A szélturbinák típusai. Házi készítésű szélgenerátor otthonra és kertre: működési elvek, diagramok, milyen és hogyan kell csinálni

Jelenleg számos szélturbina-rendszer létezik vízszintes és függőleges forgástengellyel is. Nemcsak megjelenésükben és kialakításukban különböznek egymástól, hanem műszaki képességeikben is, attól függően, hogy milyen célra használják őket. A szélenergia-vevő kialakítása és a légáramlásban való elhelyezkedése alapján több szélmotor-rendszert különböztetnek meg.

A körhinta és dob típusú szélturbinákról már volt szó. Ismeretes az úgynevezett rotációs szélmotor is (23. ábra). Lapátjai, mint egy körhinta szélturbina, vízszintes síkban forognak, és függőleges tengelyt hajtanak meg.

Rizs. 23. Rotációs szélturbina

Manapság elterjedtek a lapátos szélturbinák, amelyek legrégebbi típusa a közönséges szélmalmok. Minden lapátos szélturbina fő része a szélkerék. Több pengéből áll, és a szél hatására forog. A szélturbina fejére szerelt kúpkerékpár segítségével (24. ábra) a kerék forgása a függőleges tengely gyorsabb mozgásává, vagy a hajtórúd oda-vissza mozgásává alakul át.

Rizs. 24. Lapátos szélturbina vázlata

A fej és a szélkerék szélbe forgatásához a szélmalmoknak hordozója van, a modern kis szélturbináknak pedig függőleges farokkal a vége. A nagy lapátos szélturbinák más, bonyolultabb mechanizmusokkal is rendelkeznek, amelyek automatikusan hozzáigazítják a szélkereket a szélhez. Annak biztosítására, hogy a szélkerék forgási sebessége ne haladja meg a maximumot, van egy speciális eszköz a sebesség automatikus szabályozására.

Általában a föld felszínén a különböző akadályok miatti légáramlás egyenetlen, gyengül, ezért a szélkereket magas árbocra vagy toronyra, az akadályok fölé szerelik.

A szélkerekek kialakítása alapján a modern lapátos szélturbinákat nagy sebességűekre és alacsony sebességűekre osztják.

Alacsony fordulatszámú szélturbinában a szélkerék nagyszámú lapátból áll (25. ábra). Könnyen mozog. Ennek köszönhetően az alacsony sebességű szélturbina kényelmesen használható dugattyús szivattyúval és más olyan gépekkel, amelyek nagy kezdeti erőt igényelnek az indításkor.

Rizs. 25. Modern többlapátos szélturbina TB-5 2,5 lóerőig

A kis sebességű szélturbinákat főként olyan területeken használják, ahol az átlagos szélsebesség nem haladja meg a 4,5 métert másodpercenként. A többlemezes szélturbinák összes mechanizmusa általában valamivel egyszerűbb, mint a nagy sebességűek. A kis sebességű szélturbinák szélkerekei azonban meglehetősen terjedelmes szerkezetek. Az ilyen kerekek nagy mérete miatt nehéz megteremteni a szükséges stabilitást, különösen nagy szélsebesség esetén. Ezért jelenleg több lapátos szélturbinákat építenek, amelyek átmérője nem haladja meg a 8 métert. Egy ilyen szélturbina teljesítménye eléri a 6 lóerőt. Ez a teljesítmény elég ahhoz, hogy vizet szállítson a felszínre akár 200 méter mély kutakból is.

A nagysebességű szélturbináknak legfeljebb négy szárnya van, áramvonalas profillal a szélkerékben (lásd például a 27. ábrát).

Rizs. 27. 1-D-18 szélturbina, legfeljebb 30 kilowatt teljesítménnyel

Ez lehetővé teszi számukra, hogy jól ellenálljanak a nagyon erős szélnek. A jól megtervezett vezérlőmechanizmusok még erős és viharos szélben is egyenletes forgást biztosítanak a nagy sebességű szélturbinák szélkerekei között.

A nagy sebességű szélturbinák ezen pozitív tulajdonságai lehetővé teszik, hogy bármilyen erősségű változó szélben működjenek.

Ezért nagy sebességű szélturbinák építhetők nagyon nagy szélkerékátmérővel, elérik az ötven métert vagy még több métert, és több száz lóerős teljesítményt fejtenek ki.

A szélkerekek nagy és stabil egyenletessége miatt a nagy sebességű szélmotorokat sokféle gép és elektromos generátor meghajtására használják. A modern, nagy sebességű szélturbinák univerzális gépek.

Kényelmes összehasonlítani a különböző rendszerek szélmotorjait a normál sebesség fogalmának bevezetésével. Ezt a sebességet a forgó lapát külső végén 8 méter/s szélsebesség melletti kerületi sebesség és a légáramlási sebesség aránya határozza meg.

A körhinta-, forgó- és dobszélmotorok lapátjai működés közben a légáramlás mentén mozognak, és egyetlen pont sebessége sem lehet nagyobb, mint a szélsebesség. Ezért az ilyen típusú szélturbinák normál sebessége mindig kisebb lesz egynél (mivel a számláló kisebb lesz, mint a nevező).

A szárnyas szélturbinák szélkerekei a szél irányába keresztben forognak, ezért szárnyuk végrészeinek mozgási sebessége nagy értékeket ér el. Ez többszöröse lehet a légáramlás sebességének. Minél kevesebb a penge és minél jobb a profiljuk, annál kisebb ellenállást tapasztal a szélkerék. Ez azt jelenti, hogy minél gyorsabban forog. A modern lapátos szélturbinák legjobb példáinak normál sebessége akár kilenc egység is lehet. A legtöbb gyárilag gyártott szélturbina 5-7 darabos fordulatszámú. Összehasonlításképpen megjegyezzük, hogy a legjobb paraszti malmok is mindössze 2-3 egységnyi fordulatszámmal rendelkeztek (és ebben az értelemben fejlettebbek, mint a körhinta-, forgó- és dobszélmotorok).

Ahogy a szélkeréken lévő lapátok száma növekszik, úgy nő a képessége, hogy kis szélsebesség mellett elmozduljon. Ezért a többlapátos szárnyas szélmotorok, amelyekben a lapátok teljes területe a szélkerék söpört felületének 60-70 százaléka (lásd 20. ábra), 3-3,5 méteres szélsebességgel lépnek működésbe. másodpercenként.

Rizs. 20. Gantry malom

A kis lapátszámú, nagy sebességű szélturbinák 4,5-6 méter/s szélsebességgel indulnak. Ezért vagy terhelés nélkül, vagy speciális eszközök segítségével kell üzembe helyezni őket.

A körhinta, forgó és dobos szélturbinák jó indulása és tervezésének egyszerűsége sok feltalálót és tervezőt magával ragad, akik ideális szélturbinának tartják őket. A valóságban azonban ezeknek a gépeknek számos jelentős hátránya van. Ezek a hátrányok megnehezítik a használatukat még olyan általános és egyszerű gépeknél is, mint a dugattyús szivattyúk és sorjamarók.

A rotoros szélenergia vevővel felszerelt szélturbinák nagyon rosszul használják fel a légáramlási energiát, szélenergia-hasznosítási együtthatójuk 2-2,5-szer kisebb, mint a lapátos szélturbináké. Ezért a lapátos szélturbinák a lapátokkal egyenlő felületeken 2-2,5-szer nagyobb teljesítményt tudnak kifejleszteni, mint a körhinta-, forgó- és dobos szélerőművek.

A rotoros szélturbinákat jelenleg csak kis kézműves berendezések formájában használják, legfeljebb 0,5 lóerős teljesítménnyel. Például különféle szellőzőberendezések meghajtására használják állattartó épületekben, kohókban és más mezőgazdasági termelési területeken.

Mi határozza meg a szélturbina teljesítményét?

Tudjuk, hogy a légáramlás energiája nem állandó, így minden szélturbina változó teljesítményű. Bármely szélturbina teljesítménye a szél sebességétől függ. Megállapítást nyert, hogy a szélsebesség megduplázódása esetén a szélturbina szárnyainak teljesítménye 8-szorosára, a légáramlás sebességének háromszorosára nő a szélturbina teljesítménye 27-szeresére.

A szélturbina teljesítménye a szélenergia vevő méretétől is függ. Ebben az esetben arányos a szélkerék vagy a forgórész lapátjai által söpört területtel. Például a lapátos szélturbináknál a lapátok által söpört felület annak a körnek a területe lesz, amely egy teljes fordulattal leírja a lapát hegyét. Dob-, körhinta- és forgószélturbináknál a lapátok által söpört felület egy téglalap területét képviseli, amelynek magassága megegyezik a lapát hosszával, és szélessége megegyezik a szemközti lapátok külső élei közötti távolsággal.

Bármely szélkerék vagy forgórész azonban a lapátok által söpört felületen áthaladó légáram energiájának csak egy részét alakítja át hasznos mechanikai munkává. Az energia ezen részét a szélenergia hasznosítási tényező határozza meg. A szélenergia hasznosítási tényező értéke mindig kisebb egynél. A legjobb modern, nagy sebességű szélturbinák esetében ez az együttható eléri a 0,42-t. Soros gyári nagy- és kissebességű szélturbináknál a szélenergia hasznosítási tényező általában 0,30-0,35; ez azt jelenti, hogy a szélturbinák szélkerekein áthaladó légáram energiájának hozzávetőleg csak egyharmada válik hasznos munkává. Az energia fennmaradó kétharmada felhasználatlan marad.

G. X. Sabinin szovjet tudós számítások alapján megállapította, hogy még egy ideális szélturbina szélenergia-hasznosítási együtthatója is csak 0,687.

Miért nem lehet ez az együttható egyenlő vagy közel egyhez?

Ez azzal magyarázható, hogy a szélenergia egy részét a lapátoknál örvényképződésre fordítják, és a szélkerék mögött csökken a szélsebesség.

Így a szélturbina tényleges teljesítménye a szélenergia hasznosítási tényezőtől függ. A szélturbina teljesítménye arányos az értékével. Ez azt jelenti, hogy a szélenergia hasznosítási arányának növekedésével a szélturbina teljesítménye nő, és fordítva.

Az egyszerű lapátos dobos, forgó és forgó szélturbinák szélenergia-felhasználási aránya nagyon alacsony. Értékük 0,06 és 0,18 között változik. A lapátos motoroknál ez az együttható 0,30 és 0,42 között van.

Ezenkívül bármely szélturbina hasznos teljesítménye arányos az átviteli mechanizmus hatékonyságával, valamint a levegő sűrűségével. A modern szélturbina mechanizmusok hatékonysága jellemzően 0,8-0,9.

A szélturbina teljesítményéről elmondottakból az következik, hogy adott szél esetén az a szélturbina lesz nagyobb teljesítményű, amelyben a legnagyobb mennyiségű légáram a szárnyak és a lapátok által sodort felületen áramlik át. a szélkerék jól áramvonalas profillal rendelkezik.

A szélturbinák többsége olyan régóta ismert, hogy a történelem hallgat feltalálóik nevéről.

A szélgenerátorok típusai:

A szélturbinák fő típusai az ábrán láthatók. Két csoportra oszthatók:

vízszintes forgástengellyel (lapáttal) rendelkező szélturbinák (2...5);

függőleges forgástengellyel rendelkező szélturbinák (forgó: lapátos (1) és merőleges (6)).

A lapátos szélturbinák típusai csak a lapátok számában térnek el egymástól.

Szárnyas

A lapátos szélturbináknál, amelyeknek a legnagyobb hatásfoka akkor érhető el, ha a légáramlás merőleges a szárnylapátok forgási síkjára, szükség van a forgástengely automatikus forgatására szolgáló eszközre.

Erre a célra stabilizáló szárnyat használnak.

A körhinta szélturbinák előnye, hogy bármilyen szélirányban működhetnek anélkül, hogy megváltoztatnák a helyzetüket.

A szélenergia hasznosítási együtthatója (lásd az ábrát) a lapátos szélturbináknál jóval magasabb, mint a forgó szélturbináknál.

Ugyanakkor a körhinta sokkal nagyobb nyomatékkal rendelkezik.

Ez a maximális a forgólapátos egységeknél, nulla relatív szélsebesség mellett.

A járókerekes szélturbinák elterjedését forgási sebességük nagysága magyarázza.

Közvetlenül elektromos áramfejlesztőhöz csatlakoztathatók, szorzó nélkül.

A lapátos szélturbinák forgási sebessége fordítottan arányos a szárnyak számával, ezért a háromnál több lapáttal rendelkező egységeket gyakorlatilag nem használják.

Körhinta

Az aerodinamika különbsége a forgó szélturbinákat előnyben részesíti a hagyományos szélturbinákkal szemben.

A szélsebesség növekedésével gyorsan növelik vonóerejüket, ami után a forgási sebesség stabilizálódik.

A körhinta szélturbinák alacsony fordulatszámúak, és ez lehetővé teszi egyszerű elektromos áramkörök használatát, például aszinkron generátorral, anélkül, hogy véletlen széllökés esetén balesetveszélyes lenne.

A lassúság egy korlátozó követelményt támaszt - egy többpólusú generátor használata alacsony sebességgel.

Az ilyen generátorok nem elterjedtek, és a szorzók (szorzó [lat. Multiplicator - szorzás] - sebességfokozat növelése) alkalmazása az utóbbiak alacsony hatásfoka miatt nem hatékony.

A körhinta kialakításának még fontosabb előnye az volt, hogy további trükkök nélkül képes figyelni „honnan fúj a szél”, ami nagyon fontos a felszíni lehajlási áramlásokhoz.

Ilyen típusú szélturbinákat építenek az USA-ban, Japánban, Angliában, Németországban és Kanadában.

A terhelés növekedésével a forgási sebesség csökken, a nyomaték pedig nő a teljes leállásig.

Ortogonális

Az ortogonális szélturbinák, amint azt a szakértők vélik, ígéretesek a nagyüzemi energia számára.

Ma az ortogonális szerkezetek szélimádói bizonyos nehézségekkel néznek szembe. Köztük különösen az indítási probléma.

Az ortogonális telepítések ugyanazt a szárnyprofilt használják, mint a szubszonikus repülőgépek (lásd a 6. ábrát).

A gépnek, mielőtt „támaszkodna” a szárny emelő erejére, fel kell szállnia. Ugyanez a helyzet az ortogonális telepítéssel.

Először is energiát kell szolgáltatnia neki - pörgesse fel, és hozza bizonyos aerodinamikai paraméterekre, és csak ezután vált át motor üzemmódból generátor üzemmódba.

Az erőleadás körülbelül 5 m/s szélsebességnél kezdődik, a névleges teljesítményt pedig 14...16 m/s sebességgel érik el.

A szélturbinák előzetes számításai szerint 50 és 20 000 kW közötti tartományban használhatók.

Egy 2000 kW teljesítményű reális telepítésnél a gyűrű átmérője, amely mentén a szárnyak mozognak, körülbelül 80 méter lenne.

Az erős szélturbina nagy méretű. A kicsikkel azonban meg lehet boldogulni – a számot vedd, ne a méretet.

Minden elektromos generátor külön átalakítóval történő felszerelésével lehetséges a generátorok által termelt kimenő teljesítmény összegzése.

Ebben az esetben a szélturbina megbízhatósága és túlélőképessége nő.

Az összes szélturbina működési elve ugyanaz: a szél nyomása alatt egy lapátokkal ellátott szélkerék forog, amely egy erőátviteli rendszeren keresztül továbbítja a nyomatékot az áramot termelő generátor tengelyéhez, a vízszivattyúhoz. Minél nagyobb a szélkerék átmérője, annál nagyobb légáramlást fog fel, és annál több energiát termel az egység.

A szélturbinák hagyományos elrendezése vízszintes forgástengelyes (3. ábra).) jó megoldás kis méretű és teljesítményű egységekhez. Amikor a pengefesztávok nőttek, ez az elrendezés hatástalannak bizonyult, mivel különböző magasságokban a szél különböző irányokból fúj. Ebben az esetben nemcsak hogy nem lehet optimálisan tájolni az egységet a szélben, hanem fennáll a lapátok megsemmisülésének veszélye is. Ezen túlmenően, egy nagy berendezés pengéinek végei, amelyek nagy sebességgel mozognak, zajt keltenek. A szélenergia felhasználásának fő akadálya azonban továbbra is gazdasági jellegű - az egység teljesítménye kicsi marad, és a működési költségek aránya jelentősnek bizonyul. Az alacsony teljesítményű egységek körülbelül háromszor drágább energiát tudnak előállítani.

3. ábra - Lapátos szélturbina

Meglévő szélturbina rendszerek a szélkerék kialakítása és a széláramlásban elfoglalt helyzete szerint meg vannak osztva három osztály számára.

Első osztályú magában foglalja azokat a szélturbinákat, amelyekben a szélkerék függőleges síkban van elhelyezve; ebben az esetben a forgási sík merőleges a szél irányára, és ezért a szélkerék tengelye párhuzamos az áramlással. Az ilyen szélturbinákat ún szárnyas.

A sebesség a lapát hegye kerületi sebességének (ωR) és a V szélsebesség aránya:

Z= ω R.

A lapátos szélturbinák a GOST 2656-44 szerint, a szélkerék típusától és sebességétől függően, három csoportra oszthatók (4. ábra):

Ø többlapátos szélturbinák, kis sebességgel, nagy sebességgel Zn 2 GBP;

Ø kis lapátos, alacsony fordulatszámú szélmotorok, beleértve a szélmalmokat is, nagy sebességgel Zn> 2;

Ø szélturbinák kis lapátúak, nagy sebességűek, Zn³3.

4. ábra - Lapátos szélmotorok szélkerekeinek vázlata: 1 – többlapátos; 2–4 – kispengéjű

Co. második osztályos szélturbinás rendszereket tartalmaznak a szélkerék függőleges forgástengelyével . A konstruktív séma szerint csoportokra oszthatók:

- körhinta, amelyben a nem működő pengék vagy árnyékolóval vannak lefedve, vagy széllel szemben helyezkednek el (5. ábra, 1. tétel);

- forgó a Savonius rendszer szélturbinái.

NAK NEK Harmadik osztályos vízimalom kerék elvén működő és ún dobok ( 5. ábra, 7. tétel ) . Ezeknek a szélturbináknak vízszintes forgástengelye van, és merőlegesek a szél irányára.

5. ábra - A szélturbinák típusai: 1 – forgó; 2-3 sokkaréjos; 4–5 – kiskaréjos; 6 – ortogonális; 7 - dob

A körhinta és dobos szélturbinák fő hátrányai a szélkerék munkafelületeinek a széláramlásban való elrendezésének elvéből következik:

1. Mivel a kerék munkalapátjai a légáramlás irányában mozognak, a szélterhelés nem egyszerre hat az összes lapátra, hanem egyenként. Ennek eredményeként minden lapát időszakos terhelést szenved, és a szélenergia felhasználása nagyon alacsony, és nem haladja meg a 10%-ot.

2. A szélkerék felületeinek szél irányú mozgása nem teszi lehetővé nagy sebességek kialakulását, mivel a felületek nem tudnak gyorsabban mozogni a szélnél.

3. A légáramlás felhasznált részének (a sepert felület) méretei kicsik magának a keréknek a méreteihez képest, ami jelentősen megnöveli a szélmotor egységnyi beépített teljesítményére vetített tömegét.

Körhinta szélturbinák megvan az az előnye, hogy bármilyen szélirányban dolgozhatnak anélkül, hogy helyzetük megváltozna.

A Savonius rendszer rotoros szélturbinái rendelkeznek a legmagasabb, 18%-os szélenergia-hasznosítási rátával.

A lapátos szélturbinák mentesek a forgó- és dobszélturbinák fenti hátrányaitól. Az ebbe az osztályba tartozó szélturbinák fő előnyei a lapátos szélturbinák jó aerodinamikai tulajdonságai, a nagy teljesítményre való tervezési képesség, az egységenkénti viszonylag kis tömeg.

A lapátos szélturbinák kereskedelmi alkalmazása 1980-ban kezdődött. Az elmúlt 14 év során a szélturbinák teljesítménye százszorosára nőtt: az 1980-as évek eleji 20...60 kW-ról kb. 20 m-es rotorátmérővel 2003-ra 5000 kW-ra 100 m feletti rotorátmérővel (ábra 7.6).

A lapátos szélturbinák típusai csak a lapátok számában térnek el egymástól.

Lapátos szélturbinákhoz, amelynek legnagyobb hatásfoka akkor érhető el, ha a légáramlás merőleges a szárnylapátok forgási síkjára, szükség van a forgástengely automatikus forgatására szolgáló eszközre. Erre a célra stabilizáló szárnyat használnak.

A lapátos szélturbinák szélenergia-hasznosítási együtthatója (4. ábra) sokkal magasabb, mint a forgószélturbináké. Ugyanakkor a körhinta sokkal nagyobb nyomatékkal rendelkezik. A maximális érték a forgólapátos egységeknél nulla relatív szélsebesség mellett.

A járókerekes szélturbinák elterjedését forgási sebességük nagysága magyarázza. Közvetlenül elektromos áramfejlesztőhöz csatlakoztathatók, szorzó nélkül. A lapátos szélturbinák forgási sebessége fordítottan arányos a szárnyak számával, így a háromnál több lapáttal rendelkező egységeket gyakorlatilag nem használják.

Az aerodinamika különbsége előnyt jelent a forgóberendezéseknek a hagyományos szélturbinákkal szemben (7. ábra). A szélsebesség növekedésével gyorsan növelik vonóerejüket, ami után a forgási sebesség stabilizálódik. A körhinta szélturbinák alacsony fordulatszámúak, és ez lehetővé teszi egyszerű elektromos áramkörök használatát, például aszinkron generátorral, anélkül, hogy a véletlen széllökés miatti baleset veszélye állna fenn. A lassúság egy korlátozó követelményt támaszt - egy többpólusú generátor használata alacsony sebességgel. Az ilyen generátorokat nem használják széles körben, és a szorzók (Multiplier [lat. szorzó] - növekvő sebességfokozat) alkalmazása ez utóbbiak alacsony hatásfoka miatt nem hatékony.

A körhinta kialakításának még fontosabb előnye, hogy további trükkök nélkül képes figyelni „merre fúj a szél”, ami nagyon fontos a felszíni lehajlási áramlásokhoz. Ilyen típusú szélturbinákat építenek az USA-ban, Japánban, Angliában, Németországban és Kanadában.

A forgólapátos szélturbina a legkönnyebben kezelhető. Kialakítása biztosítja a maximális nyomatékot a szélturbina indításakor és a maximális forgási sebesség automatikus önszabályozását működés közben. A terhelés növekedésével a forgási sebesség csökken, a nyomaték pedig addig növekszik, amíg teljesen meg nem áll.

Amikor az áramlás kölcsönhatásba lép a pengével, a következő történik:

1) a szembejövő áramlás relatív sebességvektorával párhuzamos ellenállási erő;

2) a húzóerőre merőleges emelőerő;

3) az áramlás örvénye a penge körül;

4) az áramlás turbulizálása, azaz sebességének kaotikus zavarai nagyságrendben és irányban;

5) a szembejövő áramlás akadálya.

A szembejövő áramlás akadályát egy geometriai kitöltésnek nevezett paraméter jellemzi, amely megegyezik a lapátok áramlásra merőleges síkra való vetületének területének arányával az általuk söpört területre.

A szélerőművek fő osztályozási jellemzői a következő kritériumok alapján határozhatók meg:

1. Ha a szélkerék forgástengelye párhuzamos a légáramlással, akkor a beépítés vízszintes-tengelyirányú, ha a szélkerék forgástengelye merőleges a légáramlásra - függőleges-axiális.

2. Az ellenállási erőt forgató erőként használó létesítmények (húzógépek) általában a szélsebességnél kisebb lineáris sebességgel forognak, az emelőerőt alkalmazó létesítmények (felvonógépek) pedig a szélsebességnél lineáris sebességgel rendelkeznek. lényegesen nagyobb szélsebességű lapátokat.

3. A legtöbb telepítésnél a szélkerék geometriai kitöltését a lapátok száma határozza meg. A szélkerék nagy geometriai kitöltésével rendelkező szélturbinák viszonylag gyenge szélben jelentős teljesítményt fejlesztenek ki, és a maximális teljesítményt alacsony keréksebesség mellett érik el. Az alacsony töltöttségű szélturbinák nagy sebességnél maximális teljesítményt érnek el, és hosszabb ideig tart, amíg elérik ezt az üzemmódot. Ezért az első berendezéseket például vízszivattyúként használják, és alacsony szél esetén is működőképesek maradnak, míg a másodikakat elektromos generátorként használják, ahol nagy fordulatszámra van szükség.

4. A mechanikai munka közvetlen végzésére szolgáló berendezéseket gyakran szélmalomnak vagy turbinának nevezik, a villamosenergia-termelésre szolgáló létesítményeket, azaz a turbina és a villamos generátor kombinációját szélenergia-generátornak, levegőgenerátornak és energiaátalakítónak is nevezik. installációk.

5. Az erős energiarendszerhez közvetlenül csatlakoztatott levegőgenerátorok forgási sebessége az aszinkronizációs hatás miatt állandó, de az ilyen létesítmények kevésbé hatékonyan használják fel a szélenergiát, mint a változó fordulatszámú berendezések.

6. A szélkerék közvetlenül csatlakoztatható az elektromos generátorhoz (kemény csatolás), vagy egy köztes energiaátalakítón keresztül, amely pufferként működik. A puffer jelenléte csökkenti a szélkerék forgási sebességének ingadozásának következményeit, lehetővé téve a szélenergia és az elektromos generátor teljesítményének hatékonyabb felhasználását. Ezenkívül vannak részben leválasztott sémák a keréknek a generátorhoz történő csatlakoztatására, úgynevezett lágy csatolású. Így a nem merev csatlakozás a szélkerék tehetetlenségével együtt csökkenti a szélsebesség-ingadozások hatását az elektromos generátor kimeneti paramétereire. Ez a hatás a lapátoknak a szélkerék tengelyéhez való rugalmas csatlakoztatásával is csökkenthető, például rugós csuklópántokkal.

Szélkerék vízszintes tengellyel. Tekintsük a vízszintes tengelyű propeller típusú szélkereket. Az ilyen típusú kerekek fő forgatóereje az emelés. A szélre vonatkoztatva a szélkerék munkahelyzetben a tartótorony előtt vagy mögötte is elhelyezhető.

A szélerőművek általában két- és háromlapátos szélkerekeket használnak, ez utóbbiakat nagyon sima futás jellemzi. Az elektromos generátor és az azt a szélkerékkel összekötő sebességváltó általában a tartótorony tetején, a forgófejben található.

A többlapátos kerekeket, amelyek kis szélben nagy nyomatékot fejlesztenek ki, vízszivattyúzásra és egyéb célokra használják, amelyek nem igénylik a szélkerék nagy sebességű forgását.

Függőleges tengelyű szélerőművek (7. ábra). A függőleges forgástengelyű szélerőművek geometriájukból adódóan bármely szélirányban üzemi helyzetben vannak. Ezenkívül ez a séma lehetővé teszi a tengely egyszerű meghosszabbításával egy generátorral ellátott sebességváltó felszerelését a torony alján.

Az ilyen berendezések alapvető hátrányai: sokkal nagyobb érzékenységük a fáradtság meghibásodására a bennük gyakrabban előforduló önoszcillációs folyamatok és a nyomaték pulzálása miatt, ami a generátor kimeneti paramétereinek nem kívánt pulzációjához vezet. Emiatt a szélerőművek túlnyomó többsége vízszintes tengelyes kialakítással készül, de a különböző típusú függőleges tengelyű berendezések kutatása folytatódik.

A függőleges tengelyű telepítések leggyakoribb típusai:

1. Csésze rotor (szélmérő). Az ilyen típusú szélkerék ellenállási erő hatására forog. A tál alakú penge formája biztosítja a kerék fordulatszámának szinte lineáris függését a szél sebességétől.

2.Savonius rotor. Ez a kerék is ellenállással forog. Pengéi téglalap alakú vékony ívelt lapokból készülnek, azaz egyszerűek és olcsók. A forgatónyomaték a homorú és ívelt rotorlapátok által a légáramlás számára biztosított eltérő ellenállás miatt jön létre. A nagy geometriai töltetnek köszönhetően ez a szélkerék nagy nyomatékkal rendelkezik, és víz szivattyúzására szolgál.

3. RotorDarye. A nyomatékot a két vagy három aerodinamikai profilú vékony íves csapágyfelületen fellépő emelőerő hozza létre. Az emelőerő abban a pillanatban a legnagyobb, amikor a lapát nagy sebességgel keresztezi a szembejövő légáramot. A Daria rotort szélerőművekben használják. A rotor általában nem tud magától pörögni, ezért az indításhoz általában motor üzemmódban működő generátort használnak.

4.Musgroove Rotor. Ennek a szélkeréknek az üzemi állapotban lévő lapátjai függőlegesen helyezkednek el, de kikapcsolt állapotban képesek elfordulni vagy összecsukódni egy vízszintes tengely körül. A Musgrove rotoroknak különböző változatai vannak, de mindegyik leáll erős szélben.

5.Evans rotor. Ennek a rotornak a lapátjai egy függőleges tengely körül forognak vészhelyzetben és vezérlés közben.

7. ábra - Függőleges tengelyű szélerőművek

Hubok. A szélturbina teljesítménye a légáram energiájának felhasználási hatékonyságától függ. Ennek növelésének egyik módja a speciális légáramlás-koncentrátorok (erősítők) alkalmazása. Az ilyen koncentrátorok különféle változatait fejlesztették ki vízszintes tengelyű szélerőművekhez. Ezek lehetnek diffúzorok vagy keverők (terelők), amelyek a levegő áramlását a szélkerékhez irányítják a forgórész söpört területénél nagyobb területről, és néhány egyéb eszköz. A koncentrátorokat még nem használják széles körben az ipari létesítményekben.

A szélturbinák a szél erejét és erejét használják fel elektromos energia előállítására. A modern emberi élet elképzelhetetlen nélküle

elektromos áram, még az áramellátástól távol eső területeken is. A környezetbarát fényenergia széltermelői alternatív forrásként szolgálnak.

És évről évre egyre nagyobb népszerűségre tesznek szert. Minél nagyobb a termékválaszték, annál több kérdés merül fel azzal kapcsolatban, hogy melyik típusú szélgenerátort részesítsük előnyben. Teljesítményben és pénzben is.

A szélgenerátorok fő típusai

A szélgenerátorok modelljei különböző kivitelben és teljesítményben különböznek. A fő rotor tengelyének forgási geometriája szerint ezek a következőkre oszthatók:

Függőleges típus - a turbina az alaplaphoz képest függőlegesen helyezkedik el. Enyhe szélben kezd dolgozni.
Vízszintes típus - a forgórész tengelye a földfelszínnel párhuzamosan forog. Nagy ereje van a szélenergiának váltakozó és egyenárammá alakítására.

Nézzük meg ezeket a típusokat részletesebben, hiszen mindegyiknek van fejlesztése és fejlesztése.

A függőleges generátorok típusai (körhinta)

A függőleges szélenergia-átalakítókat gyakran használják háztartási célokra. Az ilyen típusú szélgenerátorok könnyen karbantarthatók. A figyelmet igénylő fő alkatrészek a telepítések alján találhatók, és szabadon hozzáférhetők.

1. Generátorok Savounis rotorral

Két hengerből áll. Az állandó tengelyirányú forgás és a széláramlás nem függ egymástól. Hirtelen széllökések esetén is az eredetileg beállított sebességgel pörög.

A szél forgási sebességre gyakorolt hatásának hiánya kétségtelenül jó előny. A rossz az, hogy az elem erejét nem teljes erejéig, hanem csak harmadára használja ki. A pengék félhengeres kialakítása lehetővé teszi, hogy csak egy negyed fordulattal működjön.

2. Generátorok Daria rotorral

Két vagy három pengéjük van. Könnyen telepíthető. A kialakítás egyszerű és áttekinthető. Kézi indítástól kezdenek dolgozni.

Hátránya, hogy a turbinák nem túl erősek. Az erős vibráció hangos zajt okoz. Ezt nagyszámú penge segíti elő.

3. Helicoid rotor

A szélgenerátor egyenletesen forog a csavart lapátoknak köszönhetően. A csapágyak nincsenek kitéve gyors kopásnak, ami jelentősen meghosszabbítja élettartamukat.

Az egység telepítése időt vesz igénybe, és összeszerelési nehézségekkel jár. A komplex gyártási technológia magas árat eredményezett.

4. Többlapátos rotor

A függőleges tengelyű kialakítás nagyszámú pengével érzékenysé teszi még a nagyon gyenge szélre is. Az ilyen szélgenerátorok hatásfoka nagyon magas.

Ez egy erős átalakító. A szélenergiát maximálisan kihasználják. Ez drága. Hátránya: magas háttérhang. Nagy mennyiségű elektromos áramot képes előállítani.

5. Ortogonális rotor

0,7 m/sec szélsebességnél kezd el energiát termelni. Függőleges tengelyből és pengékből áll. Nem ad nagy zajt, és gyönyörű, szokatlan kialakítású. Az élettartam több év.

A penge nagy súlya terjedelmessé teszi, ami megnehezíti a szerelési munkát.

A függőleges szélgenerátorok pozitívumai:

A generátorok használata gyenge szél esetén is lehetséges.
Nem alkalmazkodnak a széláramokhoz, mivel nem függnek annak irányától.
Rövid árbocra vannak felszerelve, ami lehetővé teszi a rendszerek földi szervizelését.
Zaj 30 dB-en belül.
Változatos, kellemes megjelenés.

A fő hiba az, hogy a szél erejét és energiáját nem használják ki teljesen a forgórész alacsony forgási sebessége miatt.

Vízszintes szélgenerátorok (lapát)

A vízszintes telepítések különféle módosításai egy-három vagy több lapáttal rendelkeznek. Ezért a hatásfok sokkal magasabb, mint a függőlegeseké.

A szélgenerátorok hátránya, hogy a szél irányába kell őket orientálni. Az állandó mozgás csökkenti a forgási sebességet, ami csökkenti a teljesítményét.

Egylapátos és kétlapátos. A motor nagy fordulatszáma különbözteti meg őket. Az egység súlya és méretei kicsik, ami megkönnyíti a telepítést.
Három pengés. Keresettek a piacon. 7 mW-ig képesek energiát termelni.
A többlapátos egységek legfeljebb 50 pengével rendelkeznek. Nagy a tehetetlenségük. A nyomaték előnyeit a vízszivattyúk működésében használják fel.

Megjelennek a modern piacon a klasszikustól eltérő kialakítású szélgenerátorok, vannak például hibridek.

1. Szélgenerátor, úgy épült, mint egy vitorlás

A tárcsa alakú szerkezet légnyomás alatt mozgatja a dugattyúkat, amelyek aktiválják a hidraulikus rendszert. Ennek eredményeként a fizikai energia elektromos energiává alakul.

Az egység működés közben nem ad zajt. Magas teljesítményszintek. Könnyen kezelhető.

2. Repülő szárnyú szélgenerátor

Árboc, generátor, rotor és lapátok nélkül használható. A klasszikus szerkezetekhez képest, amelyek alacsony magasságban, változó szélerősséggel működnek, és a magas árbocok építése munkaigényes és költséges, a „szárnynak” nincsenek ilyen problémái.

550 méter magasra indítják. A villamosenergia-termelés évi 1 MW. A „szárny” gyártója a Makani Power.

Szélgenerátorok alkalmazása

A szélgenerátorokat az iparban és a mindennapi életben használják.

Az ipari szélturbinákat termelési szükségletekre vagy kis falvak áramellátására használják elektromos ellátás hiánya vagy hiánya esetén. Nagy számban telepítik nyílt sivatagi területeken.

A szélmalmok, többnyire egyszerűek, otthoni használatra készültek nyaralókban. Hideg téli időszakban az elektromos energia megtakarítása érdekében lakóépületek területén épülnek. Egy egyszerű szélgenerátor a szeles napok számának megfelelően termel energiát.

A szélturbina hatásfoka

A függőleges és vízszintes szélgenerátorok hatásfoka megközelítőleg azonos. Függőlegesen 20-30%, vízszintesen 25-35%.

A hatásfok a szélgenerátor típusától és a szél sebességétől függ

Egyes gyártók akár 15%-kal is növelik a függőleges szélturbinák hatásfokát, ha a csapágyakat állandó neodímium mágnesekre cserélik. De a hatékonyság ilyen enyhe, mindössze 3-5% -os növekedése a szerkezetek költségének jelentős növekedéséhez vezet.

Mindkét típus nem különbözik az élettartam tekintetében. Az energiatermelés átlagos időtartama 15-25 évre van tervezve. A csapágyszerelvény és a lapátok kopnak a leggyorsabban. Aminek élettartama a szolgáltatás minőségétől függ.

A szélgenerátorok költsége

A szélgenerátorok árai meglehetősen magasak. Ezek drága anyagokból készült, terjedelmes szerkezetek. Tartalmazza az elemeket, a vezérlőt, az invertert és az oszlopot.

A készlet a következőket tartalmazhatja: 1 - maga a szélgenerátor, 2 - árboc, 3 - alapozás, 4 - akkumulátorkészlet, 5 - inverter, 6 - vezérlő, valamint vezetékek, csatlakozók, állvány, dízelgenerátor és egyéb szükséges fogyóeszközök telepítéshez

A szélgenerátorok műszaki jellemzői is befolyásolják a költségeket.

A legegyszerűbb a kis teljesítményű generátor, legfeljebb 300 watt. 10-12 m/sec szélerővel energiát termel. A legegyszerűbb szélmalom készlete csak vezérlővel 15 000 rubeltől kezdődik. Inverterrel, akkumulátorral és árboccal szerelve az ár eléri az 50 000 rubelt.
1 kW bejelentett teljesítményű generátorok. Alacsony szél mellett átlagosan 30-100 kW energiát termelnek havonta. Egy nagy, magas villamosenergia-fogyasztású háznál ajánlatos dízel- és benzinmotoros egységeket is használni. Szélmentes napokon is töltik az akkumulátorokat. Egy ilyen szélgenerátor ára 150 000 rubeltől kezdődik. Teljesebb készlettel eléri a 300-400 ezer rubelt.
Az elektromos fogyasztás egy nagy kertes házban 3-5 kW teljesítményű szélmalomra lesz szükség. Elegendő számú akkumulátor, erősebb inverter, vezérlő, magas árboc. Egy készlet 300 000 rubeltől egy millióig terjed.

Ha a házat szél is fűtötte, akkor a telepítést 10 kW teljesítménnyel kell kiválasztani. És gondoskodjon további forrásokról, például napelemekről. Szükség lehet egy gázgenerátorra is. Minden attól függ, hogy mennyi energiát kell tartalékolnia szélcsendes és felhős napokra.

Szélgenerátor gyártók

A környezetbarát villamosenergia-termelési mód iránti növekvő kereslet miatt vezető szélgenerátor-gyártók ajánlatai jelennek meg a piacon. Mindig kiválaszthatja a legjobb lehetőséget.

Dánia „Vestas” 12,7%-os piaci részesedéssel
Kína „Snovel” – 9,0%
Kína „Goldwind” – 8,7%
Spanyolország „Gamesa” – 8,0%
Németország „Enercon” – 7,8%
India „Suzlon” – 7,6%
Kína Guodian United Power – 7,4%
Németország „Siemens” – 6,3%
Kína „Ming Yang” – 3,6%

A hazai gyártók szélgenerátorok gyártását is létrehozták: a moszkvai régióban - Vetro Svet LLC, SKB Iskra LLC, Sapsan-Energia LLC, Agregat-Privod CJSC, Szentpéterváron - Wind Energy Company CJSC.

Kiválasztási szabály

A szélgenerátor kiválasztása nem nehéz feladat, ha felelősségteljesen közelítünk hozzá. Jobb előre.

Számítsa ki az otthona energiaellátásához szükséges energiamennyiséget.
Ismerje meg az átlagos éves szélsebességet, vegye figyelembe, hogy a szélmalom mikor lesz inaktív, és mikor tud elegendő térfogatot biztosítani. Az áramot tartalékkal kell felvenni. Számítsa ki az akkumulátorok számát, amelyek nyugodt időben tárolják az energiát.
Vegye figyelembe a lakóhely éghajlati adottságait. Közép-Oroszországban a tél nagy részében súlyos fagyok vannak. Ott szélgenerátorok telepítése nem indokolt.
Az eső és a hó csökkenti az energiatermelést. Ezek a hátrányok.
Ügyeljen a pengék számára. Minél kevesebb van, annál nagyobb a hatékonyság.
Határozza meg a zaj intenzitását a berendezés működése közben.
Hasonlítsa össze a szélgenerátorok paramétereit! Gondosan ismerkedjen meg műszaki és összehasonlító jellemzőikkel.
A rendszereket már használó emberek visszajelzései segítenek a szélgenerátor kiválasztásában.
A generátor kiválasztásakor tekintse át a gyártókat.

A szél és a nap természetes, környezetbarát és hulladékmentes energiaforrás. Egy olyan korban, amikor a természeti erőforrások potenciálja kimerült, a szélturbinák gyártása felgyorsul.

Orosz széltérkép a szélgenerátor kiválasztásához

A szélmalmok egyre népszerűbbek a hétköznapi emberek körében. Ehhez minden feltétel adott. Szélturbinák széles választéka és a választást segítő tematikus információk elérhetősége.

Az energiatermelés nem megújuló természeti erőforrások felhasználásával történő növekedését korlátozza az a küszöb, amelyen túl a teljes nyersanyag-termelés megtörténik. Az alternatív energia, beleértve a szélenergia-termelést is, csökkenteni fogja a környezet terhelését.

Bármilyen tömeg mozgása, beleértve a levegőt is, energiát termel. A szélturbina a légáram mozgási energiáját mechanikai energiává alakítja. Ez az eszköz a szélenergia alapja, alternatív irány a természeti erőforrások felhasználásában.

Hatékonyság

Meglehetősen egyszerű egy bizonyos típusú és kialakítású egység energiahatékonyságát értékelni, és összehasonlítani a hasonló motorok teljesítményével. Meg kell határozni a szélenergia hasznosítási tényezőt (WEF). Kiszámítása a szélturbina tengelyén kapott teljesítmény és a szélkerék felületén ható széláram teljesítményének aránya.

A szélenergia hasznosítási aránya különböző létesítményeknél 5-40%. Az értékelés hiányos lesz, ha nem veszi figyelembe a létesítmény tervezési és kivitelezési költségeit, valamint a megtermelt villamos energia mennyiségét és költségét. Az alternatív energiákban fontos tényező a szélturbinák költségeinek megtérülési ideje, de figyelembe kell venni az ebből fakadó környezeti hatást is.

Osztályozás

A szélturbinákat a megtermelt energia felhasználásának elvei alapján két osztályba osztják:
lineáris;
ciklikus.

Lineáris típus

A lineáris vagy mobil szélturbina a légáramlás energiáját mechanikus mozgási energiává alakítja. Ez lehet vitorla vagy szárny. Mérnöki szempontból ez nem szélturbina, hanem meghajtó berendezés.

Ciklikus típus

Ciklikus motoroknál maga a ház álló helyzetben van. A légáram forog, ciklikus mozgásokat végez, munkarészei. A mechanikus forgási energia a legalkalmasabb villamos energia előállítására, amely egy univerzális energiaforma. A ciklikus szélmotorokhoz szélkerekek is tartoznak. A szélkerekek az ősi szélmalmoktól a modern szélerőművekig különböznek a tervezési megoldásokban és a légáramlási teljesítmény teljes kihasználásában. A készülékek nagy sebességűre és kis sebességre, valamint a rotor forgástengelyének vízszintes vagy függőleges iránya szerint vannak felosztva.

Vízszintes

A vízszintes forgástengelyű szélturbinákat lapátos motoroknak nevezzük. A forgórész tengelyéhez több penge (szárny) és egy lendkerék van rögzítve. Maga a tengely vízszintesen helyezkedik el. A készülék fő elemei: szélkerék, fej, farok és torony. A szélkerék egy függőleges tengely körül forgó fejbe van felszerelve, amelyben a motor tengelye és a sebességváltó mechanizmusok találhatók. A farok szélkakas szerepét tölti be, a fejet a szélkerékkel a szél áramlásának irányával ellentétes irányba fordítva.

Nagy légáramlási sebességeknél (15 m/s és nagyobb) a nagy sebességű vízszintes szélturbinák alkalmazása ésszerű. A vezető gyártók két- és háromlapátos egységei 30%-os KIEV-t biztosítanak. Egy saját készítésű szélturbina légáram kihasználtsága akár 20%. A készülék hatékonysága a gondos számítástól és a pengék gyártási minőségétől függ.

A lapátos szélturbinák és szélturbinák nagy tengelyforgási sebességet biztosítanak, ami lehetővé teszi a teljesítmény közvetlen átvitelét a generátor tengelyére. Jelentős hátránya, hogy gyenge szélben az ilyen szélturbinák egyáltalán nem működnek. Indítási problémák lépnek fel, amikor a szélcsendről a megnövekedett szél felé haladunk.

Az alacsony fordulatszámú vízszintes motorok nagyobb számú lapáttal rendelkeznek. A légáramlással való jelentős kölcsönhatási terület hatékonyabbá teszi őket gyenge szélben. A létesítmények azonban jelentős széllel rendelkeznek, ami megköveteli, hogy megvédjék őket a széllökésektől. A legjobb KIEV mutató 15%. Az ilyen berendezéseket ipari méretekben nem használják.

Függőleges körhinta típus

Az ilyen eszközökben a lapátokat a kerék (rotor) függőleges tengelyére szerelik fel, hogy fogadják a levegőáramlást. A ház és a lengéscsillapító rendszer biztosítja, hogy a szél áramlása a szélkerék egyik felét elérje, és az ebből eredő erőkifejtés nyomatéka biztosítja a forgórész forgását.

A lapátos egységekhez képest a forgó szélturbina nagyobb nyomatékot generál. A levegő áramlási sebességének növekedésével gyorsabban éri el az üzemmódot (vonóerő tekintetében), és stabilizálódik a forgási sebesség tekintetében. De az ilyen egységek lassan mozognak. A tengely forgásának elektromos energiává alakításához speciális generátorra (multipólusra) van szükség, amely alacsony fordulatszámon képes működni. Az ilyen típusú generátorok nem túl gyakoriak. A sebességváltó-rendszer használatát az alacsony hatásfok korlátozza.

A körhinta szélturbinát könnyebben lehet üzemeltetni. Maga a kialakítás biztosítja a rotor sebességének automatikus szabályozását, és lehetővé teszi a szél irányának nyomon követését.

Függőleges: ortogonális

A nagyüzemi energiatermeléshez az ortogonális szélturbinák és a szélturbinák a legígéretesebbek. Az ilyen egységek használati tartománya a szélsebesség tekintetében 5-16 m/s. Az általuk termelt teljesítményt 50 ezer kW-ra növelték. Az ortogonális lapát profilja hasonló a repülőgép szárnyaihoz. Ahhoz, hogy a szárny működni tudjon, levegőt kell rá adni, mint egy repülőgép felszállása során. A szélturbinát is először fel kell pörgetni, energiát költeni. Ha ez a feltétel teljesül, a telepítés generátor üzemmódba kapcsol.

következtetéseket

A szélenergia az egyik legígéretesebb megújuló energiaforrás. A szélturbinák és szélturbinák ipari felhasználásának tapasztalatai azt mutatják, hogy a hatásfok a szélgenerátorok kedvező légáramlású helyeken való elhelyezésétől függ. A modern anyagok felhasználása a blokkok tervezésében, az új villamosenergia-termelési és -tárolási sémák alkalmazása tovább javítja a szélturbinák megbízhatóságát és energiahatékonyságát.