Vrste vetrnih turbin. Domači vetrni generator za dom in vrt: načela delovanja, diagrami, kakšne vrste in kako to storiti

Trenutno obstaja veliko sistemov vetrnih turbin z vodoravno in navpično osjo vrtenja. Med seboj se ne razlikujejo le po videzu in dizajnu, ampak tudi po tehničnih zmogljivostih, odvisno od namenov, za katere se uporabljajo. Glede na zasnovo sprejemnika vetrne energije in njegovo lokacijo v zračnem toku ločimo več sistemov vetrnih motorjev.

O vetrnih turbinah vrtiljaka in bobna smo že govorili. Poznan je tudi tako imenovani rotacijski vetrni motor (slika 23). Njegove lopatice se kot vrtiljak vetrne turbine vrtijo v vodoravni ravnini in poganjajo navpično gred.

riž. 23. Rotacijska vetrna turbina

Zdaj so zelo razširjene vetrne turbine z lopaticami, med katerimi so najstarejše vrste navadne vetrnice. Glavni del vsake lopatne vetrne turbine je vetrno kolo. Sestavljen je iz več rezil in se vrti pod vplivom vetra. S pomočjo para stožčastih zobnikov, nameščenih na glavi vetrne turbine (slika 24), se vrtenje kolesa pretvori v hitrejše gibanje navpične gredi ali v povratno gibanje pogonske palice.

riž. 24. Shema lopatice vetrne turbine

Za obračanje glave in vetrnega kolesa v veter imajo vetrnice nosilec, sodobne male vetrne turbine pa rep z navpičnim repom na koncu. Veterne turbine z velikimi lopaticami imajo druge bolj zapletene mehanizme za samodejno poravnavo vetrnega kolesa z vetrom. Za zagotovitev, da hitrost vrtenja vetrnega kolesa ne preseže največje, obstaja posebna naprava za samodejno krmiljenje hitrosti.

Običajno je na površini zemlje pretok zraka zaradi različnih ovir neenakomeren in oslabljen, zato je vetrno kolo nameščeno na visokem jamboru ali stolpu, nad ovirami.

Glede na zasnovo vetrnih koles se sodobne lopatne vetrne turbine delijo na visokohitrostne in nizkohitrostne.

V vetrni turbini z nizko hitrostjo je vetrno kolo sestavljeno iz velikega števila lopatic (slika 25). Z lahkoto se premika. Zahvaljujoč temu je vetrna turbina z nizko hitrostjo primerna za delo z batno črpalko in drugimi stroji, ki zahtevajo veliko začetno silo pri zagonu.

riž. 25. Sodobna večkraka vetrna turbina TB-5 z močjo do 2,5 konjskih moči

Vetrne turbine z nizko hitrostjo se uporabljajo predvsem na območjih, kjer povprečna hitrost vetra ne presega 4,5 metra na sekundo. Vsi mehanizmi večploščnih vetrnih turbin so praviloma nekoliko enostavnejši od tistih pri hitrih. Vendar pa so vetrna kolesa vetrnih turbin z nizko hitrostjo precej zajetne strukture. Z veliko velikostjo takih koles je težko ustvariti potrebno stabilnost, zlasti pri visokih hitrostih vetra. Zato se trenutno večkrake vetrne turbine gradijo s premerom vetrnega kolesa največ 8 metrov. Moč takšne vetrne turbine doseže 6 konjskih moči. Ta moč je povsem dovolj za dovajanje vode na površje iz vrtin do 200 metrov globoko.

Vetrne turbine za visoke hitrosti nimajo več kot štiri krila s poenostavljenim profilom v vetrnem kolesu (glej na primer sliko 27).

riž. 27. Vetrna turbina 1-D-18 z močjo do 30 kilovatov

To jim omogoča, da dobro prenesejo zelo močne vetrove. Tudi pri močnem in sunkovitem vetru dobro zasnovani krmilni mehanizmi ustvarjajo enakomerno vrtenje vetrnih koles hitrih vetrnih turbin.

Te pozitivne lastnosti hitrih vetrnih turbin jim omogočajo delovanje v spremenljivem vetru katere koli moči.

Zato je mogoče zgraditi hitre vetrne turbine z zelo velikimi premeri vetrnih koles, ki dosežejo petdeset ali več metrov in razvijejo moč več sto konjskih moči.

Zaradi visoke in stabilne enakomernosti vetrnih koles se visokohitrostni vetrni motorji uporabljajo za pogon najrazličnejših strojev in električnih generatorjev. Sodobne hitre vetrne turbine so univerzalni stroji.

Priročno je primerjati vetrne motorje različnih sistemov z uvedbo koncepta normalne hitrosti. Ta hitrost je določena z razmerjem med obodno hitrostjo na zunanjem koncu vrteče se lopatice pri hitrosti vetra 8 metrov na sekundo in hitrostjo zračnega toka.

Lopatice vrtiljakov, rotacijskih in bobnastih vetrnih motorjev se med delovanjem gibljejo vzdolž zračnega toka in hitrost katerekoli točke nikoli ne more biti večja od hitrosti vetra. Zato bo normalna hitrost tovrstnih vetrnih turbin vedno manjša od ena (ker bo števec manjši od imenovalca).

Vetrna kolesa krilnih vetrnih turbin se vrtijo v smeri vetra, zato hitrost gibanja končnih delov njihovih kril dosega visoke vrednosti. Lahko je nekajkrat večja od hitrosti pretoka zraka. Manj kot je lamel in boljši kot je njihov profil, manjši je odpor vetrnega kolesa. To pomeni, da se hitreje vrti. Najboljši primeri sodobnih krilnih vetrnih turbin imajo običajno hitrost do devet enot. Večina tovarniško proizvedenih vetrnih turbin ima hitrost 5-7 enot. Za primerjavo ugotavljamo, da so imeli tudi najboljši kmečki mlini hitrost le 2-3 enot (in v tem smislu so naprednejši od vrtiljakov, rotacijskih in bobnastih vetrnih motorjev).

Ko se število lopatic na vetrnem kolesu poveča, se njegova sposobnost odmika pri nizkih hitrostih vetra poveča. Zato vetrni motorji z več lopaticami, pri katerih je skupna površina lopatic 60-70 odstotkov pometene površine (glej sliko 20) vetrnega kolesa, začnejo delovati pri hitrosti vetra 3-3,5 metra. na sekundo.

riž. 20. Portalni mlin

Hitre vetrne turbine z majhnim številom lopatic se zaženejo pri hitrosti vetra od 4,5 do 6 metrov na sekundo. Zato jih je treba zagnati bodisi brez obremenitve bodisi s pomočjo posebnih naprav.

Dober zagon in enostavnost zasnove vrtiljakov, rotacijskih in bobnastih vetrnih turbin očarajo številne izumitelje in oblikovalce, ki jih imajo za idealne vetrne turbine. V resnici pa imajo ti stroji številne pomembne pomanjkljivosti. Zaradi teh pomanjkljivosti jih je težko uporabljati tudi s tako običajnimi in enostavnimi stroji, kot so batne črpalke in vrtalniki.

Vetrne turbine z rotorskimi sprejemniki vetrne energije zelo slabo izkoriščajo energijo zračnega toka, njihov koeficient izkoriščanja vetrne energije je 2-2,5-krat manjši kot pri lopaticnih vetrnih turbinah. Zato lahko lopatne vetrne turbine z enakimi površinami, ki jih pometajo lopatice, razvijejo 2-2,5-krat večjo moč kot vrtiljačne, rotacijske in bobnaste vetrne elektrarne.

Rotorske vetrne turbine se trenutno uporabljajo le v obliki majhnih obrtniških naprav z močjo do 0,5 konjskih moči. Uporabljajo se na primer za pogon različnih prezračevalnih naprav v živinorejskih objektih, kovačnicah in drugih kmetijskih proizvodnih prostorih.

Kaj določa moč vetrne turbine?

Vemo, da energija zračnega toka ni konstantna, zato ima vsaka vetrna turbina spremenljivo moč. Moč vsake vetrne turbine je odvisna od hitrosti vetra. Ugotovljeno je bilo, da se pri podvojitvi hitrosti vetra moč na krilih vetrne turbine poveča za 8-krat, pri povečanju hitrosti zračnega toka za 3-krat pa se moč vetrne turbine poveča za 27-krat.

Moč vetrne elektrarne je odvisna tudi od velikosti sprejemnika vetrne energije. V tem primeru je sorazmeren s površino, ki jo pometejo lopatice vetrnega kolesa ali rotorja. Na primer, pri vetrnih turbinah z lopaticami bo površina, ki jo pometejo lopatice, območje kroga, ki opisuje konico lopatice v enem polnem obratu. Pri bobnastih, vrtiljakovih in rotacijskih vetrnih turbinah površina, ki jo pometajo lopatice, predstavlja površino pravokotnika z višino, ki je enaka dolžini lopatice, in širino, ki je enaka razdalji med zunanjima robovoma nasprotnih lopatic.

Vendar vsako vetrno kolo ali rotor pretvori le del energije zračnega toka, ki prehaja skozi površino, ki jo pometajo lopatice, v koristno mehansko delo. Ta del energije je določen s faktorjem izkoriščenosti vetrne energije. Vrednost faktorja izkoriščenosti vetrne energije je vedno manjša od ena. Pri najboljših sodobnih hitrih vetrnih turbinah ta koeficient doseže 0,42. Za serijske tovarniške vetrne turbine z visoko in nizko hitrostjo je faktor izkoriščenosti vetrne energije običajno 0,30–0,35; to pomeni, da se približno le ena tretjina energije zračnega toka, ki poteka skozi vetrna kolesa vetrnih turbin, pretvori v koristno delo. Preostali dve tretjini energije ostaneta neporabljeni.

Sovjetski znanstvenik G. X. Sabinin je na podlagi izračunov ugotovil, da ima tudi idealna vetrna elektrarna koeficient izrabe energije vetra le 0,687.

Zakaj ta koeficient ne more biti enak ali celo blizu ena?

To je razloženo z dejstvom, da se del energije vetra porabi za nastanek vrtincev na lopaticah in hitrost vetra za vetrnim kolesom pade.

Tako je dejanska moč vetrne turbine odvisna od faktorja izkoriščenosti vetrne energije. Moč vetrne turbine je sorazmerna z njeno vrednostjo. To pomeni, da se s povečevanjem stopnje izkoriščenosti vetrne energije povečuje moč vetrne turbine in obratno.

Bobnaste, rotacijske in rotacijske vetrne turbine z enostavnimi lopaticami imajo zelo nizek izkoristek vetrne energije. Njihove vrednosti se zelo razlikujejo od 0,06 do 0,18. Pri motorjih z lamelami se ta koeficient giblje od 0,30 do 0,42.

Poleg tega je uporabna moč vsake vetrne turbine sorazmerna tudi z učinkovitostjo prenosnega mehanizma, pa tudi z gostoto zraka. Običajno je učinkovitost sodobnih mehanizmov vetrnih turbin od 0,8 do 0,9.

Iz povedanega o moči vetrne turbine sledi, da bo imela pri danem vetru večjo moč tista vetrna turbina, pri kateri največji pretok zraka teče skozi površino, ki jo brišejo krila, in lopatice vetrnega kolesa imajo dobro oblikovan profil.

Večina vrst vetrnih turbin je znanih že tako dolgo, da zgodovina zamolči imena njihovih izumiteljev.

Vrste vetrnih generatorjev:

Glavne vrste vetrnih turbin so prikazane na sliki. Razdeljeni so v dve skupini:

vetrne turbine z vodoravno osjo vrtenja (lopatice) (2...5);

vetrne turbine z navpično osjo vrtenja (rotacijske: lopatične (1) in pravokotne (6)).

Vrste lopaticnih vetrnih turbin se razlikujejo le po številu lopatic.

Krilati

Za lopatne vetrne turbine, katerih največji izkoristek je dosežen, ko je zračni tok pravokoten na ravnino vrtenja lopatic krila, je potrebna naprava za samodejno vrtenje osi vrtenja.

V ta namen se uporablja krilo stabilizatorja.

Vetrne turbine z vrtiljakom imajo prednost, da lahko delujejo v kateri koli smeri vetra, ne da bi spremenile svoj položaj.

Koeficient izkoriščanja vetrne energije (glej sliko) je pri vetrnih turbinah z lopaticami veliko višji kot pri rotacijskih vetrnih turbinah.

Hkrati imajo vrtiljaki veliko večji navor.

Največja je za enote z rotacijskimi rezili pri ničelni relativni hitrosti vetra.

Razširjenost rotorskih vetrnih turbin je razložena z velikostjo njihove hitrosti vrtenja.

Lahko jih priključimo neposredno na generator električnega toka brez množitelja.

Hitrost vrtenja krilnih vetrnih turbin je obratno sorazmerna s številom kril, zato se enote z več kot tremi lopaticami praktično ne uporabljajo.

Vrtiljak

Razlika v aerodinamiki daje rotacijskim vetrnim turbinam prednost pred tradicionalnimi vetrnimi turbinami.

Ko se hitrost vetra poveča, hitro povečajo svojo vlečno silo, po kateri se hitrost vrtenja stabilizira.

Vetrne turbine z vrtiljakom so nizke hitrosti in to omogoča uporabo preprostih električnih tokokrogov, na primer z asinhronim generatorjem, brez nevarnosti nesreče v primeru nenamernega sunka vetra.

Počasnost postavlja eno omejevalno zahtevo - uporabo večpolnega generatorja, ki deluje pri nizkih vrtljajih.

Takšni generatorji niso razširjeni in uporaba multiplikatorjev (multiplikator [lat. Multiplicator - množenje] - naraščajoča prestava) ni učinkovita zaradi nizke učinkovitosti slednjih.

Še pomembnejša prednost zasnove vrtiljaka je bila zmožnost, da brez dodatnih trikov spremlja, »od kod piha veter«, kar je zelo pomembno pri površinskih odklonskih tokovih.

Tovrstne vetrne turbine gradijo v ZDA, na Japonskem, v Angliji, Nemčiji in Kanadi.

Vetrna turbina z rotacijskimi rezili je najlažja za upravljanje. Njegova zasnova zagotavlja največji navor pri zagonu vetrne turbine in samodejno samoregulacijo največje hitrosti vrtenja med delovanjem.

Z naraščanjem obremenitve se hitrost vrtenja zmanjšuje in navor povečuje do popolne zaustavitve.

Pravokoten

Ortogonalne vetrne turbine so po mnenju strokovnjakov obetavne za veliko energijo.

Danes se vetrni častilci ortogonalnih struktur srečujejo z določenimi težavami. Med njimi je zlasti problem zagona.

Ortogonalne instalacije uporabljajo enak profil krila kot podzvočno letalo (glej sliko 6).

Letalo, preden se »opre« na dvižno silo krila, mora vzleteti. Enako velja za pravokotno namestitev.

Najprej mu morate dati energijo - zavrteti ga in ga pripeljati do določenih aerodinamičnih parametrov, šele nato bo sam preklopil iz načina motorja v način generatorja.

Odvzem moči se začne pri hitrosti vetra približno 5 m / s, nazivna moč pa se doseže pri hitrosti 14 ... 16 m / s.

Predhodni izračuni vetrnih turbin predvidevajo njihovo uporabo v območju od 50 do 20.000 kW.

V realni postavitvi z močjo 2000 kW bi bil premer obroča, po katerem se premikajo krila, približno 80 metrov.

Močna vetrna turbina je velika. Z majhnimi pa se da preživeti - vzemite številko, ne velikosti.

Z opremljanjem vsakega električnega generatorja z ločenim pretvornikom je mogoče sešteti izhodno moč, ki jo ustvarijo generatorji.

V tem primeru se povečata zanesljivost in preživetje vetrne turbine.

Načelo delovanja vseh vetrnih turbin je enako: pod pritiskom vetra se vrti vetrno kolo z lopaticami, ki prenaša navor preko prenosnega sistema na gred generatorja, ki proizvaja elektriko, na vodno črpalko. Večji kot je premer vetrnega kolesa, večji pretok zraka zajame in več energije proizvede enota.

Tradicionalna postavitev vetrnih turbin je z vodoravno osjo vrtenja (slika 3) je dobra rešitev za enote majhne velikosti in moči. Ko so se razponi lopatic povečali, se je ta ureditev izkazala za neučinkovito, saj na različnih višinah veter piha v različnih smereh. V tem primeru ne samo, da ni mogoče optimalno usmeriti enote v vetru, ampak obstaja tudi nevarnost uničenja lopatice. Poleg tega konci rezil velike naprave, ki se premikajo z veliko hitrostjo, ustvarjajo hrup. Vendar pa je glavna ovira za uporabo vetrne energije še vedno ekonomska - moč enote ostaja majhna in delež stroškov za njeno delovanje se izkaže za precejšen. Enote majhne moči lahko proizvedejo približno trikrat dražjo energijo.

Slika 3 - Vetrna turbina z lopaticami

Obstoječi sistemi vetrnih turbin glede na zasnovo vetrnega kolesa in njegov položaj v toku vetra so ločeni za tri razrede.

Prvi razred vključuje vetrne turbine, pri katerih je vetrno kolo nameščeno v navpični ravnini; v tem primeru je ravnina vrtenja pravokotna na smer vetra, zato je os vetrnega kolesa vzporedna s tokom. Takšne vetrne turbine imenujemo krilati.

Hitrost je razmerje med obodno hitrostjo (ωR) konice lopatice in hitrostjo vetra V:

Z= ω R.

Lopatične vetrne turbine so po GOST 2656-44 glede na vrsto vetrnega kolesa in hitrost razdeljene v tri skupine (slika 4):

Ø vetrne turbine z več kraki, nizke hitrosti, z visoko hitrostjo Zn£2;

Ø nizkohitrostni vetrni motorji z majhnimi lopaticami, vključno z mlini na veter, z visoko hitrostjo Zn> 2;

Ø vetrne turbine so majhne lopatice, visoke hitrosti, Zn³3.

Slika 4 - Sheme vetrnih koles lopaticnih vetrnih motorjev: 1 - več lopatic; 2–4 – z majhnim rezilom

Co. drugi razred vključujejo sisteme vetrnih turbin z navpično osjo vrtenja vetrnega kolesa . Glede na konstruktivno shemo so razdeljeni v skupine:

- vrtiljak, pri katerem so nedelujoče lopatice pokrite z zaslonom ali nameščene na robu proti vetru (slika 5, točka 1);

- rotacijski vetrne turbine sistema Savonius.

TO tretji razred vključujejo vetrne motorje, ki delujejo na principu vodnega mlinskega kolesa in se imenujejo bobni ( Slika 5, točka 7 ) . Te vetrne turbine imajo vodoravno os vrtenja in pravokotno na smer vetra.

Slika 5 - Vrste vetrnih turbin: 1 – rotacijska; 2–3 večkrpni; 4–5 – majhne reže; 6 – pravokoten; 7 - boben

Glavne slabosti vrtiljakov in bobnastih vetrnih turbin izhajajo iz samega principa razporeditve delovnih površin vetrnega kolesa v toku vetra:

1. Ker se delovne lopatice kolesa premikajo v smeri zračnega toka, obremenitev vetra ne deluje istočasno na vse lopatice, ampak eno za drugo. Posledično je vsaka lopatica občasno obremenjena, stopnja izkoriščenosti vetrne energije pa je zelo nizka in ne presega 10 %.

2. Gibanje površin vetrnega kolesa v smeri vetra ne omogoča razvoja velikih hitrosti, saj se površine ne morejo premikati hitreje od vetra.

3. Dimenzije uporabljenega dela zračnega toka (pometena površina) so majhne v primerjavi z dimenzijami samega kolesa, kar bistveno poveča njegovo težo na enoto instalirane moči vetrnega motorja.

Vetrne turbine z vrtiljakom imajo to prednost, da lahko delujejo v kateri koli smeri vetra, ne da bi spremenili svoj položaj.

Rotorske vetrne turbine sistema Savonius imajo najvišjo stopnjo izkoriščenosti vetrne energije, 18 %.

Vetrne turbine z lopaticami nimajo zgornjih pomanjkljivosti rotacijskih in bobnastih vetrnih turbin. Dobre aerodinamične lastnosti lopaticnih vetrnih turbin, konstrukcijska zmožnost njihove izdelave za visoko moč, relativno majhna teža na enoto moči so glavne prednosti vetrnih turbin tega razreda.

Komercialna uporaba lopaticnih vetrnih turbin se je začela leta 1980. V zadnjih 14 letih se je moč vetrnih turbin povečala za 100-krat: od 20 do 60 kW s premerom rotorja približno 20 m v zgodnjih 1980-ih do 5000 kW s premerom rotorja nad 100 m do leta 2003 (slika 7.6).

Vrste lopaticnih vetrnih turbin se razlikujejo le po številu lopatic.

Za vetrne turbine z lopaticami, katerega največji izkoristek je dosežen, ko je zračni tok pravokoten na ravnino vrtenja krilnih lopatic, je potrebna naprava za samodejno vrtenje osi vrtenja. V ta namen se uporablja krilo stabilizatorja.

Koeficient izkoriščenosti vetrne energije (slika 4) je pri vetrnih turbinah z lopaticami precej višji kot pri rotacijskih vetrnih turbinah. Hkrati imajo vrtiljaki veliko večji navor. Največja je za enote z rotacijskimi rezili pri ničelni relativni hitrosti vetra.

Razširjenost rotorskih vetrnih turbin je razložena z velikostjo njihove hitrosti vrtenja. Lahko jih priključimo neposredno na generator električnega toka brez množitelja. Hitrost vrtenja krilnih vetrnih turbin je obratno sorazmerna s številom kril, zato se enote z več kot tremi lopaticami praktično ne uporabljajo.

Razlika v aerodinamiki daje rotacijskim napravam prednost pred tradicionalnimi vetrnimi turbinami (slika 7). Ko se hitrost vetra poveča, hitro povečajo svojo vlečno silo, po kateri se hitrost vrtenja stabilizira. Vetrne turbine z vrtiljakom so nizke hitrosti, kar omogoča uporabo preprostih električnih tokokrogov, na primer z asinhronim generatorjem, brez nevarnosti nesreče zaradi naključnega sunka vetra. Počasnost postavlja eno omejevalno zahtevo - uporabo večpolnega generatorja, ki deluje pri nizkih vrtljajih. Takšni generatorji niso veliko razširjeni, uporaba multiplikatorjev (Multiplier [lat. multiplicator] - povečevanje) ni učinkovita zaradi nizke učinkovitosti slednjih.

Še pomembnejša prednost zasnove vrtiljaka je zmožnost spremljanja »kam veter piha« brez dodatnih trikov, kar je zelo pomembno pri površinskih odklonskih tokovih. Tovrstne vetrne turbine gradijo v ZDA, na Japonskem, v Angliji, Nemčiji in Kanadi.

Vetrna turbina z rotacijskimi lopaticami je najlažja za upravljanje. Njegova zasnova zagotavlja največji navor pri zagonu vetrne turbine in samodejno samoregulacijo največje hitrosti vrtenja med delovanjem. Z naraščanjem obremenitve se hitrost vrtenja zmanjšuje, navor pa narašča, dokler se popolnoma ne ustavi.

Ko tok vpliva na rezilo, se zgodi naslednje:

1) sila upora, vzporedna z vektorjem relativne hitrosti prihajajočega toka;

2) dvižna sila pravokotna na silo upora;

3) vrtinec toka okoli rezila;

4) turbulizacija toka, tj. kaotične motnje njegove hitrosti v velikosti in smeri;

5) ovira prihajajočemu toku.

Za oviro prihajajočega toka je značilen parameter, ki se imenuje geometrijsko polnjenje in je enak razmerju med površino projekcije lopatic na ravnino, pravokotno na tok, in površino, ki jo preplavijo.

Glavne značilnosti razvrščanja vetrnih elektrarn je mogoče določiti z naslednjimi merili:

1. Če je os vrtenja vetrnega kolesa vzporedna s tokom zraka, bo namestitev vodoravno-osna, če je os vrtenja vetrnega kolesa pravokotna na pretok zraka - navpično-osna.

2. Naprave, ki uporabljajo silo upora (vlečni stroji) kot vrtilno silo, se praviloma vrtijo z linearno hitrostjo, nižjo od hitrosti vetra, naprave, ki uporabljajo dvižno silo (dvigalni stroji), pa imajo linearno hitrost koncev lopatice, ki je bistveno večja hitrost vetra.

3. Pri večini naprav je geometrijsko polnjenje vetrnega kolesa določeno s številom lopatic. Vetrne turbine z velikim geometrijskim polnjenjem vetrnega kolesa razvijejo znatno moč pri relativno šibkem vetru, največjo moč pa dosežejo pri nizkih vrtljajih kolesa. Vetrne turbine z nizkim polnjenjem dosežejo največjo moč pri visokih hitrostih in potrebujejo več časa, da dosežejo ta način. Zato se prve naprave uporabljajo na primer kot vodne črpalke in ostanejo delujoče tudi pri šibkem vetru, druge pa kot električni generatorji, kjer so potrebne visoke hitrosti vrtenja.

4. Naprave za neposredno opravljanje mehanskega dela pogosto imenujemo vetrnica ali turbina, naprave za proizvodnjo električne energije, to je kombinacijo turbine in električnega generatorja, imenujemo vetrni generatorji, zračni generatorji in tudi pretvorba energije. instalacije.

5. Pri zračnih generatorjih, ki so neposredno povezani z močnim energetskim sistemom, je hitrost vrtenja zaradi asinhronizacijskega učinka konstantna, vendar pa takšne naprave manj učinkovito uporabljajo vetrno energijo kot naprave s spremenljivo hitrostjo vrtenja.

6. Vetrno kolo je lahko priključeno na električni generator neposredno (trda spojka) ali preko vmesnega pretvornika energije, ki deluje kot blažilnik. Prisotnost blažilnika zmanjšuje posledice nihanj v hitrosti vrtenja vetrnega kolesa, kar omogoča učinkovitejšo uporabo vetrne energije in moči električnega generatorja. Poleg tega obstajajo delno ločene sheme za povezavo kolesa z generatorjem, imenovane mehko povezane. Tako netoga povezava skupaj z vztrajnostjo vetrnega kolesa zmanjša vpliv nihanja hitrosti vetra na izhodne parametre elektrogeneratorja. Ta vpliv je mogoče zmanjšati tudi z elastično povezavo lopatic z osjo vetrnega kolesa, na primer z uporabo vzmetnih tečajev.

Vetrno kolo z vodoravno osjo. Oglejmo si vetrna kolesa propelerskega tipa z vodoravno osjo. Glavna rotacijska sila za kolesa te vrste je dvig. Glede na veter se lahko vetrno kolo v delovnem položaju nahaja pred podpornim stolpom ali za njim.

Vetrni generatorji običajno uporabljajo vetrna kolesa z dvema in tremi kraki, za slednja je značilna zelo gladka vožnja. Električni generator in menjalnik, ki ga povezujeta z vetrnim kolesom, sta običajno nameščena na vrhu podpornega stolpa v vrtljivi glavi.

Večkraka kolesa, ki pri šibkem vetru razvijejo velik navor, se uporabljajo za črpanje vode in druge namene, ki ne zahtevajo velike hitrosti vrtenja vetrnega kolesa.

Vetrni generatorji z navpično osjo (slika 7). Vetrni generatorji z navpično osjo vrtenja so zaradi svoje geometrije v delovnem položaju v kateri koli smeri vetra. Poleg tega ta shema omogoča, da s preprostim podaljšanjem gredi namestite menjalnik z generatorji na dno stolpa.

Temeljne slabosti takšnih naprav so: njihova veliko večja dovzetnost za odpoved zaradi utrujenosti zaradi pogostejših samonihajnih procesov v njih in pulziranja navora, kar vodi do neželenih pulzacij v izhodnih parametrih generatorja. Zaradi tega je velika večina generatorjev vetrne energije zasnovana z vodoravno osjo, vendar se raziskave različnih vrst naprav z navpično osjo nadaljujejo.

Najpogostejše vrste namestitve navpične osi so:

1. Skodelični rotor (anemometer). Vetrno kolo te vrste se vrti s silo upora. Oblika skledaste lopatice zagotavlja skoraj linearno odvisnost hitrosti kolesa od hitrosti vetra.

2.Savoniusov rotor. Tudi to kolo se vrti z uporom. Njena rezila so narejena iz tankih ukrivljenih listov pravokotne oblike, torej so preprosta in poceni. Navor nastane zaradi različnega upora, ki ga zračnemu toku zagotavljajo konkavne in ukrivljene lopatice rotorja glede nanj. Zaradi velikega geometrijskega polnila ima to vetrno kolo velik navor in se uporablja za črpanje vode.

3. RotorDarye. Navor ustvari dvižna sila, ki se pojavi na dveh ali treh tankih ukrivljenih nosilnih površinah z aerodinamičnim profilom. Dvižna sila je največja v trenutku, ko rezilo prečka prihajajoči zračni tok z veliko hitrostjo. Rotor Daria se uporablja v vetrnih generatorjih. Rotor se praviloma ne more vrteti sam, zato se za njegov zagon običajno uporablja generator, ki deluje v motornem načinu.

4. Rotor Musgroove. Lopatice tega vetrnega kolesa v delovnem stanju so nameščene navpično, vendar se lahko, ko so izklopljene, vrtijo ali zložijo okoli vodoravne osi. Obstajajo različne različice rotorjev Musgrove, vendar se vsi izklopijo pri močnem vetru.

5.Evansov rotor. Lopatice tega rotorja se v sili in med krmiljenjem vrtijo okoli navpične osi.

Slika 7 - Vetrni generatorji z navpično osjo

Vozlišča. Moč vetrne turbine je odvisna od učinkovitosti izrabe energije zračnega toka. Eden od načinov za njegovo povečanje je uporaba posebnih koncentratorjev (ojačevalcev) pretoka zraka. Za vetrne generatorje s horizontalno osjo so bile razvite različne izvedbe takih koncentratorjev. To so lahko difuzorji ali konfuzorji (deflektorji), ki usmerjajo zračni tok na vetrno kolo s površine, ki je večja od površine rotorja, in nekatere druge naprave. Koncentratorji še niso dobili široke uporabe v industrijskih obratih.

Vetrne turbine uporabljajo moč in moč vetra za proizvodnjo električne energije. Brez njega si sodobnega človeka ni več mogoče zamisliti

elektrike, tudi na območjih, ki so oddaljena od oskrbe z elektriko. Kot alternativni vir so vetrni proizvajalci okolju prijazne svetlobne energije.

In vsako leto postajajo vse bolj priljubljeni. Večja kot je paleta izdelkov, več vprašanj se poraja o tem, kateri vrsti vetrnega generatorja je treba dati prednost. Tako po uspešnosti kot po denarju.

Glavne vrste vetrnih generatorjev

Modeli vetrnih generatorjev so različnih izvedb in se razlikujejo po moči. Glede na geometrijo vrtenja osi glavnega rotorja jih delimo na:

Vertikalni tip - turbina se nahaja navpično glede na talno ravnino. Začne delovati pri rahlem vetru.
Horizontalni tip - os rotorja se vrti vzporedno z zemeljsko površino. Ima veliko moč za pretvarjanje vetrne energije v izmenični in enosmerni tok.

Oglejmo si te vrste podrobneje, saj ima vsaka od njih razvoj in izboljšave.

Vrste vertikalnih generatorjev (vrtiljak)

Vertikalni pretvorniki vetrne energije se pogosto uporabljajo za domače namene. Te vrste vetrnih generatorjev je enostavno vzdrževati. Glavne komponente, ki zahtevajo pozornost, se nahajajo na dnu inštalacij in so prosto dostopne.

1. Generatorji s Savounisovim rotorjem

Sestavljen iz dveh valjev. Konstantno osno vrtenje in tok vetra nista odvisna drug od drugega. Tudi ob nenadnih sunkih se vrti s prvotno nastavljeno hitrostjo.

Odsotnost vpliva vetra na hitrost vrtenja je nedvomno dobra prednost. Slaba stvar je, da ne uporablja moči elementa v polni moči, ampak le do tretjine. Zasnova rezil v obliki polcilindra vam omogoča, da upravljate le četrtino obrata.

2. Generatorji z rotorjem Daria

Imajo dve ali tri rezila. Enostaven za namestitev. Dizajn je preprost in jasen. Delovati začnejo z ročnim zagonom.

Slaba stran je, da turbine niso zelo močne. Močne vibracije povzročajo glasen hrup. To olajša veliko število rezil.

3. Helikoidni rotor

Vetrni generator se enakomerno vrti zahvaljujoč zvitim rezilom. Ležaji niso podvrženi hitri obrabi, kar znatno podaljša njihovo življenjsko dobo.

Namestitev enote zahteva čas in je polna težav pri montaži. Zapletena tehnologija izdelave je povzročila visoko ceno.

4. Večkraki rotor

Zasnova z navpično osjo in velikim številom lopatic je občutljiva tudi na zelo rahel veter. Učinkovitost takšnih vetrnih generatorjev je zelo visoka.

To je močan pretvornik. Vetrna energija je maksimalno izkoriščena. To je drago. Slabost: visok zvok v ozadju. Lahko proizvede veliko količino električnega toka.

5. Ortogonalni rotor

Začne proizvajati energijo pri hitrosti vetra 0,7 m/s. Sestavljen je iz navpične osi in rezil. Ne povzroča veliko hrupa in ima čudovit, nenavaden dizajn. Življenjska doba je več let.

Velika teža rezila ga naredi zajetnega, kar otežuje namestitev.

Pozitivni vidiki vertikalnih vetrnih generatorjev:

Uporaba generatorjev je možna tudi pri šibkem vetru.
Ne prilagajajo se vetrovnim tokom, saj niso odvisni od njegove smeri.
Nameščeni so na kratkem jamboru, kar omogoča servisiranje sistemov na tleh.
Hrup znotraj 30 dB.
Raznolik, prijeten videz.

Glavna napaka je, da se sila in energija vetra ne izkoristita v celoti zaradi nizke hitrosti vrtenja rotorja.

Horizontalni vetrni generatorji (lopatice)

Različne modifikacije vodoravnih naprav imajo od enega do treh rezil ali več. Zato je učinkovitost veliko večja kot pri navpičnih.

Slabosti vetrnih generatorjev so, da jih je treba usmeriti v smeri vetra. Nenehno gibanje zmanjša hitrost vrtenja, kar zmanjša njegovo zmogljivost.

Enorezilni in dvorezilni. Odlikujejo jih visoki vrtljaji motorja. Teža in dimenzije enote so majhne, kar olajša namestitev.
Tri rezila. Po njih je povpraševanje na trgu. Proizvajajo lahko energijo do 7 mW.
Enote z več rezili imajo do 50 rezil. Imajo veliko vztrajnost. Prednosti navora se uporabljajo pri delovanju vodnih črpalk.

Na sodobnem trgu se pojavljajo vetrni generatorji z zasnovami, ki se razlikujejo od klasičnih, na primer hibridni.

1. Vetrni generator, zgrajen kot jadrnica

Struktura v obliki diska pod pritiskom zraka premika bate, ki aktivirajo hidravlični sistem. Posledično se fizična energija pretvori v električno.

Enota med delovanjem ne povzroča hrupa. Visoke stopnje moči. Enostavno vodljiv.

2. Vetrni generator letečega krila

Uporablja se brez droga, generatorja, rotorja in lopatic. V primerjavi s klasičnimi konstrukcijami, ki delujejo na nizkih nadmorskih višinah s spremenljivo močjo vetra, gradnja visokih jamborov pa je delovno intenzivna in draga, »krilo« nima takšnih težav.

Izstreli se na višino 550 metrov. Proizvodnja električne energije je 1 MW na leto. Proizvajalec "krila" je Makani Power.

Uporaba vetrnih generatorjev

Vetrni generatorji se uporabljajo v industriji in vsakdanjem življenju.

Industrijske vetrne turbine se uporabljajo za proizvodne potrebe ali za oskrbo z električno energijo majhnih vasi v razmerah odsotnosti ali pomanjkanja električne oskrbe. Nameščeni so v velikem številu na odprtih puščavskih območjih.

Vetrnice, večinoma preproste, so namenjene domači uporabi v poletnih kočah. V hladnih zimskih časih so zaradi varčevanja z električno energijo zgrajeni na ozemlju stanovanjskih stavb. Preprost vetrni generator proizvaja energijo glede na število vetrovnih dni.

Učinkovitost vetrne turbine

Pri vertikalnih in horizontalnih vetrnih generatorjih je učinkovitost približno enaka. Za navpično je 20-30%, za vodoravno 25-35%.

Učinkovitost je odvisna od vrste vetrnega generatorja in hitrosti vetra

Nekateri proizvajalci povečajo učinkovitost vertikalnih vetrnih turbin do 15 % z zamenjavo ležajev s trajnimi neodimskimi magneti. Toda tako rahlo povečanje učinkovitosti za samo 3-5% vodi do znatnega povečanja stroškov struktur.

Obe vrsti se ne razlikujeta po življenjski dobi. V povprečju je trajanje proizvodnje energije zasnovano za 15 - 25 let delovanja. Najhitreje se obrabijo ležajni sklop in lamele. Življenjska doba je odvisna od kakovosti storitve.

Stroški vetrnih generatorjev

Cene vetrnih generatorjev so precej visoke. To so obsežne strukture iz dragih materialov. Vključuje baterije, krmilnik, pretvornik in drog.

Komplet je lahko sestavljen iz: 1 - samega vetrnega generatorja, 2 - jambora, 3 - temelja, 4 - kompleta baterij, 5 - pretvornika, 6 - krmilnika, pa tudi žic, konektorjev, stojala, dizelskega generatorja in drugega potrebnega potrošnega materiala za namestitev

Tehnične značilnosti vetrnih generatorjev vplivajo tudi na stroške.

Najenostavnejši je generator z nizko močjo do 300 vatov. Proizvaja energijo pri sili vetra 10-12 m/s. Komplet najpreprostejše vetrnice s samo krmilnikom stane od 15.000 rubljev. Ko je opremljen z pretvornikom, baterijo in drogom, cena doseže 50.000 rubljev.
Generatorji z deklarirano močjo 1 kW. Ob šibkem vetru v povprečju proizvedejo od 30-100 kW energije na mesec. Za veliko hišo z visoko porabo električne energije je priporočljivo dodatno uporabljati dizelske in bencinske enote. Baterije bodo polnili tudi v brezvetrnih dneh. Tak vetrni generator stane od 150.000 rubljev. S popolnejšim kompletom doseže do 300-400 tisoč rubljev.
Poraba električne energije v veliki hiši z vrtom bo zahtevala vetrnico z zmogljivostjo 3-5 kW. Zadostno število baterij, močnejši inverter, krmilnik, visok drog. En komplet stane od 300.000 rubljev do milijona.

Če je bila hiša ogrevana tudi z vetrom, je treba namestitev izbrati z močjo 10 kW. In poskrbite za dodatne vire, kot so sončne celice. Morda boste potrebovali tudi generator plina. Vse je odvisno od tega, koliko energije imate na rezervi v primeru brezvetrja in oblačnih dni.

Proizvajalci vetrnih generatorjev

Zaradi vse večjega povpraševanja po okolju prijaznem načinu pridobivanja električne energije se na trgu pojavljajo ponudbe vodilnih proizvajalcev vetrnih generatorjev. Vedno lahko izberete najboljšo možnost.

Danska "Vestas" z 12,7-odstotnim tržnim deležem
Kitajska "Snovel" - 9,0%
Kitajska "Goldwind" - 8,7%
Španija “Gamesa” – 8,0 %
Nemčija "Enercon" - 7,8%
Indija "Suzlon" - 7,6%
Kitajska Guodian United Power - 7,4 %
Nemčija "Siemens" - 6,3%
Kitajska "Ming Yang" − 3,6 %

Domači proizvajalci so vzpostavili tudi proizvodnjo vetrnih generatorjev: v moskovski regiji - Vetro Svet LLC, SKB Iskra LLC, Sapsan-Energia LLC, Agregat-Privod CJSC, v Sankt Peterburgu - Wind Energy Company CJSC.

Izbirno pravilo

Izbira vetrnega generatorja ni težka stvar, če k temu pristopite odgovorno. Bolje vnaprej.

Izračunajte količino energije, ki je potrebna za napajanje vašega doma.
Ugotovite povprečno letno hitrost vetra, upoštevajte, kdaj bo vetrnica mirovala in kdaj lahko zagotovi zadostno glasnost. Moč je treba jemati z rezervo. Izračunajte število baterij za shranjevanje energije v primeru mirnega vremena.
Upoštevajte podnebne značilnosti kraja bivanja. V osrednji Rusiji so večino zime hude zmrzali. Namestitev vetrnih generatorjev tam ni upravičena.
Dež in sneg zmanjšata proizvodnjo energije. To so slabosti.
Bodite pozorni na število rezil. Manj kot jih je, večja je učinkovitost.
Določite jakost hrupa med delovanjem naprave.
Primerjajte parametre vetrnih generatorjev. Natančno se seznanite z njihovimi tehničnimi in primerjalnimi lastnostmi.
Povratne informacije ljudi, ki že uporabljajo sisteme, vam bodo pomagale izbrati vetrni generator.
Pri izbiri generatorja preverite proizvajalce.

Veter in sonce sta naravna, okolju prijazna in brezodpadna vira energije. V dobi, ko je potencial naravnih virov izčrpan, se proizvodnja vetrnih turbin pospešuje.

Ruski zemljevid vetra za izbiro vetrnega generatorja

Mlini na veter postajajo vse bolj priljubljeni med običajnimi ljudmi. Za to so ustvarjeni vsi pogoji. Raznolikost vetrnih turbin in razpoložljivost tematskih informacij za pomoč pri izbiri.

Rast proizvodnje energije z uporabo neobnovljivih naravnih virov je omejena s pragom, nad katerim je popolna proizvodnja surovin. Alternativna energija, vključno s proizvodnjo vetrne energije, bo zmanjšala obremenitev okolja.

Gibanje katere koli mase, vključno z zrakom, ustvarja energijo. Vetrna turbina pretvarja kinetično energijo zračnega toka v mehansko energijo. Ta naprava je osnova vetrne energije, alternativne smeri uporabe naravnih virov.

Učinkovitost

Zelo preprosto je oceniti energijsko učinkovitost enote določenega tipa in konstrukcije ter jo primerjati z zmogljivostjo podobnih motorjev. Treba je določiti faktor izkoriščenosti vetrne energije (WEF). Izračuna se kot razmerje med prejeto močjo na gredi vetrne turbine in močjo toka vetra, ki deluje na površino vetrnega kolesa.

Stopnja izkoriščenosti vetrne energije za različne naprave se giblje od 5 do 40 %. Ocena bo nepopolna brez upoštevanja stroškov projektiranja in izgradnje objekta, količine in stroškov proizvedene električne energije. Pri alternativni energiji je pomemben dejavnik vračilna doba za stroške vetrnih turbin, vendar je treba upoštevati tudi posledični vpliv na okolje.

Razvrstitev

Vetrne turbine delimo na dva razreda glede na principe izkoriščanja proizvedene energije:
linearni;
ciklično.

Linearni tip

Linearna ali mobilna vetrna turbina pretvarja energijo zračnega toka v mehansko energijo gibanja. To je lahko jadro ali krilo. Z inženirskega vidika ne gre za vetrno turbino, temveč za pogonsko napravo.

Ciklični tip

Pri cikličnih motorjih samo ohišje miruje. Zračni tok se vrti, ustvarja ciklične gibe, njegove delovne dele. Mehanska rotacijska energija je najbolj primerna za pridobivanje električne energije, univerzalne oblike energije. Ciklični vetrni motorji vključujejo vetrna kolesa. Vetrna kolesa, od starih mlinov na veter do sodobnih vetrnih elektrarn, se razlikujejo po konstrukcijskih rešitvah in popolnem izkoriščanju moči zračnega toka. Naprave delimo na hitre in nizkohitrostne ter glede na vodoravno ali navpično smer vrtilne osi rotorja.

Vodoravno

Vetrne turbine z vodoravno osjo vrtenja se imenujejo lopatice. Na gred rotorja je pritrjenih več lopatic (kril) in vztrajnik. Sama gred se nahaja vodoravno. Glavni elementi naprave: vetrovno kolo, glava, rep in stolp. Vetrno kolo je nameščeno v glavi, ki se vrti okoli navpične osi, v kateri je nameščena gred motorja in prenosni mehanizmi. Rep igra vlogo vremenske lopatice, obrača glavo z vetrnim kolesom proti smeri toka vetra.

Pri visokih hitrostih zračnega toka (15 m/s in več) je uporaba hitrih horizontalnih vetrnih turbin racionalna. Enote z dvema in tremi rezili vodilnih proizvajalcev zagotavljajo KIJEV 30%. Lastno izdelana vetrna turbina ima stopnjo izkoriščenosti pretoka zraka do 20%. Učinkovitost naprave je odvisna od skrbnega izračuna in kakovosti izdelave rezil.

Vetrne turbine z lopaticami in vetrne turbine zagotavljajo visoko hitrost vrtenja gredi, kar omogoča prenos moči neposredno na gred generatorja. Pomembna pomanjkljivost je, da pri šibkem vetru takšne vetrne turbine sploh ne bodo delovale. Pri prehodu iz zatišja v močan veter se pojavijo težave pri zagonu.

Horizontalni motorji z nizko hitrostjo imajo večje število lopatic. Zaradi velikega območja interakcije z zračnim tokom so učinkovitejši pri šibkem vetru. Toda naprave imajo veliko vetrovnost, zaradi česar je treba sprejeti ukrepe za njihovo zaščito pred sunki vetra. Najboljši kazalnik KIJEV je 15%. Takšne naprave se ne uporabljajo v industrijskem obsegu.

Vertikalni vrtiljak

V takšnih napravah so lopatice nameščene na navpični osi kolesa (rotorja), da sprejmejo zračni tok. Ohišje in blažilni sistem zagotavljata, da tok vetra zadene eno polovico vetrnega kolesa, posledično nastali moment uporabe sil pa zagotavlja vrtenje rotorja.

V primerjavi z enotami z lopaticami rotacijska vetrna turbina ustvarja več navora. Z večanjem hitrosti pretoka zraka ta hitreje doseže način delovanja (glede vlečne sile) in se stabilizira glede hitrosti vrtenja. Toda takšne enote so počasne. Za pretvorbo vrtenja gredi v električno energijo je potreben poseben generator (multipol), ki lahko deluje pri nizkih vrtljajih. Generatorji te vrste niso zelo pogosti. Uporaba sistemov menjalnika je omejena zaradi nizke učinkovitosti.

Vetrno turbino z vrtiljakom je lažje upravljati. Sama zasnova omogoča samodejno krmiljenje hitrosti rotorja in omogoča spremljanje smeri vetra.

Navpično: pravokotno

Za veliko proizvodnjo energije so najbolj obetavne ortogonalne vetrne elektrarne in vetrne elektrarne. Obseg uporabe takih enot glede na hitrost vetra je od 5 do 16 m/s. Moč, ki jo proizvajajo, so povečali na 50 tisoč kW. Profil ortogonalne lopatice je podoben profilu letalskih kril. Da bi krilo začelo delovati, morate vanj uporabiti pretok zraka, kot med vzletom letala. Tudi vetrno turbino je treba najprej zavrteti in pri tem porabiti energijo. Ko je ta pogoj izpolnjen, se naprava preklopi v generatorski način.

zaključki

Vetrna energija je eden najbolj obetavnih obnovljivih virov energije. Izkušnje iz industrijske uporabe vetrnih elektrarn in vetrnih turbin kažejo, da je učinkovitost odvisna od postavitve vetrnih generatorjev na mesta z ugodnimi zračnimi tokovi. Uporaba sodobnih materialov pri oblikovanju enot, uporaba novih shem za proizvodnjo in shranjevanje električne energije bo še izboljšala zanesljivost in energetsko učinkovitost vetrnih turbin.