikom brzinom Zn> 2;

Ø vjetroturbine su male lopatice, velike brzine, Zn³3.

Slika.4 - Sheme vjetrokotaca lopatica vjetromotora: 1 – višekraki; 2–4 – male oštrice

Co. drugi razred uključuju sustave vjetroturbina s okomitom osi rotacije vjetrobrana . Prema konstruktivnoj shemi, podijeljeni su u skupine:

- vrtuljak, kod kojih su neradne lopatice ili prekrivene zaslonom ili postavljene rubno prema vjetru (Slika 5, točka 1);

- rotacijski vjetroturbine Savonius sustava.

DO treći razred uključuju vjetromotore koji rade na principu mlinskog kola i tzv bubnjevi ( Slika 5, točka 7 ) . Ove vjetroturbine imaju horizontalnu os rotacije i okomitu na smjer vjetra.

Slika 5 - Vrste vjetroagregata: 1 – rotacijski; 2–3 višerežnjeva; 4–5 – mali režnjak; 6 – ortogonalno; 7 - bubanj

Glavni nedostaci vrtuljačkih i bubnjastih vjetroturbina proizlaze iz samog principa rasporeda radnih površina kotača vjetra u struji vjetra:

1. Budući da se radne lopatice kotača kreću u smjeru strujanja zraka, opterećenje vjetrom ne djeluje istovremeno na sve lopatice, već jednu po jednu. Kao rezultat toga, svaka lopatica doživljava povremeno opterećenje, a stopa iskorištenja energije vjetra je vrlo niska i ne prelazi 10%.

2. Kretanje površina kotača vjetra u smjeru vjetra ne dopušta razvoj velikih brzina, budući da se površine ne mogu kretati brže od vjetra.

3. Dimenzije iskorištenog dijela protoka zraka (brisane površine) su male u odnosu na dimenzije samog kotača, što značajno povećava njegovu težinu po jedinici instalirane snage vjetromotora.

Vjetroturbine na vrtuljku imaju prednost da mogu raditi u bilo kojem smjeru vjetra bez promjene položaja.

Rotorske vjetroturbine Savonius sustava imaju najveći stupanj iskorištenja energije vjetra od 18%.

Vjetroturbine s lopaticama nemaju gore navedene nedostatke rotacijskih i bubnjastih vjetroturbina. Dobre aerodinamičke kvalitete lopatica vjetroturbina, mogućnost dizajna za njihovu proizvodnju za veliku snagu, relativno mala težina po jedinici snage glavne su prednosti vjetroturbina ove klase

Komercijalna uporaba vjetroturbina s krilcima započela je 1980. Tijekom proteklih 14 godina snaga vjetroturbina povećala se 100 puta: od 20...60 kW s promjerom rotora od oko 20 m ranih 1980-ih do 5000 kW s promjerom rotora od preko 100 m do 2003. (Sl. 7.6).

Vrste lopatica vjetroturbina razlikuju se samo po broju lopatica.

Za vjetroturbine s krilcima, čija se najveća učinkovitost postiže kada je strujanje zraka okomito na ravninu rotacije lopatica krila, potreban je uređaj za automatsku rotaciju osi rotacije. U tu svrhu koristi se krilo stabilizatora.

Koeficijent iskorištenja energije vjetra (slika 4) za vjetroturbine s lopaticama puno je veći nego za rotacijske vjetroturbine. Istodobno, karuseli imaju puno veći okretni moment. Maksimalna je za jedinice s rotirajućim noževima pri nultoj relativnoj brzini vjetra.

Rasprostranjenost vjetroturbina s rotorom objašnjava se veličinom njihove brzine vrtnje. Mogu se izravno spojiti na generator električne struje bez množitelja. Brzina vrtnje lopatica je obrnuto proporcionalna broju krila, tako da se jedinice s više od tri lopatice praktički ne koriste.

Razlika u aerodinamici daje prednost rotacijskim instalacijama u odnosu na tradicionalne vjetroturbine (Slika 7). Kako se brzina vjetra povećava, oni brzo povećavaju vučnu silu, nakon čega se brzina rotacije stabilizira. Vjetroturbine na vrtuljku imaju malu brzinu i to omogućuje korištenje jednostavnih električnih krugova, na primjer, s asinkronim generatorom, bez opasnosti od nezgode zbog slučajnog naleta vjetra. Sporost postavlja jedan ograničavajući zahtjev - korištenje višepolnog generatora koji radi pri malim brzinama. Takvi generatori nisu široko rasprostranjeni, a upotreba multiplikatora (Multiplier [lat. multiplicator] - povećavajući zupčanik) nije učinkovita zbog niske učinkovitosti potonjih.

Još važnija prednost dizajna vrtuljka je njegova mogućnost praćenja "gdje vjetar puše" bez dodatnih trikova, što je vrlo važno za površinske tokove skretanja. Vjetroturbine ovog tipa grade se u SAD-u, Japanu, Engleskoj, Njemačkoj i Kanadi.

Vjetroturbinom s rotirajućim lopaticama najlakše je upravljati. Njegov dizajn osigurava maksimalan okretni moment pri pokretanju vjetroturbine i automatsku samoregulaciju maksimalne brzine vrtnje tijekom rada. Kako se opterećenje povećava, brzina vrtnje se smanjuje, a zakretni moment raste dok se potpuno ne zaustavi.

Kada protok u interakciji s lopaticom, događa se sljedeće:

1) sila otpora paralelna s vektorom relativne brzine nadolazećeg toka;

2) sila uzgona okomita na silu otpora;

3) vrtlog strujanja oko lopatice;

4) turbulizacija strujanja, tj. kaotični poremećaji njegove brzine po veličini i smjeru;

5) prepreka nadolazećem toku.

Prepreka nadolazećem protoku karakterizirana je parametrom koji se naziva geometrijsko punjenje i jednak je omjeru površine projekcije lopatica na ravninu okomitu na protok i površine koju su zahvatili.

Glavne karakteristike klasifikacije vjetroelektrana mogu se odrediti prema sljedećim kriterijima:

1. Ako je os rotacije vjetroleta paralelna sa strujanjem zraka, instalacija će biti horizontalno-aksijalna, ako je os rotacije vjetroleta okomita na strujanje zraka - okomito-aksijalno.

2. Instalacije koje kao rotacijsku silu koriste silu otpora (dragstrojevi) u pravilu se vrte linearnom brzinom manjom od brzine vjetra, a instalacije koje koriste silu dizanja (elevatorski strojevi) imaju linearnu brzinu krajeva lopatice što je znatno veća brzina vjetra.

3. Za većinu instalacija, geometrijsko punjenje kotača vjetra određeno je brojem lopatica. Vjetroturbine s velikom geometrijskom ispunom kotača vjetra razvijaju značajnu snagu pri relativno slabom vjetru, a maksimalnu snagu postižu pri malim brzinama kotača. Vjetroturbine s malim punjenjem postižu maksimalnu snagu pri velikim brzinama i potrebno im je više vremena da postignu ovaj način rada. Stoga se prve instalacije koriste, primjerice, kao pumpe za vodu i ostaju operativne čak i pri slabom vjetru, dok se druge koriste kao električni generatori, gdje su potrebne velike brzine vrtnje.

4. Postrojenja za neposredno obavljanje mehaničkog rada često se nazivaju vjetrenjača ili turbina, postrojenja za proizvodnju električne energije, odnosno kombinacija turbine i električnog generatora nazivaju se vjetrogeneratori, generatori zraka, a također i pretvorba energije. instalacije.

5. Za generatore zraka spojene izravno na snažan energetski sustav, brzina vrtnje je konstantna zbog asinkronizacijskog učinka, ali takve instalacije koriste energiju vjetra manje učinkovito od instalacija s promjenjivom brzinom vrtnje.

6. Vjetrobran se može spojiti na električni generator izravno (tvrda spojka) ili preko srednjeg pretvarača energije koji djeluje kao međuspremnik. Prisutnost odbojnika smanjuje posljedice fluktuacija u brzini vrtnje kotača vjetra, omogućujući učinkovitije korištenje energije vjetra i snage električnog generatora. Osim toga, postoje djelomično odvojene sheme za spajanje kotača na generator, koje se nazivaju mekim spojem. Dakle, nekruti spoj, uz inerciju vjetroleta, smanjuje utjecaj fluktuacija brzine vjetra na izlazne parametre elektrogeneratora. Taj se utjecaj također može smanjiti elastičnim povezivanjem lopatica s osi kotača vjetrobrana, na primjer, pomoću šarki s oprugom.

Kotač vjetra s vodoravnom osi. Razmotrimo propelerske kotače s horizontalnom osi. Glavna rotacijska sila za kotače ovog tipa je uzgon. S obzirom na vjetar, kotač vjetra u radnom položaju može se nalaziti ispred potpornog tornja ili iza njega.

Generatori vjetroelektrana obično koriste kotače vjetra s dvije i tri lopatice; potonje se odlikuju vrlo glatkom vožnjom. Električni generator i mjenjač koji ga povezuje s kotačem vjetra obično se nalaze na vrhu potpornog tornja u rotirajućoj glavi.

Kotači s više lopatica, koji razvijaju veliki okretni moment pri slabom vjetru, koriste se za pumpanje vode i druge svrhe koje ne zahtijevaju veliku brzinu vrtnje kotača vjetra.

Vjetrogeneratori s okomitom osi (slika 7). Vjetrogeneratori s okomitom osi rotacije su zbog svoje geometrije u radnom položaju u bilo kojem smjeru vjetra. Osim toga, ova shema omogućuje, jednostavnim produljenjem osovine, ugradnju mjenjača s generatorima na dnu tornja.

Temeljni nedostaci ovakvih instalacija su: njihova znatno veća osjetljivost na lom uslijed zamora zbog sve češćih samooscilirajućih procesa u njima i pulsiranje momenta, što dovodi do neželjenih pulsacija u izlaznim parametrima generatora. Zbog toga je velika većina generatora energije iz vjetra dizajnirana prema dizajnu s vodoravnom osi, ali istraživanja raznih vrsta instalacija s okomitom osi se nastavljaju.

Najčešći tipovi instalacija okomite osi su:

1. Čašičasti rotor (anemometar). Vjetrobran ovog tipa rotira silom otpora. Oblik zdjelaste lopatice osigurava gotovo linearnu ovisnost brzine kotača o brzini vjetra.

2.Savoniusov rotor. Ovaj se kotač također okreće zbog otpora. Njegove oštrice su izrađene od tankih zakrivljenih ploča pravokutnog oblika, tj. jednostavne su i jeftine. Moment se stvara zbog različitog otpora koji konkavne i zakrivljene lopatice rotora pružaju protoku zraka u odnosu na njega. Zbog velike geometrijske ispune ovaj vjetrobran ima veliki okretni moment i služi za crpljenje vode.

3. RotorDarye. Zakretni moment stvara sila podizanja koja se javlja na dvije ili tri tanke zakrivljene površine ležaja koje imaju aerodinamički profil. Sila podizanja je najveća u trenutku kada lopatica velikom brzinom prelazi nadolazeći protok zraka. Rotor Daria koristi se u generatorima energije vjetra. U pravilu se rotor ne može sam vrtjeti, pa se za njegovo pokretanje obično koristi generator koji radi u motornom načinu rada.

4.Musgroove rotor. Lopatice ovog kotača vjetra u radnom stanju smještene su okomito, ali imaju mogućnost okretanja ili savijanja oko vodoravne osi kada su isključene. Postoje različite verzije Musgrove rotora, ali svi se gase pri jakom vjetru.

5.Evansov rotor. Lopatice ovog rotora okreću se oko vertikalne osi u slučaju opasnosti i tijekom kontrole.

Slika 7 - Vjetrogeneratori s okomitom osi

Čvorišta. Snaga vjetroturbine ovisi o učinkovitosti korištenja energije strujanja zraka. Jedan od načina povećanja je korištenje posebnih koncentratora protoka zraka (pojačala). Za vjetrogeneratore s horizontalnom osi razvijene su različite izvedbe takvih koncentratora. To mogu biti difuzori ili konfuzori (deflektori), koji usmjeravaju protok zraka na kotač vjetra s područja većeg od područja pometanja rotora i nekih drugih uređaja. Koncentratori još nisu dobili široku primjenu u industrijskim postrojenjima.

Vjetroturbine koriste snagu i snagu vjetra za proizvodnju električne energije. Bez njega je život modernog čovjeka nezamisliv

električne energije, čak iu područjima udaljenim od opskrbe električnom energijom. Kao alternativni izvor služe vjetroproizvođači ekološki prihvatljive svjetlosne energije.

I svake godine dobivaju sve veću popularnost. Što je veći asortiman proizvoda, to se više postavlja pitanja o tome koju vrstu generatora vjetra preferirati. I učinkom i novcem.

Glavne vrste vjetrogeneratora

Modeli vjetrogeneratora dolaze u različitim izvedbama i razlikuju se po snazi. Prema geometriji vrtnje osi glavnog rotora dijele se na:

Vertikalni tip - turbina se nalazi okomito u odnosu na ravninu tla. Počinje raditi pri slabom vjetru.
Horizontalni tip - os rotora rotira paralelno s površinom zemlje. Ima veliku moć pretvaranja energije vjetra u izmjeničnu i istosmjernu struju.

Pogledajmo ove vrste detaljnije, jer svaka od njih ima razvoj i poboljšanja.

Vrste vertikalnih generatora (tip vrtuljka)

Vertikalni pretvarači energije vjetra često se koriste za kućne potrebe. Ove vrste vjetrogeneratora lako se održavaju. Glavne komponente koje zahtijevaju pozornost nalaze se na dnu instalacija i slobodan im je pristup.

1. Generatori sa Savounisovim rotorom

Sastoji se od dva cilindra. Konstantna aksijalna rotacija i strujanje vjetra ne ovise jedno o drugome. Čak i pri naglim udarima vrti se početno zadanom brzinom.

Odsutnost utjecaja vjetra na brzinu rotacije nedvojbeno je dobra prednost. Loše je to što snagu elementa ne koristi u punoj snazi, nego samo do trećine. Dizajn lopatica u obliku polucilindara omogućuje rad samo četvrtine okretaja.

2. Generatori s Daria rotorom

Imaju dvije ili tri oštrice. Jednostavan za postavljanje. Dizajn je jednostavan i jasan. Počinju raditi od ručnog pokretanja.

Loša strana je što turbine nisu jako snažne. Jake vibracije uzrokuju glasnu buku. To je olakšano velikim brojem lopatica.

3. Helikoidni rotor

Vjetrogenerator se ravnomjerno okreće zahvaljujući upletenim lopaticama. Ležajevi nisu podložni brzom trošenju, što značajno produljuje njihov vijek trajanja.

Instalacija jedinice zahtijeva vrijeme i puna je poteškoća pri montaži. Složena tehnologija proizvodnje rezultirala je visokom cijenom.

4. Rotor s više lopatica

Dizajn okomite osi s velikim brojem lopatica čini ga osjetljivim čak i na vrlo slab vjetar. Učinkovitost takvih generatora vjetra je vrlo visoka.

Ovo je moćan pretvarač. Maksimalno se koristi energija vjetra. Skupo je. Nedostatak: visok pozadinski zvuk. Može proizvesti veliku količinu električne struje.

5. Ortogonalni rotor

Počinje generirati energiju pri brzini vjetra od 0,7 m/sek. Sastoji se od okomite osi i lopatica. Ne stvara mnogo buke i ima lijep, neobičan dizajn. Vijek trajanja je nekoliko godina.

Velika težina oštrice čini ga glomaznim, što komplicira rad na instalaciji.

Pozitivni aspekti vertikalnih generatora vjetra:

Korištenje generatora moguće je i pri slabom vjetru.
Ne prilagođavaju se strujanju vjetra, jer ne ovise o njegovu smjeru.
Montiraju se na kratki jarbol, što omogućuje servisiranje sustava na zemlji.
Buka unutar 30 dB.
Raznolik, ugodan izgled.

Glavna mana je što se sila i energija vjetra ne iskorištavaju u potpunosti zbog niske brzine vrtnje rotora.

Horizontalni vjetrogeneratori (krilasti)

Razne modifikacije horizontalnih instalacija imaju od jedne do tri lopatice ili više. Stoga je učinkovitost puno veća od one okomitih.

Nedostaci vjetrogeneratora su potreba za usmjeravanjem prema smjeru vjetra. Konstantno kretanje smanjuje brzinu rotacije, što smanjuje njegovu učinkovitost.

S jednom oštricom i s dvije oštrice. Odlikuju se velikim brojem okretaja motora. Težina i dimenzije jedinice su male, što olakšava montažu.
Trokraki. Traženi su na tržištu. Mogu proizvesti energiju do 7 mW.
Jedinice s više oštrica imaju do 50 oštrica. Imaju veliku inerciju. Prednosti zakretnog momenta koriste se u radu pumpi za vodu.

Na suvremenom tržištu pojavljuju se vjetrogeneratori s dizajnom drugačijim od klasičnih, na primjer, postoje hibridni.

1. Vjetrogenerator, građen poput jedrilice

Struktura u obliku diska pod pritiskom zraka pokreće klipove koji aktiviraju hidraulički sustav. Kao rezultat, fizička energija se transformira u električnu energiju.

Uređaj ne stvara buku tijekom rada. Visoke razine snage. Lako upravljiv.

2. Vjetrogenerator letećeg krila

Koristi se bez jarbola, generatora, rotora i lopatica. U usporedbi s klasičnim konstrukcijama, koje rade na malim visinama s promjenjivom snagom vjetra, a izgradnja visokih jarbola je radno intenzivna i skupa, "krilo" nema takvih problema.

Lansira se na visinu od 550 metara. Proizvodnja električne energije je 1 MW godišnje. Proizvođač "krila" je Makani Power.

Primjena vjetrogeneratora

Vjetrogeneratori se koriste u industriji iu svakodnevnom životu.

Industrijske vjetroturbine koriste se za potrebe proizvodnje ili za opskrbu električnom energijom malih naselja u uvjetima nedostatka ili nedostatka električne energije. Instaliraju se u velikom broju na otvorenim pustinjskim područjima.

Vjetrenjače, uglavnom jednostavne, namijenjene su za kućnu upotrebu u ljetnim vikendicama. U hladnim zimskim vremenima, radi uštede električne energije, grade se na području stambenih zgrada. Jednostavan vjetrogenerator proizvodi energiju prema broju vjetrovitih dana.

Učinkovitost vjetroturbine

Za vertikalne i horizontalne vjetrogeneratore, učinkovitost je približno ista. Za okomito je 20-30%, za vodoravno 25-35%.

Učinkovitost ovisi o vrsti vjetrogeneratora i brzini vjetra

Neki proizvođači povećavaju učinkovitost vertikalnih vjetroturbina do 15% zamjenom ležajeva trajnim neodimijskim magnetima. Ali tako lagano povećanje učinkovitosti za samo 3-5% dovodi do značajnog povećanja troškova struktura.

Obje vrste se ne razlikuju u pogledu vijeka trajanja. U prosjeku, trajanje proizvodnje energije je dizajnirano za 15 - 25 godina službe. Najbrže se troše sklop ležaja i lopatice. Životni vijek ovisi o kvaliteti usluge.

Troškovi vjetrogeneratora

Cijene vjetrogeneratora su prilično visoke. To su glomazne strukture izrađene od skupog materijala. Uključuje baterije, upravljač, pretvarač i stup.

Komplet se može sastojati od: 1 - samog vjetrogeneratora, 2 - jarbola, 3 - temelja, 4 - kompleta baterija, 5 - invertera, 6 - kontrolera, kao i žica, konektora, stalka, dizel generatora i ostalih potrebnih potrošnih materijala za ugradnju

Tehničke karakteristike vjetrogeneratora također utječu na trošak.

Najjednostavniji je generator male snage do 300 vata. Proizvodi energiju pri snazi vjetra od 10-12 m/sek. Komplet najjednostavnije vjetrenjače sa samo kontrolerom košta od 15.000 rubalja. Kada je opremljen pretvaračem, baterijom i jarbolom, cijena doseže 50.000 rubalja.
Generatori deklarirane snage 1 kW. Uz slab vjetar, u prosjeku proizvode energiju od 30-100 kW mjesečno. Za veliku kuću s velikom potrošnjom električne energije preporuča se dodatno koristiti dizelske i benzinske jedinice. Također će puniti baterije u danima bez vjetra. Takav generator vjetra košta od 150.000 rubalja. Doseže do 300-400 tisuća rubalja s potpunijim setom.
Potrošnja električne energije u velikoj kući s vrtom zahtijevat će vjetrenjaču kapaciteta 3-5 kW. Dovoljan broj baterija, jači inverter, kontroler, visok jarbol. Jedan set košta od 300.000 rubalja do milijun.

Ako je kuća grijana i vjetrom, tada bi instalaciju trebalo odabrati sa snagom od 10 kW. I pobrinite se za dodatne izvore, poput solarnih panela. Možda će vam trebati i generator plina. Sve ovisi o tome koliko energije imate u rezervi za slučaj bezvjetrovitih i oblačnih dana.

Proizvođači vjetrogeneratora

Zbog sve veće potražnje za ekološki prihvatljivim načinom proizvodnje električne energije, na tržištu se pojavljuju ponude vodećih proizvođača vjetrogeneratora. Uvijek možete odabrati najbolju opciju.

Danska “Vestas” s tržišnim udjelom od 12,7%
Kina “Snovel” – 9,0%
Kina “Goldwind” – 8,7%
Španjolska “Gamesa” – 8,0%
Njemačka “Enercon” – 7,8%
Indija “Suzlon” – 7,6%
China Guodian United Power - 7,4%
Njemačka “Siemens” - 6,3%
Kina “Ming Yang” − 3,6%

Domaći proizvođači također su uspostavili proizvodnju vjetrogeneratora: u moskovskoj regiji - Vetro Svet LLC, SKB Iskra LLC, Sapsan-Energia LLC, Agregat-Privod CJSC, u St. Petersburgu - Wind Energy Company CJSC.

Pravilo odabira

Odabir generatora vjetra nije teško ako mu pristupite odgovorno. Bolje unaprijed.

Izračunajte količinu energije potrebnu za napajanje vašeg doma.
Saznajte prosječnu godišnju brzinu vjetra, uzmite u obzir u koje vrijeme će vjetrenjača biti neaktivna, a u koje vrijeme može dati dovoljan volumen. Vlast se mora uzeti s rezervom. Izračunajte broj baterija za pohranu energije u slučaju mirnog vremena.
Uzmite u obzir klimatske značajke mjesta stanovanja. U središnjoj Rusiji veći dio zime vlada jak mraz. Postavljanje vjetrogeneratora tamo nije opravdano.
Kiša i snijeg smanjuju proizvodnju energije. Ovo su nedostaci.
Obratite pozornost na broj oštrica. Što ih je manje, veća je učinkovitost.
Odrediti intenzitet buke tijekom rada instalacije.
Usporedite parametre vjetrogeneratora. Pažljivo se upoznajte s njihovim tehničkim i usporednim karakteristikama.
Povratne informacije ljudi koji već koriste sustave pomoći će vam da odaberete generator vjetra.
Prilikom odabira generatora pregledajte proizvođače.

Vjetar i sunce prirodni su, ekološki prihvatljivi i bezotpadni izvori energije. U doba kada je potencijal prirodnih resursa iscrpljen, proizvodnja vjetroturbina ubrzava se.

Ruska karta vjetra za odabir vjetrogeneratora

Vjetrenjače postaju sve popularnije među običnim ljudima. Za to su stvoreni svi uvjeti. Raznolikost vjetroturbina i dostupnost tematskih informacija koje će vam pomoći pri odabiru.

Rast proizvodnje energije korištenjem neobnovljivih prirodnih resursa ograničen je pragom iznad kojeg postoji potpuna proizvodnja sirovina. Alternativna energija, uključujući proizvodnju energije vjetra, smanjit će opterećenje okoliša.

Kretanje bilo koje mase, uključujući zrak, stvara energiju. Vjetroturbina pretvara kinetičku energiju strujanja zraka u mehaničku energiju. Ovaj uređaj je temelj energije vjetra, alternativnog smjera u korištenju prirodnih resursa.

Učinkovitost

Vrlo je jednostavno procijeniti energetsku učinkovitost jedinice određenog tipa i dizajna i usporediti je s performansama sličnih motora. Potrebno je odrediti faktor iskorištenja energije vjetra (WEF). Izračunava se kao omjer snage primljene na osovini vjetroturbine i snage strujanja vjetra koji djeluje na površinu kotača vjetra.

Stopa iskorištenja energije vjetra za razne instalacije kreće se od 5 do 40%. Procjena će biti nepotpuna bez uzimanja u obzir troškova projektiranja i izgradnje objekta, količine i cijene proizvedene električne energije. U alternativnoj energiji, razdoblje povrata za troškove vjetroturbine je važan čimbenik, ali također je potrebno uzeti u obzir rezultirajući učinak na okoliš.

Klasifikacija

Vjetroturbine se dijele u dvije klase prema principima korištenja proizvedene energije:
linearni;
ciklički.

Linearni tip

Linearna ili mobilna vjetroturbina pretvara energiju strujanja zraka u mehaničku energiju gibanja. Ovo može biti jedro ili krilo. S inženjerskog gledišta, ovo nije vjetroturbina, već pogonski uređaj.

Ciklični tip

U cikličkim motorima samo kućište je nepomično. Protok zraka rotira, čineći cikličke pokrete, njegove radne dijelove. Mehanička rotacijska energija najprikladnija je za dobivanje električne energije, univerzalnog oblika energije. Ciklički motori na vjetar uključuju kotače na vjetar. Vjetreni kotači, od starih vjetrenjača do modernih vjetroelektrana, razlikuju se po konstrukcijskim rješenjima i potpunom iskorištenju snage strujanja zraka. Uređaji se dijele na brzohodne i sporohodne, kao i prema vodoravnom ili okomitom smjeru osi vrtnje rotora.

Horizontalno

Vjetroturbine s vodoravnom osi rotacije nazivamo lopaticama. Nekoliko lopatica (krilaca) i zamašnjak pričvršćeni su na osovinu rotora. Sama osovina nalazi se vodoravno. Glavni elementi uređaja: vjetrobran, glava, rep i toranj. Vjetrobran je montiran u glavi koja se okreće oko vertikalne osi, u kojoj je ugrađena osovina motora i prijenosni mehanizmi. Rep igra ulogu lopatice, okrećući glavu s kotačem vjetra protiv smjera strujanja vjetra.

Pri velikim brzinama strujanja zraka (15 m/s i više) racionalna je uporaba horizontalnih vjetroturbina velike brzine. Jedinice s dvije i tri oštrice vodećih proizvođača pružaju KIJEV od 30%. Vjetroturbina vlastite izrade ima stopu iskorištenja protoka zraka do 20%. Učinkovitost uređaja ovisi o pažljivom proračunu i kvaliteti izrade lopatica.

Vjetroturbine s krilcima i vjetroturbine osiguravaju veliku brzinu vrtnje osovine, što omogućuje prijenos snage izravno na osovinu generatora. Značajan nedostatak je što pri slabom vjetru takve vjetroturbine uopće neće raditi. Pri prelasku iz mirnog u pojačani vjetar javljaju se problemi sa startom.

Horizontalni motori niske brzine imaju veći broj lopatica. Značajno područje interakcije s protokom zraka čini ih učinkovitijima pri slabom vjetru. No, instalacije imaju značajan vjetar, što zahtijeva poduzimanje mjera za njihovu zaštitu od naleta vjetra. Najbolji pokazatelj KIJEV je 15%. Takve se instalacije ne koriste u industrijskim razmjerima.

Vertikalni tip karusela

U takvim uređajima, lopatice su ugrađene na okomitu os kotača (rotora) za primanje protoka zraka. Kućište i sustav prigušivača osiguravaju da tok vjetra udari u jednu polovicu kotača vjetra, a rezultirajući moment primjene sila osigurava rotaciju rotora.

U usporedbi s lopaticama, rotacijska vjetroturbina stvara više okretnog momenta. Povećanjem brzine protoka zraka dolazi do bržeg rada (u smislu vučne sile) i stabilizacije u smislu brzine vrtnje. Ali takve jedinice su spore. Za pretvaranje rotacije osovine u električnu energiju potreban je poseban generator (multipolni) koji može raditi pri malim brzinama. Generatori ove vrste nisu vrlo česti. Korištenje sustava mjenjača ograničeno je niskom učinkovitošću.

Vjetroturbinom na vrtuljku lakše je upravljati. Sam dizajn osigurava automatsku kontrolu brzine rotora i omogućuje praćenje smjera vjetra.

Okomito: ortogonalno

Za proizvodnju energije velikih razmjera najviše obećavaju ortogonalne vjetroturbine i vjetroturbine. Raspon upotrebe takvih jedinica, u smislu brzine vjetra, je od 5 do 16 m/s. Snaga koju generiraju povećana je na 50 tisuća kW. Profil ortogonalne lopatice sličan je profilu krila aviona. Da bi krilo počelo raditi, potrebno je na njega primijeniti protok zraka, kao tijekom polijetanja aviona. Vjetroturbinu također treba prvo pokrenuti, trošeći energiju. Nakon ispunjenja ovog uvjeta, instalacija se prebacuje u generatorski način rada.

zaključke

Energija vjetra jedan je od najperspektivnijih obnovljivih izvora energije. Iskustva iz industrijske uporabe vjetroturbina i vjetroturbina pokazuju da učinkovitost ovisi o postavljanju vjetrogeneratora na mjesta s povoljnim strujanjima zraka. Korištenje suvremenih materijala u dizajnu jedinica, korištenje novih shema za proizvodnju i skladištenje električne energije dodatno će poboljšati pouzdanost i energetsku učinkovitost vjetroturbina.