+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Содержание

реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Важный нюанс при покупке ветряка

Прежде чем приобрести или изготовить ветрогенератор, необходимо определиться с его мощностью, собственной потребностью в энергии и прочих параметрах устройства. Это принципиально важно при покупке ветряка, так как цены настолько велики, что приходится покупать устройство, которое пользователь сможет осилить по финансам. В некоторых случаях возможности оказываются настолько низкими, что приобретение уже не имеет смысла.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Как произвести?

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

  • определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
  • полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
  • зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач.  От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
  • расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать?

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Особенностью самодельных устройств является использование подручных материалов и устройств. В таких условиях обеспечить полноценное соответствие проектным данным не всегда удается. При этом, разница в расчетных и реальных показателях может оказаться как отрицательной, так и положительной.

Величины, определяющие возможности комплекта, это мощность ветроколеса и генератора. Насколько они будут соответствовать друг другу, такая и общая мощность ветрогенератора будет получена в результате.

Например, если генератору для номинальной производительности требуется скорость вращения в 2000 об/мин, то никакое ветроколесо не сможет обеспечить нужные значения.

Поэтому прежде всего следует подбирать тихоходные образцы генераторов, способные на выработку больших количеств энергии при низких скоростях вращения. Для этого модернизируются готовые устройства (например, устанавливаются неодимовые магниты на ротор автомобильных генераторов), изготавливаются собственные конструкции на базе тех же неодимовых магнитов с заранее подсчитанной мощностью и производительностью.

Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса?

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора. Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Z = L × W / 60 / V,

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Рекомендуемые товары

Мощность и КПД ветрогенераторов различных типов: обзор технических характеристик

Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.

к содержанию ↑

Введение

Забота об окружающей среде и о собственном кошельке побудила светлые умы человечества к изобретению и внедрению новых методов производства энергии, источником, для которой, служили бы неисчерпаемые ресурсы: солнце, вода и ветер. Использование каждого такого источника имеет свои преимущества и недостатки, но наиболее доступной и эффективной считается энергия ветра.

Конечно, природа накладывает определённые ограничения на использование ветрогенераторов, и материальные затраты на выработку 1 кВт электричества от энергии солнца и ветра примерно сопоставимы. Но в северных широтах, особенно в прибрежных регионах, использование ветрогенераторов вне конкуренции.

Вопрос целесообразности установки упирается в среднюю скорость ветра по региону. Начиная с 4 м/с установка ветрогенератора считается целесообразной, а при 9-12 м/с он работает с максимальным КПД. Но мощность ветрогенератора зависит не только от скорости ветрового потока (схема 1), но и от диаметра ротора и площади лопастей (схема 2).


Схема зависимости выходной мощности ветрогенератора от скорости ветраТеоретическая выходная мощность ветрогенераторов в зависимости от диаметра ротора

к содержанию ↑

Расчёт

Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.

Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P — мощность;
D — диаметр винта в м;
V — скорость ветра в м/сек.

Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.

к содержанию ↑

Виды

На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:

    Карусельный ветрогенератор
  1. Карусельные
    — ось вращения располагается вертикально по отношении к направлению ветра. Имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими — горизонтальными:
  2. Вырабатывают электроэнергию при небольшой силе ветра;
  3. Не нуждаются в сложных, активных системах направления на поток ветра, как следствие, идеально подходят для местности с турбулентными воздушными потоками;.
  4. Вертикальный ветрогенератор

  5. Некоторые промышленные модели не нуждаются в высокой мачте, сама ось для лопастей является мачтой. Поэтому удобны в обслуживании;
  6. Низкий уровень шумового загрязнения, до 30 дБ;
  7. Отличный внешний вид.

Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.

    Крыльчатый ветрогенератор
  1. Крыльчатые — горизонтальные ветряки. Этот вид ветрогенератора наиболее распространён при использовании в промышленной выработке электроэнергии.

Преимущества:

  • Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
  • Простота изготовления;
  • Большое разнообразие моделей.

Недостатки:

  • Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
  • Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
  • Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.

Небольшой ветрогенераторРаботы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.

Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.

к содержанию ↑

Выбор модели

Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.

Максимальная мощность кВтДиаметр ротора мВысота мачты

м

Номинальная скорость м/сНапряжение

Вт

0,552,56824
2,63,299120
6,56,41210240
11,281210240
22101812360

Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.

Переносной вертикальный ветрогенераторСуществуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.

И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.

Монатаж ветрогенератора с помощью вертолетаДля средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.

Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.

к содержанию ↑

Новейшие разработки

Летающий ветрогенератор-крылоПрогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.

Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.




Как рассчитать мощность ветрогенератора

От штиля до урагана

Прежде чем перейти к разговору о том, как сделать точный расчёт ветрогенератора, познакомимся с простейшей схемой определения силы ветра. Выйдите в чистое поле или на опушку леса в тихий солнечный день сентября. Дымок от вашего костра поднимается вертикально, деревья не шелохнутся. И лишь осиновые листья еле вздрагивают, словно испугались вашего взгляда. Воздух затих, словно отдыхает перед предстоящей большой работой. Полный штиль. Теперь – внимание.

  1. Через несколько минут дымок заметно начал отклоняться в сторону, вы ощутили мимолётно-нежное прикосновение воздуха к вашему лицу. Ветром такое явление назвать ещё трудно, но движение явно началось. Знайте – скорость в данный момент составляет от 30 сантиметров до одного метра в секунду. Английский адмирал Бофорт назвал такое движение тихим ветерком.
  2. Прошло ещё полчаса и зашелестели листья, закачалась трава, лицо ощутило еле уловимую прохладу воздуха. Скорость его движения составила уже до 3 метров в секунду – это лёгкий ветер по знаменитой шкале Бофорта.
  3. Заколыхались тонкие веточки деревьев, затрепетали листочки, всё ниже пригибается степной ковыль, ваш костёр уже заметно раздувается и ярче горит, дым стелется к земле. Скорость уже доходит до 5 метров – слабый ветер начал резвиться у вас на глазах.
  4. А вот и верхушки деревьев ожили, зашептались громче ветви, начала подниматься пыль на степной дороге. Скорость доходит до 8 метров. Уже на угнаться за движением воздуха даже босиком. Сдержанно набрал свою силу и пока сохраняет её до определённого времени умеренный ветер.
  5. Терпению его приходит конец и начинают сильнее колебаться ветки, закачались стволы деревьев, ветер достигает скорости почти 11 метров в секунду и превращается в свежий.
  6. Сдержанно загудел лес, начали посвистывать провода на столбах, закачались толстые ветки и стволы. Ветер успевает преодолеть расстояние 14 метров в секунду и приобретает характеристику сильного.
  7. Дружно закачались под напором воздуха все стволы деревьев, лес заглушает голоса, идти против ветра уже затруднительно. Знайте – скорость достигла 17 метров и ветер приобрёл крепкий характер.
  8. Раскачались все деревья с такой силой, что начали ломаться небольшие ветки, ходить почти невозможно, хочется приникнуть к земле и ползти в укрытие. Значит скорость достигла 20 метров и ветер уже имеет очень крепкий характер.
  9. За короткое время передвижение воздуха набирает силу. На улицах города находиться опасно: летят предметы, сносит старые крыши. В лесу с треском ломаются и летят толстые ветки, волна в море поднимает и опускает корабли на 3-4 метра вниз-вверх, скорость ветра достигла 24 метров в секунду. По определению адмирала Бофорта это уже начался шторм.
  10. Деревья не выдерживают натиска, с оглушительным треском ломаются, многие вырываются с корнем, рушатся старые здания, летят крыши как огромные птицы смерти, ветер преодолевает за секунду 28 метров – сильный шторм.
  11. Начались массовые разрушения сооружений, колобками катятся автомашины, ветер сметает всё на своём пути, волна на море достигает высоты более пяти метров и корабль бросает, как щепку, в десятиметровую пропасть и снова выносит на поверхность, прижимая матросов к палубе с неимоверной силой. Ветер превышает скорость 30 метров в секунду. Вступил в свои права жестокий шторм.
  12. И, наконец, (не дай Бог никому его испытать ни на море, ни на суше), — ураган, когда разрушительный ветер превышает 33 метра в секунду. Всё сметается с лица земли, море свирепеет и треплет корабль, как голодный волк ягнёнка.

Вот мы и познакомились с характеристиками движения воздуха от штиля до урагана, которые названы в честь автора шкалой Бофорта. Это 12-балльная шкала скорости ветров. Теперь мы можем визуально определять скорость ветра и брать его за основу, когда надо сделать расчет мощности ветрогенератора.

При расчете ветряка основным параметром выступает скорость ветра. Для каждого ветрогенератора этот параметр индивидуален. В большинстве установок лопасти приводятся в движение при воздействии на них ветра от 2 м/с. И только при 7-11 м/с (с учетом самой установки) КПД ветряка будет максимальным. Первая скорость – начальная, вторая – номинальная. Оба этих параметра указываются производителем на упаковке каждой модели ветряка.

Альтернативная энергия своими руками – это вполне реально. Так, чтобы делать расчет мощности ветрогенератора, сначала придется проанализировать скорость ветра в вашем регионе. Для этого придется потратить не один месяц. Максимально вероятные параметры скорости ветра не вычислить за 1-2 раза. Потребуется сделать десятки замеров. Если времени на такие исследования нет, то можно запросить данные у местной метеостанции.

Расчет мощности ветрогенератора: формулы и примерРасчет мощности ветрогенератора: формулы и пример

Чтобы электроэнергия вырабатывалась постоянно, при расчете необходимо учитывать среднюю скорость ветра в конкретном регионе. Ее можно узнать даже из прогноза погоды или изучив карту ветров. Номинальную скорость рекомендуется измерять специальными приборами прямо на участке, где будет располагаться ветряк. Это важно, поскольку дом может находиться на возвышении или, наоборот, в низине, где ветра практически нет.

Расчет мощности ветряка

Перед тем как своими руками сделать ветрогенератор, необходимо рассчитать его мощность. Ее приравнивают к мощности ветрового потока, который «гуляет» по конкретной местности. Для этого используют такую формулу:

P = r · V3 · S/2,

где r – показатель плотности воздуха (1,225 кг/м3), V – значение, отражающее с какой скоростью движется поток (м/с), S – площадь потока (м2).

Чтобы рассчитать ветрогенератор, можно для примера взять площадь винта в 3 м2, а скорость ветра – 10 м/с. Тогда получится следующее значение: 1,225 · 103 · 3/2 = 1837,5 Вт. Что касается винтов, то для небольшого дома их радиус должен быть хотя бы 3-4 м. Тогда диаметр ограничивается значениями в 6-8 м. Такие параметры используются, если ветряк должен обеспечивать электроэнергией весь дом, т. е. его применяют в качестве основного, а не дополнительного источника.

В рассчитанной мощности ветрового потока не были учтены потери. Конечное значение будет еще несколько ниже. Для получения точного результата его умножают на коэффициент, равный:

  • 35-45% – для ветрогенераторов с 3 горизонтальными лопастями;
  • 15-25% – для ветряков типа Савониус с вертикальными лопастями.

Расчет мощности ветрякаРасчет мощности ветряка

С учетом коэффициента использования энергии ветра мощность ветрогенератора может составить 1837,5 · 40% = 735 Вт (для горизонтальной установки) и 1837,5 · 20% = 367,5 Вт.

На следующем шаге расчета должен быть учтен еще КПД самого генератора, равный:

  • 80% – для установок, в основе работы которых лежат магниты;
  • 60% – для генератора с электровозбуждением.

Тогда для ветряка с горизонтальными лопастями требуемая мощность составит 735 · 80% = 588 Вт. Еще 20% из этого значения вычитаются на потери в контроллерах, проводах и диодном мосту. Тогда от изначального значения в 1837,5 Вт остается 588 – 20% = 470,4 Вт.

Так, при расчете мощности ветрогенератора для дома и дачи ожидаемое значение можно смело делить пополам. Лучше сразу проектировать установку в 2 раза мощнее, чем требуется по расчетам. Так вы компенсируете все недостатки, включая те или иные свойства используемых материалов и нюансы сборки в домашних условиях. Такой ветрогенератор будет обеспечивать ваше жилище необходимой электроэнергией без перебоев.

Ветроэнергетические установки, ветрогенераторы — вопросы и ответы

Ветроэнергетические установки, ветрогенераторы

Часто задаваемые вопросы и ответы

 

Ветрогенераторы. Что это?

Как работает ветрогенератор? 

Что дает ветрогенератор? 

Где применяются ветрогенераторы?

Какой силы ветер нужен для работы ветрогенератора?

Почему ветрогенераторы надо применять? 

Каких мощностей бывают ветрогенераторы?

Сколько это стоит?

Реновированные ветрогенераторы – что это такое? 

Сетевые ветрогенераторы? 

При какой скорости ветра начинает работать ветрогенератор? 

Как влияют высота мачты и диаметр ротора на выработку энергии? 

Как осуществляется буревая и грозовая защита? 

Что значит – имеет/не имеет мультипликатора?

А зачем мне дизель-генератор? Поставлю только ветрогенератор и буду получать электроэнергию.

Есть ли от него шум, помехи?

Для чего мне инвертор?

Возможна ли установка ветрогенератора на крыше коттеджа, например, на кирпичной трубе?

На что обращается внимание при установке ветрогенератора?

Можно ли использовать ветрогенератор в качестве резервного источника питания? 

При использовании нескольких ветрогенераторов, как будет выглядеть принципиальная схема и как будут происходить переключения при малой нагрузке, при которой нет необходимости в работе всех ветрогенераторов?

 


 

Ветрогенераторы. Что это?

Ветрогенераторы – это генераторы электрической энергии, предназначенные для превращения энергии ветра в электрическую. Сегодня ветрогенераторы – высокотехнологичное изделие мощностью от 1 КВт до 5000 КВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют использовать экономически эффективно энергию даже самых слабых ветров – от 3 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов сегодня можно не только поставлять электроэнергию в «сеть» но и решать задачи электроснабжения локальных или островных объектов любой мощности.

Как работает ветрогенератор? 

Все очень просто, почти как и сотни лет назад. Набегающие потоки ветра на высоте башни ветрогенератора вращают лопасти ветрогенератора. Энергия вращения передается по валу ротора на мультипликатор, который в свою очередь вращает асинхронный или синхронный электрический генератор. Широко распространены конструкции ветрогенераторов, не имеющих мультипликатора, что существенно увеличивает их производительность. При изменении направления ветра, механизм ориентации поворачивает башню ветрогенератора по ветру. Стабилизация вращения ветроколеса ветрогенератора достигается различными методами, один из которых – поворот лопастей или их фрагментов вокруг своей оси под углом к направлению ветра. Ветрогенераторы могут работать как по одиночке (единичный комплекс), так и группами (ветропарк). Часто один или несколько ветрогенераторов работают параллельно с дизель-генераторами в качестве средства экономии расходов на дизельное топливо.

Что дает ветрогенератор? 

Приведем для ориентировки два примера:

Ветрогенератор мощностью 800 КВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 1.500.000 КВт часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с – 1.100.000 КВт часов электроэнергии.

Ветрогенератор мощностью 2000 КВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 3.700.000 КВт часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с – 2.300.000 КВт часов электроэнергии.

Где применяются ветрогенераторы?

Ветрогенераторы применяются в самых различных местах. Это открытые территории с хорошим ветропотенциалом, поля, острова, мелководье, горы. Как следствие энергетической политики в России – места, где подключение к существующим сетям дороже ветроэнергетического проекта или доставка дизельного топлива обходится дорого.

Какой силы ветер нужен для работы ветрогенератора?

Использование ветрогенератора экономически эффективно в местности со среднегодовой скоростью ветра от 3-4 м/с. Приближенно прикинуть, какова среднегодовая скорость ветра в Вашем регионе Вы можете, внимательно ознакомившись с Картой ветроресурсов России на нижеприведенном рисунке.

Карта ветров России

Почему ветрогенераторы надо применять? 

Аргументов за применение ветроэнергетических установок множество. Вот основные из них:

1. Это независимый от внешних факторов источник электроэнергии. Своя электростанция.

2. После достижения срока окупаемости ветрогенератор требует затрат только на его обслуживание.

3. Применение ветрогенераторов позволяет до 80% сэкономить затраты на дизельное топливо в тех местах, где дизель – генераторы являются основным источником электроэнергии. Следовательно, экономятся расходы на хранение и транспортировку дизельного топлива и энергоснабжение таких объектов становится более независимым от случайных факторов.

4. Капитальные затраты на ветроэнергетический комплекс по сравнению с традиционными источниками электроэнергии достаточно низки. Ориентировочно это 1 300 Euro на 1 КВт установленной мощности «под ключ».

5. Сроки ввода в эксплуатацию ветрогенераторов достаточно коротки. После изготовления оборудования по заказу, поставка и монтаж длятся 1-2 месяца. В случае применения ветрогенераторов «с пробегом» срок поставки ограничивается 1-2 месяцами.

6. Ветроэнергетические установки не загрязняют окружающую среду. Этот аргумент становится все более актуальным при согласовании новых промышленных проектов в России.

Каких мощностей бывают ветрогенераторы?

Бытовые – от 1 КВт до 10 КВт и более. Если брать сразу промышленные ветрогенераторы, то мощностная линейка промышленных ветрогенераторов сегодня простирается от 100 КВт до 5000 КВт единичной установленной мощности. Ветрогенераторы устанавливают по одному или группами. в зависимости от того, какой мощности ветрогенераторы были рекомендованы в ходе проектирования. 

Сколько это стоит?

Для грубой ориентировки можно применять некий ценовой стандарт. “Сетевой вариант” – условно 1200 Евро за 1 КВт установленной мощности “под ключ” при применении новых ветрогенераторов. “Ветродизельный вариант” – условно 1700 Евро за 1 КВт установленной мощности “под ключ” при применении новых ветрогенераторов. Более точную цифру стоимости того или иного ветроэнергетического проекта можно выяснить в ходе работы над т.н. “техническим предложением” – первым этапом проектирования.

Реновированные ветрогенераторы – что это такое? 

Ветроэнергетическое оборудование может считаться одним из самых надежных, если не самым надежным, в энергетике. Причина тому не только высокие технологии, применяемые при его изготовлении, но и относительно небольшие нагрузки, которым оно подвергается. Поэтому ветрогенераторы исправно служат многие годы, часто превышающие 20 лет. Поскольку каждый ветропарк, и каждый ветрогенератор привязаны к конкретному участку земли, целесообразно при достижении срока окупаемости конкретного проекта, то есть при возврате инвестиций, вложенных в него, и получении планируемой прибыли, заменять ветропарк или ветрогенератор на более мощные. Имеющиеся ветрогенераторы обычно находятся в исправном состоянии, и их целесообразно реализовать как «ветрогенераторы с пробегом» или «ветрогенераторы, бывшие в употреблении». Мировой рынок такого оборудования в мире очень велик. Также велик и спрос на такое оборудование. Причина – большая загрузка компаний, производящих ветроэнергетическое оборудование. Как правило, лишь небольшая часть такого «б/у» оборудования уже демонтирована и находится на складе.

“Б/у” ветрогенераторы проходят предпродажную подготовку по специальным регламентам работ и становятся т.н. «реновированными». Обычно при реновировании проводят следующие работы: замена подшипников в редукторе независимо от их износа, дефектовка и ремонт шестерен редуктора, генератора, рамы, лопастей, покраска. После работ по реновированию ветрогенераторы отправляются к своему новому владельцу. Как правило, после продажи такого оборудования на него распространяется гарантия сроком в один год.

Сетевые ветрогенераторы? 

Очень краткое пояснение о том,что такое “сетевые ветрогенераторы”. Практически все ветрогенераторы мощностью от 100 до 5000 кВт, предлагаемые в настоящее время на мировом рынке, относятся к так называемым сетевым турбинам. Это означает, что они могут работать только при наличии мощной внешней электрической сети, централизованной или локальной (например, создаваемой дизель-генератором). Это обусловлено тем, что ветровой поток никогда не бывает стабильным, его скорость меняется в течение минуты в широких пределах. Следовательно, ветрогенератору необходимо стабилизирующее звено, роль которого и выполняет внешний источник электрической мощности и частоты, сеть.

При какой скорости ветра начинает работать ветрогенератор? 

С 3 м/с, заряжая батареи, и Вы уже можете потреблять электроэнергию. Но это только тогда, когда дует ветер, или продолжительность штиля не превышает 11 часов.

Как влияют высота мачты и диаметр ротора на выработку энергии? 

Увеличение высоты мачты до 18-26 м позволяет повысить среднегодовую скорость ветра на высоте оси на 15-30% и тем самым повысить выработку энергии в 1,3-1,5 раза. Это особенно эффективно при среднегодовых скоростях ветра меньше 4 м/с. Высокая мачта также позволяет устранить влияние деревьев и построек. Мощность зависит от диаметра в квадрате. Диаметр ротора выбирается исходя из среднегодовой скорости ветра. До 6-7 м /с выработка ротора 5 м выше, чем у ротора 4,2 м. При больших среднегодовых скоростях ветра выработка выравнивается.

Как осуществляется буревая и грозовая защита? 

Ветрогенератор сконструирован так, что при более-менее сильном ветре плоскость ветроколеса поворачивается под углом к направлению ветра , а при буревом ветре (за 25 м/с) она поворачивается почти под 90 градусов, тем самым снижая нагрузку на себя. Это называется «поворотом в косой поток». Грозовая защита. Хвост расположен выше лопастей. Поэтому он выполняет роль молниеотвода.

Что значит – имеет/не имеет мультипликатора?

Мультипликатор- это редуктор, только наоборот. Он служит для того, чтобы увеличить скорость вращения оси, так как обычному электрогенератору нужна очень большая скорость – от 1500 об/мин.

А зачем мне дизель-генератор? Поставлю только ветрогенератор и буду получать электроэнергию.

К сожалению, мест, где ветер дует постоянно, на Земле не очень много, и если Вы в таком живете, Вас можно поздравить. Дизель-генератор необходим для того, чтобы служить Вам источником электроэнергии в те промежутки времени, когда ветра нет.

Есть ли от него шум, помехи?

Шумов и помех, нарушающих Ваш покой, нет. Ни низкочастотных, ни высокочастотных. Есть небольшой легкий свист и Вам он не причинит беспокойства. Также ветрогенератор не создает помех для TВ или сотовой связи.

Для чего мне инвертор?

Инвертор нужен для того, чтобы преобразовать электроэнергию, вырабатываемую ветрогенератором, в электроэнергию, соответствующую нашим стандартам : 200В/50 Гц.

Возможна ли установка ветрогенератора на крыше коттеджа, например, на кирпичной трубе?

На трубе поставить точно нельзя. При установке на крыше, надо рассчитывать крышу на прочность (скорее всего нельзя).

На что обращается внимание при установке ветрогенератора?

Основные моменты, на которые мы обращаем внимание: 1)среднегодовая скорость ветра; 2)высота построек и деревьев в районе расположения ветрогенератора; 3) грунты.

Можно ли использовать ветрогенератор в качестве резервного источника питания? 

Конечно, можно. Но при наличии хорошего ветропотенциала целесообразнее использовать его как основной источник, а имеющуюся электросеть подключать через АВР (Автоматический ввод резерва), как резервный источник.

При использовании нескольких ветрогенераторов, как будет выглядеть принципиальная схема и как будут происходить переключения при малой нагрузке, при которой нет необходимости в работе всех ветрогенераторов?

При использовании нескольких ветрогенераторов отличие будет лишь в том, что несколько ветрогенераторов, каждый через свой отдельный регулятор заряда (РЗ), будет подключен на общую аккумуляторную батарею (емкость которой должна быть соответственно увеличена). Она в свою очередь – на соответствующей мощности инвертор. При малой нагрузке, когда батарея достигнет заряженного состояния, регуляторы заряда начнут переключать каждый свой ветрогенератор на балластные сопротивления. Данный процесс полностью автоматический.

 

Коэффициент востребованности 966

Мегаконструкции. Самые большие ветрогенераторы / Хабр


Siemens SWT-7.0-154

Кто говорил, что ветряки не способны конкурировать по мощности с атомными электростанциями? Посмотрите на самую большую в мире ветроэлектрическую установку Siemens SWT-7.0-154. С площадью ометания 18 600 м² этот гигант в одиночку генерирует максимальную мощность 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. Несколько сотен таких ветряков — и вот вам атомная электростанция.

SWT-7.0-154 — это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Она пришла на смену предыдущему флагману SWT-6.0-154, от которого практически не отличается по техническим спецификациям, но оснащён более мощными магнитами. Более сильное магнитное поле позволяет генерировать больше электроэнергии при том же диаметре. Другими словами, в этой ВЭН параметр снимаемой мощности с квадратного метра площади ометания выше примерно на 16,7%.

Ветрогенератор включается в работу на минимальной скорости ветра 3-5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растёт до максимальной 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. При достижении скорости ветра 25 м/с генерация прекращается.

Казалось бы, на таких скоростях ветра лопасти ВЭУ должны вращаться быстро, но это совершенно не так. На самом деле они вращаются неторопливо и степенно, делая всего 5-11 оборотов в минуту. То есть полный оборот три лопасти совершают примерно за 5-12 секунд, в зависимости от скорости ветра.

Более сильное магнитное поле в новой модели означает также и то, что эту турбину труднее раскрутить. Для достижения той же скорости вращения 5-11 оборотов в минуту и максимальной генерируемой мощности (7 МВт вместо 6 МВт) этой турбине требуется повышенная скорость ветра: 13-15 м/с вместо 12-14 м/с. Соответственно, и начальная скорость ветрогенерации у неё выше. Вот почему данная модель-гигант наиболее оптимально подходит для размещения на территориях с относительно сильными ветрами, лучше всего в море.

Внутри турбины нет редуктора (коробки передач) — здесь работает система прямого привода, подключенная к синхронному генератору переменного тока с постоянными магнитами. Поскольку скорость генератора определяет напряжение и частоту тока, то «грязный переменный ток» преобразуется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в переменный ток перед подачей в сеть.

В последние годы в области ветряной энергетики происходит очень быстрый научно-технический прогресс. Буквально каждый год появляются новые модели ВЭУ большей мощности и эффективности. Большие и маленькие, рассчитанные на целые посёлки или отдельные дома, на большую скорость ветра в море или на среднюю скорость ветра над крышей частного дома.

Например, мировой рекорд по максимальной генерируемой мощности принадлежит вовсе не Siemens, а другой турбине ещё одного немецкого производителя Enercon E126, которая выдаёт до 7,58 МВт. На видео показан процесс установки такой турбины.


Высота стойки Enercon E126 — 135 м, диаметр ротора — 126 м, общая высота вместе с лопастями — 198 м. Общий вес фундамента турбины — 2500 тонн, а самого ветрогенератора — 2800 тонн. Только электрогенератор весит 220 тонн, а ротор вместе с лопастями — 364 тонны. Общий вес всей конструкции со всеми деталями — 6000 тонн. Первая установка подобного типа была установлена около немецкого Эмдена в 2007 году, хотя в той модификации максимальная мощность была меньше.

Впрочем, ветрогенераторы-гиганты — довольно дорогое удовольствие. Один такой ветряк на 7 МВт обойдётся в $14 млн вместе с установкой, если заказывать все работы у сертифицированных немецких специалистов. Конечно, если освоить производство в своей стране, благо металла хватает, то стоимость вполне можно снизить в несколько раз. Кто знает, может такой гигантский проект национальной стройки занял бы население страны и помог выбраться из экономического кризиса.


Одна из самых последних строящихся в Восточной Европе атомных станций — Белорусская АЭС — получит два энергоблока с реакторами ВВЭР-1200 мощностью по 1200 МВт. Казалось бы, несколько сотен ветряков Siemens сравнятся с атомной электростанцией. Стоимость строительства примерно одинаковая, зато «топливо» бесплатное. Что интересно, Белорусскую АЭС как раз строят в районе, где по климатическим данным за 1962-2000 годы почти самая высокая среднегодовая скорость ветра в Беларуси. Но в реальности эта «самая большая» среднегодовая скорость ветра — всего лишь около 4 м/c (на высоте 10 м), чего едва хватит для запуска ВЭУ на минимальной мощности.

Перед установкой следует сверяться с годовой картой ветров в районе дислокации с данными средней удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м и выше. Хорошо бы составить такие карты для всей территории страны, чтобы найти места наиболее оптимального строительства ВЭУ. Нужно иметь в виду, что скорость ветра сильно зависит от высоты, что хорошо известно жителям высотных домов. В обычных прогнозах погоды по ТВ сообщают скорость ветра на высоте 10 м над землёй, а для ветровой турбины следует измерять скорость на высоте 100-150 м, где ветры гораздо сильнее.

Так что наиболее оптимально такие гиганты подходят для установки в море, в нескольких километрах от побережья, на большой высоте. Например, если установить такие установки вдоль северного побережья России с шагом 200 метров, то максимальная мощность массива составит 690,3 ГВт (побережье Северного Ледовитого океана составляет 19724,1 км). Скорость ветра там должна быть приемлемая, только при заливке фундаментов придётся иметь дело с вечной мерзлотой.

Правда, по стабильности работы ВЭУ никогда не сравнятся с АЭС или ГЭС. Здесь энергетикам приходится постоянно следить за прогнозом погоды, потому что генерируемая мощность напрямую зависит от скорости ветра. Ветер должен быть не слишком сильным и не слишком слабым. Хорошо, если в среднем ВЭУ будут выдавать хотя бы треть от максимальной мощности.

Правильное расположение ветрогенератора

В регионах с высокой скоростью ветра, в прибрежных зонах и на объектах, где в зимний период солнечная электростанция «не справляется», для автономного энергоснабжения используют ветрогенераторные станции – «ветрогенераторы», (сокращённо ВГ). Но на большей территории нашей страны средняя скорость ветра составляет всего 4-5м/сек., тогда как ветрогенератору для выработки «номинальной мощности» требуется 10-12м/сек.. Именно поэтому нет никаких сомнений в важности правильной и продуманной установки устройства, достичения точки, где винт его окажется в зоне с максимальной скоростью ветра.

Мощность ветрогенератора и зависимость от скорости ветра и высоты мачты

Почему же так важно «не потерять» ни одного метра в секунду? Определим зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра. 

1. Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений)  W=1/2mV2, где m — масса воздуха, V – его скорость.

2. Массу воздуха, проходящего за время t и площадь S можно выразить следующим образом: m=VtSρ, где: S – площадь, описываемая винтом ВГ, ρ – плотность воздуха.

3. Чтобы определить мощность (P), делим энергию на время, подставляем выражение для массы, получаем: P=1/2V3Sρ.

4. Если теперь умножить выражение на КПД устройства в целом, включающее в себя коэффициент преобразования лопастей винта, коэффициент полезного действия редуктора и генератора (ƞ), получим реальную мощность «ветряка»: P=1/2V3Sρ ƞ. На практике обычно значение  ƞ лежит в пределах 0,4-0,5.

Как видно из расчета, мощность ВГ пропорциональна третей степени скорости ветра, то есть увеличение скорости в 2 раза даст увеличение мощности в 8 раз!

Таким образом, скорость ветра и отсутствие турбулентностей (завихрений) должны иметь решающее значение при выборе места установки ветрогенератора. Из этих соображений идеально подходят: 

  • берег крупного водоема;
  • вершина горы или возвышенности;
  • центр протяженного поля. 

Увы, в реальной жизни мало кто имеет на своем участке моря, поля и горы.  Поэтому принцип только один – чем выше установка, тем лучше. В идеале, Ветрогенератор должен быть выше не менее, чем на 6 (шесть) метров окружающих его предметов (дома, деревьев, строений, возвышенностей), чтобы оказаться в зоне ламинарного движения воздуха.

Приведем простой пример, который можно легко проверить в on-line калькуляторе для расчета на нашем сайте. Рассмотрим модель пятилопастного ветрогенератора HY-1000, стоящий в «бесконечном» поле вблизи Санкт-Петербурга:

  • При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки;
  • Если увеличить высоту мачты до 10 метров, получим 2,43 кВтч/сутки;
  • Увеличим высоту до 20 метров и получим уже – 3,12 кВтч/сутки. 

Вывод напрашивается сам собой —  часто вместо увеличения мощности ветрогенератора достаточно увеличить высоту мачты.

Решающая роль места установки «ветряка» в эффективности энергосистемы

Очень велик соблазн приделать мачту ветрогенератора к дому для увеличения высоты всей конструкции. Несмотря на очевидные плюсы, данный подход имеет ряд минусов:

Во-первых, установка издает звуки, и звуки эти отлично могут быть переданы по мачте на конструкцию дома, что со временем будет раздражать его жителей. Во-вторых, если здание находится в черте города, могут потребоваться дополнительные согласования в надзорных органах.

Стоит также обратить внимание на конструкцию самой мачты. Если горизонтальные линейные размеры мачты сравнимы или превышают размеры ВГ, то, собственно, сама мачта может являться источником турбулентности.

Очень показательный пример, когда мачта по сути мешает работать системе, плюс частично затеняет солнечные батареи, представлен на фотографии.

          

Особое внимание нужно уделить выбору сечения кабеля. Так как ВГ находится на мачте, а контроллер заряда где-то в доме, длина линии может быть значительной, равно как и падение напряжения. Это может привести к снижению эффективности заряда аккумуляторных батарей. Из этих соображений, площадь сечения кабеля должна быть достаточно большой, чтобы данный эффект был незначителен. Для расчёта площади сечения кабеля следует обратиться к правилам, описанным в статье Расчёт сечения провода.

В отличие от монтажа солнечных батарей, установка «ветряка» часто влечет за собой капитальные строительные работы, такие как бетонирование основания, монтаж свай для растяжек, сварочные работы. Тем не менее, правильно выполненный монтаж обеспечит надежную и эффективную работу системы, и максимальную выработку энергии на протяжении всего срока эксплуатации.

Читать другие статьи..

Ветроэнергетические установки: устройство и технические характеристики

Энергоснабжение регионов России распределено крайне неравномерно. Имеются энергоизбыточные регионы, обладающие большими возможностями в обеспечении регионов, есть и районы с нехваткой энергоресурсов, нуждающиеся в поставках извне. Примечателен факт, что местности без электроснабжения встречаются в обоих категориях регионов, независимо от общей обеспеченности. Поэтому населению таких пунктов приходится изыскивать способы решения вопроса своими средствами.

Наиболее частым методом решения вопроса являются дизельные электростанции, которые обходятся довольно дорого и нуждаются в постоянных поставках топлива. Расходы на обслуживание и заправку таких устройств вынуждают вести поиск альтернативных источников. В последнее время внимание потребителей все чаще бывает сосредоточено на ветрогенераторах, так как этот источник абсолютно бесплатный, присутствует повсеместно, обладает большими возможностями в сфере энергетики.

Что такое ветроэнергетические установки?

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Если сравнивать затраты на проведение линии электропередач или кабеля до отдаленных пунктов, то экономический эффект от использования ВЭУ в большинстве случаев оказывается довольно высоким. При этом, следует учитывать большую разницу в стоимости крупных ВЭУ и небольших установок, действующих в пределах одной усадьбы.

Частой ошибкой, допускаемой при расчетах экономической выгоды от использования ВЭУ, является рассматривание лишь одного варианта реализации методики — создания локальных энергетических комплексов (ЛЭК). Они рассматриваются только как энергоустановки местного значения, обеспечивающие энергией весь населенный пункт. Отсюда возникают высокие расходы на приобретение, потребность в дорогостоящем обслуживании и материалоемкость устройства.

Частные источники, способные обеспечить энергией отдельный дом, практически не рассматриваются, из виду упускается наиболее эффективный и необходимый сектор ветрогенераторов.

Достоинства и недостатки ВЭУ

Преимуществами ВЭУ являются:

  • возможность обеспечения электроэнергией любые пункты, вне зависимости от степени удаления от магистральных линий;
  • нет необходимости создавать большую энергетическую станцию, можно использовать отдельные компактные установки;
  • готовая ВЭУ не нуждается в топливе или иных ресурсных поставках.

При этом, существуют некоторые недостатки:

  • Выработка электроэнергии производится посредством ветровых потоков и полностью зависит от их силы и равномерности. В тихую безветренную погоду производство электротока невозможно.
  • Полученный ток не годится для использования без подготовки, которая требует наличия определенных устройств.
  • Ураганные ветра или шквалистые порывы могут разрушить или вывести установку из строя.

Важно! Как достоинства, так и недостатки ВЭУ являются их специфическими характерными качествами. При отсутствии других возможностей имеющиеся недостатки попросту устраняются принятием соответствующих мер.

Единственным действительно серьезным препятствием, ограничивающим использование ветрогенераторов, является высокая стоимость промышленных установок. Создание самодельных устройств требует определенных навыков и некоторой подготовки, что также замедляет распространение ветроэнергетических устройств среди населения.

Принцип работы ветроэнергетических установок

Ветроэнергетическая установка представляет собой комплекс оборудования, в состав которого входят:

  • ветрогенератор,
  • аккумулятор,
  • инвертор,
  • коммутационное оборудование, кабель, прочие устройства.

Внимание! Имеется много вариантов конструкции ветряков, но общий состав установки практически неизменен.

Принцип действия ветроустановок основан на использовании энергии ветра. Поток воздействует на лопасти рабочего колеса, приводя их во вращение. Оно передается на генератор, производящий электроток. Генератор заряжает аккумуляторы, напряжение с которых подается на инвертор, создающий переменный ток 220 В 50 Гц, необходимый для потребителей.

Существуют отдельные ветряки, питающие насосы или иные несложные устройства, которые подают напряжение напрямую на потребляющий прибор. Но, при возникновении нештатных ситуаций, например, внезапном усилении ветра, потребитель может выйти из строя вследствие резкого скачка напряжения.

В последнее время значительно увеличился интерес к ветроэнергетике со стороны изобретателей и конструкторов. Постоянно появляются новые конструкции, которые обладают все большими возможностями. В частности, ведутся активные поиски способов увеличения КПД ветряка, и некоторые варианты имеют весьма высокие показатели по сравнению с применяющимися в настоящее время промышленными образцами ВЭУ.

Учитывая, что максимальное использование энергии ветрового потока согласно расчетам не может превышать 59,3%, а реальное использование намного ниже и составляет от 10%, то возможности для увеличения эффективности установок весьма высоки.

Виды оборудования

Существует две группы ВЭУ, отличающиеся друг от друга положением оси вращения рабочего колеса:

  • Горизонтальные. Внешне напоминают пропеллер.
  • Вертикальные. Лопасти таких устройств вращаются вокруг вертикальной оси. Имеется большое число конструкций вертикальных ветряков.

Принципиальным отличием этих двух типов конструкции является необходимость ориентирования горизонтальных устройств по направлению ветра и нетребовательность к этому вертикальных ветряков. Кроме того, для горизонтальных устройств обязательно наличие высокой мачты, так как расположение на высоте обеспечивает более интенсивное воздействие потоков ветра на ротор. Вертикальные конструкции в подъеме над уровнем земли нуждаются в меньшей степени.

При этом, эффективность горизонтальных ветряков в целом выше, чем у вертикальных устройств. Это происходит потому, что лопасти вертикальных роторов испытывают как полезное воздействие на рабочие части, так и противодействующие нагрузки на обратные стороны. Снижение уравновешивающего воздействия потока на обратные стороны лопастей является основной задачей конструкторов, пытающихся разработать наиболее удачную форму рабочего колеса.

Существуют опытные образцы, обеспечивающие высокую эффективность использования потока, но широкого производства таких устройств пока не наблюдается.

Устройство

Общий состав комплекса практически одинаков и различается только типом конструкции ветряка.

Горизонтальные ветрогенераторы

Установки с горизонтальной осью вращения имеют практически одну конструкцию. Они представляют собой горизонтальную ось с хвостом и ротором на противоположных концах. Ось имеет возможность свободного вращения вокруг вертикальной оси, необходимое для установки ротора по направлению ветра. Это происходит автоматически, при помощи хвоста. Ротор представляет собой род пропеллера, вращающегося при воздействии ветрового потока на лопасти.

Принципиального различия между разными моделями горизонтальных ветряков нет. Они отличаются типом лопастей:

  • жестколопастные,
  • парусные.

Первые сделаны из прочного материала, вторые представляют собой жесткую рамку, обтянутую плотной тканью или подобным материалом. Кроме того, имеются образцы с различной формой лопасти:

  • в виде прямой лопатки;
  • в виде архимедова винта.

Имеются парусные модели, созданные для получения максимального эффекта от воздействия ветрового потока. Они не имеют вращающихся частей, поверхность паруса создает давление на поршневую систему, взаимодействующую с генератором.

Важно! Большая площадь лопастей позволяет получать больше энергии от взаимодействия с воздушным потоком, но создает значительное сопротивление ветру, опасное при возникновении шквальных порывов.

Ротор горизонтальной конструкции нуждается в установке на высокую мачту. Это увеличивает эффективность получения ветровой энергии, но осложняет процесс монтажа и обслуживания устройства. Мачта должна быть надежно закреплена и усилена растяжками, чтобы имелась возможность выдерживать ураганные порывы ветра. Высота мачты выбирается таким образом, чтобы ветряк возвышался над всеми ближайшими зданиями и сооружениями. При этом, место установки также выбирается на возвышении, что позволяет снизить высоту мачты и облегчает монтаж.

Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудованияОсобенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Вертикальные ветряки

Ветрогенераторы вертикальных конструкций имеют меньшую эффективность использования потока ветра, но с точки зрения эксплуатации они намного предпочтительнее. Их преимущества:

  • нет нужды ориентировать ротор по направлению ветра;
  • устанавливать устройство на высокую мачту необязательно, так как большой разницы в эффективности нет;
  • устройства имеют более простую конструкцию, что удобнее при самостоятельном изготовлении.

Изначально вертикальные конструкции имели две лопасти, имеющие форму желоба, расположенные диаметрально вдоль оси вращения. Впоследствии появились другие варианты, имеющие большее количество лопастей или иную форму. На сегодня различных конструкций известно довольно много. Вот некоторые из них:

Работы по созданию новых типов конструкции ведутся непрерывно, поэтому привести полный перечень имеющихся конструкций невозможно.

Внимание! Вертикальные конструкции ветрогенераторов намного доступнее для самостоятельного изготовления, что явилось причиной появления большого количества вариантов конструкции.

Особенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудованияОсобенности ветроэнергетических установок: достоинства и недостатки оборудования

Особенности конструкции

Основная особенность конструкции ВЭУ — наличие подвижного ротора, передающего вращающий момент на генератор. Этот узел является наиболее ответственным во всей конструкции, требующим качественного изготовления, прочности и устойчивости к нагрузкам.

Кроме того, помимо надежности, ротор должен достаточно чутко реагировать на контакт с ветровыми потоками и начинать вращение при относительно слабых значениях. Это особенно важно, если учитывать особенности климата России, где преобладают слабые и средние ветра. Способность стартовать при малых ветрах высоко ценится у ветрогенераторов, большинство разработок создано именно для увеличения чувствительности к малым потокам.

Нестабильность и слабые скорости ветра являются основными причинами недостаточного развития ветроэнергетики в России. Расходы на альтернативные источники электроснабжения чаще всего выше, чем на традиционные методы, что объясняет малое присутствие ВЭУ. При этом, решение вопроса с помощью дизельных электростанций способствует отрицательному воздействию на окружающую среду в виде выбросов продуктов горения топлива.

Использование дармовой энергии ветра при правильно распределенных вложениях и применении наиболее эффективных конструкций способно дать немалый экономический эффект и способно решить проблему для регионов с недостаточным энергоснабжением.

Технические характеристики

К основным техническим характеристиками ВЭУ относятся:

  • номинальная мощность устройства,
  • минимальная скорость ветра, при которой происходит запуск ротора,
  • максимальная скорость ветра, при которой требуется торможение вращающейся части.

Помимо этих параметров важно определить срок окупаемости устройства, его долговечность и расходы на содержание. Эти факторы являются определяющими при выборе источника электроснабжения между дизельными станциями и ВЭУ. Для регионов со слабыми ветрами такой выбор весьма актуален, поскольку вкладываться в заведомо неэффективный комплекс нерационально и не способствует решению проблемы.

Ветроэнергетические установки являются перспективным вариантом решения проблемы энергообеспечения для отсталых регионов. При грамотном подходе и использовании оптимального комплекта оборудования, можно создавать как мелкие станции, обеспечивающие отдельные жилые дома, так и более крупные установки, способные снабжать энергией населенные пункты.

Возможность производства энергии без нанесения ущерба экологии региона должна ставиться в первоочередные задачи, и ветроэнергетика в этом отношении является наиболее удачным вариантом решения проблем.

Рекомендуемые товары

Конструкция низкоскоростной ветряной турбины

1. Введение

Ветровые турбины используются для выработки электроэнергии уже более ста лет. Недавние опасения по поводу цены и воздействия ископаемого топлива на окружающую среду стимулировали распространение ветряных турбин в широком диапазоне мощностей. Сегодня в продаже имеется широкий спектр коммерческих ветроэнергетических систем. Однако даже турбины с более низкой номинальной мощностью обычно рассчитаны на относительно высокие скорости ветра, обычно около 10-15 м / с [4].При более низких скоростях ветра, типичных для многих внутренних территорий Юго-Восточной Азии, коммерчески доступные ветроэнергетические системы не производят значительного количества энергии. Это либо исключает их использование, либо приводит к очень неэффективному извлечению энергии в регионах с более низкой скоростью ветра. При тщательном проектировании турбины и генератора при более низких скоростях ветра возможно производство электроэнергии, значительно превышающей промышленные турбины. Это позволит использовать энергию ветра в отдаленных районах Юго-Восточной Азии и во всем мире, где преобладают низкие скорости ветра.Это будет включать питание для удаленных станций метеорологической телеметрии, ретрансляторов, сельских жителей и школ, а также приложений, требующих безискрового источника питания, например, вблизи мест добычи, переработки, заправки и транспортировки нефти и военных постов. Эта глава специально посвящена проектированию систем турбин с низкой скоростью ветра. Поскольку доступная мощность ветра значительно ниже при низких скоростях ветра, мы сосредоточимся на меньших турбинах в диапазоне менее 1 кВт.

2. Ветровая энергия

Ветровая энергия, улавливаемая турбиной, обычно выражается как функция от рабочей площади турбины и коэффициента производительности, плотности воздуха и скорости ветра [8]

Pturb = ½ Cpρ A V3E1

Где:

P turb — механическая мощность турбины в ваттах

C p — безразмерный коэффициент полезного действия

ρ — плотность воздуха в кг / м 3

A — рабочая площадь турбины в м 2

V — скорость ветра в м / с

Для ветровых площадок вблизи уровня моря атмосферное давление составляет примерно 1.18 кг / м 3 и уменьшается с высотой. Коэффициент полезного действия зависит от конструкции турбины и имеет теоретический верхний предел 0,593, называемый пределом Беца [5]. Большинство ветряных турбин мощностью менее 10 кВт рассчитаны на скорость от 8 до 12 м / с. Коэффициент полезного действия коммерческих малых турбин обычно находится в диапазоне от 0,25 до 0,45 в зависимости от номинальной мощности, частоты вращения и диаметра изготовителя. Мощность турбины прямо пропорциональна рабочей площади, поэтому она пропорциональна квадрату длины лопатки.Однако фактор, оказывающий наибольшее влияние на мощность турбины, — это скорость ветра. От скорости включения турбины до номинальной скорости мощность турбины пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что скорость ветра 10 м / с будет в восемь раз сильнее ветра 5 м / с. Вот почему большинство турбин имеют довольно высокую скорость ветра: это самый простой способ добиться высокой выходной мощности.

3. Малые турбины

Малые турбины имеют ограниченное разнообразие конструкций из-за ограничений по стоимости и производительности.Наиболее распространенная конструкция — это регулируемая, регулируемая скорость, горизонтальная ось, 3-лопастная машина с фиксированным шагом и постоянным магнитом с прямым приводом [3]. Регулирование шага лопастей было бы трудно оправдать с экономической точки зрения, поэтому лопасти имеют фиксированный шаг и оптимизированы для выработки энергии при номинальной скорости. Это приводит к худшим характеристикам на более низких скоростях, чем может быть достигнута турбиной с активным регулированием шага. Максимальная скорость турбины определяется скоростью ветра и приложенной нагрузкой.Обычно контроллер мощности все еще требуется для предотвращения превышения скорости турбины и чрезмерной зарядки батарей. Этот контроллер мощности может также включать схему согласования мощности, позволяющую оптимизировать отбор мощности от ветряной турбины при различных скоростях ветра [6]. Превышения частоты вращения турбины можно избежать за счет приложения к генератору разгрузочной нагрузки с низким сопротивлением, увеличения крутящего момента нагрузки на турбину, замедления лопастей и, в результате, аэродинамического срыва.

Рис. 1.

Схема типичной малой ветроэнергетической системы, включая ветряную турбину, систему хранения и нагрузки

3.1. Коммерческие малые турбины

Существуют значительные различия между тем, как разные производители заявляют спецификации турбин, однако обычно понимается, что турбина будет вырабатывать номинальную мощность при номинальной скорости ветра. На основе обзора данных, опубликованных для малых ветряных турбин, мы выбрали следующие типовые технические характеристики коммерческих турбин:

Диаметр турбины м 1,6 2.7 5,5
Номинальная скорость ветра м / с 10 10 10
Номинальная мощность Вт 300 1000 5000
Номинальная частота вращения турбины об / мин 400 300 200
Прогнозируемая мощность при 3 м / с Вт 8 27 135
Коэффициент производительности 0.25 0,30 0,36

Таблица 1.

Типичные технические характеристики промышленных турбин

Когда эти турбины устанавливаются в районе с более низким ветром, фактическая производимая мощность будет значительно меньше номинальной. Например, на большей части территории Юго-Восточной Азии средняя скорость ветра составляет всего 3 м / с. Хотя это может быть ниже скорости отключения турбин (самой низкой скорости, на которой они могут производить мощность), если предположить, что мощность пропорциональна кубу скорости ветра, мы можем рассчитать теоретическую выработку энергии при 3 м / с, как указано в таблице.Видно, что выработка электроэнергии этими машинами намного ниже номинальной, что подчеркивает необходимость оптимизации турбины для регионов с низкой скоростью ветра.

3.2. Анализ скорости, мощности и Cp

Одним из важнейших факторов, влияющих на производительность турбины, является угол наклона лопаток. Угол наклона — это угол между лопастью и плоскостью вращения. Угол атаки — это угол между хордой профиля и относительным ветром, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Вектор ветра, движение лопасти, угол тангажа и угол атаки.

Для большинства аэродинамических поверхностей подъемная сила максимальна при угле атаки от 10 до 15 градусов. Очевидно, что угол атаки будет зависеть от скорости ветра и скорости турбины. Удобным параметром при анализе характеристик турбины является коэффициент скорости наконечника (TSR), который определяется как линейная скорость наконечника лопатки турбины, деленная на преобладающую скорость ветра. Для данной скорости ветра меньший угол тангажа приведет к более высокому TSR при максимальной подъемной силе.Больший угол наклона будет иметь тенденцию давать максимальный подъем и, следовательно, больший крутящий момент при более низком TRS [11]. В конечном итоге более высокие коэффициенты производительности достигаются за счет лопастей с меньшими углами наклона и более высоким TRS, однако за счет низкого крутящего момента, что приводит к более высокому снижению скорости.

При очень низких скоростях ветра турбина производит слишком маленький крутящий момент для преодоления трения. Как только скорость ветра становится достаточной для вращения турбины, выходная мощность приблизительно пропорциональна кубу скорости ветра.Это остается верным до номинальной скорости. Выше этой скорости выработка энергии стабилизируется, а с турбинами с регулируемым срывом фактически падает по мере увеличения скорости ветра. Наконец, при еще более высокой скорости ветра, скорости закрутки, турбина выключается, чтобы избежать повреждения машины. Типичная кривая мощности турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 3.

Изменение коэффициента мощности в зависимости от угла атаки в зависимости от TSR.

Рисунок 4.

Мощность турбины в зависимости от скорости ветра.

Напряжения в турбине связаны с ветровой нагрузкой, вызывающей изгиб лопасти в направлении ветра, центробежные силы, радиальное вытягивание лопастей наружу и различные динамические напряжения. Центробежные силы пропорциональны весу лопасти, длине лопасти и квадрату скорости турбины и ограничивают максимальную скорость турбины. Если исходить из аналогичных материалов и конструкции лезвия, для достижения того же уровня нагрузки более крупное и тяжелое лезвие должно будет вращаться с меньшей скоростью, чем меньшее лезвие.Эта максимальная скорость работы турбины становится одним из ограничивающих факторов в ветряной турбине, требуя либо чрезвычайно прочной конструкции, либо активной системы управления скоростью. Системы управления срывом механически просты в реализации и поэтому распространены в небольших турбинных системах. Когда скорость ветра превышает номинальную, на выход генератора прикладывается большая электрическая нагрузка, как правило, батарея резисторов большой мощности. Это увеличивает крутящую нагрузку на турбину, замедляя ее. По мере уменьшения TSR угол атаки увеличивается выше оптимального, и подъем падает, когда лопасть начинает глохнуть.Это впоследствии снижает крутящий момент турбины, еще больше замедляя ее. Этот метод доказал свою эффективность в предотвращении превышения скорости в небольших турбинах.

4. Конструкция ветряных турбин с малой скоростью ветра

Как указывалось ранее, проблема заключается в том, что существующие коммерческие турбины обычно рассчитаны на скорость ветра, значительно превышающую типичную скорость ветра для большей части планеты. Вместо того, чтобы просто исключать энергию ветра из сценария потенциальной энергии для этих регионов, мы хотели бы разработать небольшую ветряную турбину специально для регионов с низкой скоростью ветра [9].Большая часть Юго-Восточной Азии (ЮВА) находится в регионе с относительно низкой скоростью ветра. Данные о скорости ветра с испытательного полигона в Малайзии показаны на рисунке 5. Вероятность ветровой энергии получается путем умножения вероятности скорости ветра на куб скорости ветра. Наибольшая вероятность энергии ветра составляет примерно 3 м / с. При такой скорости ветра коммерческие турбины будут вырабатывать очень мало энергии.

Рис. 5.

Ветер и нормализованная вероятность ветровой энергии на испытательном полигоне с низкой скоростью ветра

Для улучшения отбора энергии ветряная турбина требует фундаментальной модернизации.Уравнение 1 дает нам первое указание, как действовать дальше. Для заданной скорости ветра нам остается изменить площадь турбины и оптимизировать коэффициент полезного действия. Контроль за плотностью окружающего воздуха выходит за рамки этого текста. Удлинение лопаток увеличит площадь поперечного сечения турбины, увеличивая мощность турбины. Однако это также приведет к увеличению нагрузки на турбину и, как правило, к снижению скорости вращения. Производство электроэнергии от генератора пропорционально квадрату скорости вращения, поэтому может быть выгодно регулировать угол наклона, чтобы максимизировать TRS и, таким образом, увеличить скорость генератора.При низких скоростях ветра и ступица турбины, и генератор потребуют повторной оптимизации для более крупных лопастей, необходимых для достижения разумного уровня выработки энергии.

4.1. Общая конструкция турбины

В качестве отправной точки для проектирования мы выберем систему, способную обеспечивать электроэнергией типовое сельское жилище, типичное для отдаленных регионов ЮВА. В таких домах обычно используются перезаряжаемые автомобильные свинцово-кислотные батареи для питания электрического освещения, радио и телевидения. Эти батареи еженедельно доставляются на дизель-генераторную станцию ​​для подзарядки.Еженедельная транспортировка аккумуляторов — значительная нагрузка для сельских жителей, которую можно облегчить с помощью ветроэнергетической установки. С улучшением доступа к электроэнергии потребление электроэнергии, вероятно, значительно увеличится. Дополнительная мощность, вероятно, будет направлена ​​на улучшенное освещение и дополнительные приборы, такие как вентиляторы и даже холодильники. Фактическая требуемая мощность будет варьироваться в широких пределах, но мы предполагаем, что типичный дом будет потреблять примерно 1 кВтч в день.

Ветровая энергетическая система должна иметь достаточную емкость для хранения, по крайней мере, на одну неделю без выработки электроэнергии, поэтому нам требуется не менее 7 кВт-ч аккумуляторов. Как и в большинстве небольших приложений для электроснабжения вне сети, энергия будет храниться в автомобильных батареях на 12 В. Чтобы минимизировать потери при передаче электроэнергии, мы выберем самое высокое напряжение в системе, которое считается безопасным для таких приложений. Рабочее напряжение 48 В может быть достигнуто с 4 батареями, подключенными последовательно, а ограничение накопителя энергии в 7 кВт · ч превращается в емкость аккумулятора около 150 А · ч, как у обычных аккумуляторов для грузовиков.

При хорошей видимости турбины на вершине холма в некоторых прибрежных районах Юго-Восточной Азии возможна пиковая мощность около 5 м / с. По долгосрочным измерениям мы можем определить, что ветер может достигать этой целевой скорости около 20% времени, или 4,8 часа в день. Предполагая, что турбина должна вырабатывать примерно на 1/3 больше мощности, чем требуется в день, чтобы компенсировать потери в системе, нам потребуется около 1,3 кВт · ч в день производства электроэнергии. При выработке электроэнергии 4,8 часа в сутки система должна будет вырабатывать примерно 270 Вт при скорости ветра 5 м / с.Предполагая КПД генератора 80% и Cp 0,29, из уравнения 1 мы можем определить площадь турбины 15,9 м 2 , что дает длину лопатки примерно 2,25 м. Если принять условное TSR около 8, турбина будет вращаться со скоростью 170 об / мин. На основании некоторых первоначальных измерений было определено, что для обычной конструкции генератора потребуется гораздо более высокая частота вращения для достижения желаемой выходной мощности, поэтому мы будем стремиться к удвоенной этой скорости, или 340 об / мин. Эксплуатационный TSR будет оптимизирован посредством регулировки шага лопаток турбины во время полевых испытаний системы, но мы будем стремиться к TSR равному 16, что вдвое превышает обычное соотношение.Рабочий ток генератора в этот момент составит примерно 5,8 А.

Используя существующие конструкции малых турбин [1], генератор должен быть трехфазным, синхронным с осевым потоком, генератором с постоянными магнитами. Мы выбрали 12-полюсную конструкцию с никелированными магнитами NdFeB толщиной 25 x 50 мм и толщиной 11 мм. Генератор основан на подшипнике автомобильного колеса и дисковом тормозе, что определяет диаметр ротора. Исходные характеристики турбины приведены в таблице 2.

Скорость ветра м / с 5
Мощность Вт 272
Balde Legnth м 2.25
Cp 0,29
Скорость генератора об / мин 340
КПД генератора% 80
Напряжение В 48
Ток A 5,8
Полюса 12
Фазы 3
Внутренний диаметр ротора мм 125
Внешний диаметр ротора мм 360

Таблица 2.

Начальные спецификации ветряной турбины и генератора

5. Экспериментальные результаты

Взяв за отправную точку хорошо разрекламированную конструкцию небольшой турбины Хью Пиггота, мы изучили несколько параметров генератора и турбины, чтобы оптимизировать конструкцию для более низкой скорости ветра [ 10]. Генераторные измерения проводились на динамометре с приводом от электродвигателя, позволяющем одновременно измерять как механическую, так и электрическую мощность. Последний генератор затем был введен в эксплуатацию на турбине с регулируемым шагом лопаток.Выходная мощность турбины измерялась вместе со скоростью ветра для оптимизации турбины.

5.1. Оптимизация генератора

Первоначально было выполнено базовое исследование напряжения холостого хода. Несколько катушек с различным числом витков были изготовлены из покрытой эмалью магнитной проволоки диаметром 1 мм. В каждом случае катушки были намотаны на сердечник овальной формы размером 20 x 40 мм, немного меньший, чем магниты ротора. Толщина катушки в осевом направлении, определяющая толщину статора, поддерживалась постоянной и составляла 10 мм.По мере увеличения размеров катушек расстояние между соседними катушками уменьшается, в результате чего максимальный размер катушки составляет примерно 150 x 100 мм. Как видно на рисунке 6, напряжение холостого хода линейно увеличивается с количеством витков.

Рис. 6.

Зависимость напряжения холостого хода отдельной катушки от числа витков при 50 об / мин

Если бы катушкам было позволено увеличиваться в размерах, в конечном итоге противоречивый поток от соседних пар магнитов мог бы проникнуть в большие катушки, уменьшив общий поток и, следовательно, напряжение ,При нынешней конструкции катушки с максимально большими катушками для данной толщины статора будут обеспечивать максимальную мощность.

Для максимальной передачи магнитного потока через катушки двигателей и генераторов катушки имеют сердечники из ламинированного мягкого железа или других магнитопроводящих материалов в электроизоляционной конструкции (для уменьшения вихревых токов). Эти сердечники из мягкого железа обеспечивают путь с низким сопротивлением для магнитного потока, проходящего через катушки. Однако это также вызовет значительный «зубчатый» крутящий момент, поскольку магниты имеют тенденцию застревать в положениях над сердечниками [10].Высокий крутящий момент увеличивает скорость вращения турбины, поэтому большинство низкоскоростных турбин производятся без магнитных материалов в сердечниках, что приводит к катушкам с «сердечником» или «воздушным сердечником». Хотя полезность этого оценивается, мы решили протестировать как катушку с воздушным сердечником, так и идентичную катушку с сердечником из стальной эпоксидной смолы. Было обнаружено, что эта эпоксидная смола имеет очень высокое электрическое сопротивление и значительную магнитную восприимчивость. Сердечники были испытаны на динамометрическом стенде генератора, вращающемся со скоростью 125 об / мин, результаты представлены в таблице 3.Поскольку была установлена ​​только одна катушка, в результате мощность и КПД были очень низкими. Как электрическая, так и механическая мощность увеличиваются при использовании эпоксидной смолы в сердечнике катушки, как и ожидалось из-за большей передачи магнитного потока. Эффективность катушки с эпоксидным сердечником также немного выше, чем у катушки с воздушным сердечником. Крутящий момент от зубчатого зацепления был значительно меньше трения подшипника ротора, поэтому катушки с эпоксидным сердечником были выбраны для окончательной конфигурации генератора.

Крутящий момент (Нм) Механическая мощность (Вт) Напряжение (В) Ток (A) Электрическая мощность (Вт) ) КПД
Эпоксидная катушка 1.13 14,2 2,3 0,98 2,25 0,16
Воздушный змеевик 0,91 11,4 1,9 0,81 1,54 Таблица 2 0,14
9 сравн. между воздушным сердечником и катушками с металлическим эпоксидным сердечником

Другой важной оптимизацией была осевая толщина статора. Более толстый статор допускает большее количество витков провода, увеличивая выходное напряжение, однако для этого также потребуется большее расстояние между роторами.Поскольку роторы разнесены дальше друг от друга, больший поток от магнитов будет иметь тенденцию к «короткому замыканию» на соседние магниты, а не через статор к магниту на противоположном статоре [3]. Эта ситуация показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Боковое короткое замыкание магнитного потока на соседние магниты увеличивается (справа) с увеличением расстояния между роторами.

Индуцированное напряжение на оборот можно увидеть, как быстро падает, когда роторы разнесены дальше друг от друга на рисунке 8.

Рисунок 8.

Напряжение на оборот в зависимости от расстояния между роторами при 125 об / мин

Для данного расстояния между роторами существует максимальное количество витков катушки, которое может поместиться между роторами. Между поверхностями магнита и статором предусмотрен запас в 2,5 мм, чтобы избежать физического контакта и позволить потоку воздуха охладить катушки статора. Таким образом, для 10-миллиметрового расстояния между роторами толщина статора ограничена 5 миллиметрами, что дает около 50 витков на катушку.

Катушки толщиной 5, 10 и 15 мм были подготовлены для разделения ротора 10, 15 и 20 мм соответственно.Эти катушки затем были испытаны на динамометре генератора при 125 об / мин, что дало данные таблицы 4.

Расстояние между роторами (мм) 10 15 20
Кол-во катушек Обороты 50 100 150
Полное напряжение холостого хода (v) 2,25 3,7 3,6
Толщина рулона (мм) 5 10 15

Таблица 4.

Напряжение холостого хода и параметры катушки для различных расстояний между роторами.

По мере того, как роторы перемещаются ближе друг к другу, магнитный поток, проходящий через катушку, увеличивается, создавая более высокое напряжение холостого хода на оборот катушки. Однако меньшее разделительное расстояние приводит к меньшему количеству витков на катушку. Для достижения максимального напряжения холостого хода необходимо найти компромисс между числом витков и расстоянием между роторами. Как показано в таблице 4, расстояние между роторами 15 мм дает максимальное напряжение холостого хода.

Генератор был изготовлен с катушками максимального размера в 10-миллиметровом статоре, а сердечники были заполнены эпоксидной смолой на металлических подшипниках. Затем генератор был испытан на динамометре с различными нагрузками. На рисунке 9 показаны результаты измерений электрической мощности при подключении генератора к нагрузкам различного сопротивления.

Рис. 9.

Зависимость мощности от скорости вращения для различных нагрузок

Максимальная мощность системы была получена при нагрузке 6 Ом, что приблизительно равно внутреннему сопротивлению статора, поскольку сопротивление на катушку равно 0.67 Ом и 9 катушек последовательно. Наш первоначальный дизайн требовал примерно 270 Вт мощности при 340 об / мин. Эта мощность была выше возможностей динамометра с относительно малой мощностью, но попадает в диапазон выработки мощности, прогнозируемый на основе квадрата скорости (черная линия тренда) для нагрузки 6 Ом.

5.1. Оптимизация турбины

Затем генератор был введен в эксплуатацию на крыше машиностроительного здания, как показано на рисунке 10. Деревянные лопасти длиной 2,25 метра были изготовлены с профилем NACA 4412, обычно используемым для низкооборотных турбин.Во время испытаний лопатки турбины были установлены на заданный угол наклона, а генератор был подключен к нагрузке с фиксированным сопротивлением. Затем данные о скорости ветра и выработке электроэнергии постоянно регистрировались. После нескольких недель испытаний турбину можно будет отрегулировать на новый угол атаки и / или изменить сопротивление нагрузки.

Из-за непостоянства ветра не все конфигурации были испытаны на одинаковых скоростях в течение одинаковых периодов времени. Однако общие тенденции были очевидны.Во время полевых испытаний максимальная зафиксированная мгновенная скорость ветра составляла 8 м / с, а максимальная постоянная скорость ветра составляла от 4 до 5 м / с.

Рис. 10.

Ветряная турбина с оптимизированным генератором во время оценки турбины. Обратите внимание на анемометр на заднем плане слева.

Данные, полученные во время тестирования при угле атаки 9 градусов, показанные на рисунке 11, были типичными для тестирования. Скорость вращения турбины составляет около 2 м / с, а выходная мощность быстро увеличивается с увеличением скорости ветра для всех сопротивлений нагрузки.Данные для нагрузок 3 и 6 Ом показывают, что нагрузка 3 Ом имеет немного более высокую выходную мощность ниже 3 м / с, а нагрузка 6 Ом дает большую мощность выше 3 м / с. Теоретически нагрузка 6 Ом должна обеспечивать максимальное извлечение мощности, поскольку нагрузка хорошо согласована с генератором. В целом, нагрузка 6 Ом давала наилучшее извлечение мощности и была выбрана для дальнейшего анализа.

Рисунок 11.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при различных нагрузках для угла атаки 9 градусов

Рисунок 12.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при различных углах атаки для нагрузки 6 Ом

Производство энергии не было сильной функцией угла атаки в диапазоне от 7 до 11 градусов, но значительно снизилось при 14 градусах. Основываясь на экстраполяции данных на более высокие скорости, ожидается, что угол атаки 9 градусов даст наибольшую выработку энергии в диапазоне скоростей ветра от 3,5 до 5 м / с.

Взяв кривую наилучшего соответствия для угла атаки лопастей 9 градусов при нагрузке 6 Ом (рис. 13), мы можем рассчитать, что турбина должна выдавать около 200 Вт при 4.Скорость ветра 2 м / с. Принимая это с известной длиной лопаток турбины 2,25 метра и предполагаемым КПД генератора 80% [7], мы можем использовать уравнение 1 для расчета коэффициента производительности, равного 0,36, что несколько лучше, чем предполагаемое значение 0,29.

Дополнительные измерения, проведенные на подшипниках турбины, показали, что потери на трение составляют 23 Вт при 300 об / мин. Это примерно 10% производимой электроэнергии. Использование автомобильных подшипников, возможно, не оптимально с точки зрения трения, поэтому с улучшением подшипников можно будет улучшить мощность турбины примерно на 5% или около того.

Рисунок 13.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при угле атаки 9 градусов и нагрузке 6 Ом

Оглядываясь назад на рисунок 9, мы видим, что выходная мощность 200 Вт должна происходить примерно при 300 об / мин при нагрузке 6 Ом. Используя это для расчета TSR при скорости ветра 4,2 м / с, мы получаем TRS 17, что близко к нашему предполагаемому значению 16 и значительно выше, чем обычное значение 8.

6. Сравнение характеристик

Принимая во внимание Измеряя производительность турбины, мы можем предсказать зависимость выработки электроэнергии от скорости ветра.Основываясь на заявленных производителями характеристиках изогнутой формы, нашу турбину можно сравнить с существующими коммерческими турбинами. Данные о ветре были записаны на предлагаемой испытательной площадке турбины на прибрежном гребне на высоте 400 м в Банджаран-Релау в Кедахе, Малайзия. Это дало немного более высокую скорость ветра, чем на испытательном полигоне турбины на крыше здания машиностроения. Пример данных о ветре показан на рисунке 14.

Данные о скорости ветра демонстрируют суточный график с некоторым накачиванием морского слоя, связанным с близостью к побережью с самыми высокими скоростями ветра во второй половине дня.Кроме того, видно, что может быть несколько дней, например. дни с 13 по 18 на рис. 14, при очень слабом ветре, что подчеркивает необходимость значительной емкости для хранения.

Рис. 14.

Скорость ветра на испытательном полигоне турбины Banjaran Relau в Кедахе, Малайзия

Рис. 15.

Вероятность ветра и прогнозируемое производство электроэнергии в зависимости от скорости ветра для нескольких промышленных турбин и турбины, разработанной в этом исследовании.

На рис. 15 показана зависимость мощности, вырабатываемой тремя небольшими коммерческими турбинами и турбиной, разработанной в этом исследовании, от скорости ветра, а также вероятность ветра на испытательном полигоне турбины.Поскольку оптимизированная турбина будет вращаться с более высокой скоростью вращения, чем другие турбины, контроллер начнет электрическое прерывание при скорости ветра выше 7 м / с, эффективно снижая выходную мощность турбины выше этой скорости. Это не является чрезмерным ограничением, поскольку ветер редко дует со скоростью выше 7 м / с дольше нескольких минут в месяц.

Можно видеть, что оптимизированная турбина вырабатывает значительно большую мощность, чем промышленные турбины при более низких скоростях ветра, и, конечно, значительно меньшую мощность при более высоких скоростях, на которые рассчитаны другие турбины.Это ожидается, поскольку оптимизированная турбина имеет большую площадь охвата и была настроена для работы с низкой скоростью ветра.

Умножая мощность генератора на вероятность скорости ветра при каждой скорости ветра, мы можем получить нормированные кривые выработки электроэнергии, показанные на рисунке 16. Вероятность пиковой мощности для этого набора данных составляет 3 м / с, с более низким пиком на кривой вероятности мощности. при 4,5 м / с. Поскольку скорость ветра на испытательном полигоне никогда не превышала 7 м / с в течение значительного периода времени, оптимизированная турбина показала, что она вырабатывает в 3-4 раза больше энергии, чем коммерческие турбины во всем доступном диапазоне скоростей ветра.Наблюдается провал в данных о вероятности ветра на уровне около 4 м / с в данных за период выборки из-за ограниченного количества данных. В целом можно ожидать довольно гладкого профиля вероятности ветра с пиком между 3,5 и 4,5 м / с на этом участке ветра.

Рис. 16.

Сравнение нормализованной ветровой энергии для различных ветряных турбин

Ожидается, что выработка энергии при ветре 5 м / с составит около 350 Вт, а в регионе, производящем этот ветер, будет производиться 4,8 часа в день. результат 1.68 кВтч выработки энергии в сутки. Если предположить, что потери при хранении в размере 30%, связанные с зарядкой / разрядкой аккумуляторов и передачей электроэнергии, приведут к получению около 1,2 кВтч полезной энергии в день, что близко к нашей первоначальной оценке 1,3 кВтч в день, необходимой для сельского жилища. Таким образом, ожидается, что специально разработанная ветряная турбина радиусом 2,25 м относительно простой конструкции будет достаточной для питания одного сельского дома в более ветреных частях ЮВА.

7. Заключение

Большинство коммерческих турбин спроектированы для относительно высоких скоростей ветра, около 10 м / с, вырабатывают незначительное количество энергии ниже 5 м / с.Взяв за отправную точку обычную 3-лопастную ветряную турбину с осевым потоком и горизонтальной осью прямого привода, мы смогли оптимизировать турбину и генератор для работы с более низкой скоростью ветра и добиться значительно более высокой выходной мощности, чем существующие коммерческие турбины при более низких скоростях ветра. Возможна дальнейшая оптимизация турбины, которая должна быть сосредоточена на форме аэродинамического профиля, весе и конструкции лопастей, а также на трении подшипников. Хотя использование лопастей большего размера увеличит стоимость и вес турбины и башни, все еще считается, что энергия ветра может быть жизнеспособной альтернативой даже в регионах с относительно слабым ветром.

.

Начальная скорость ветра 2,5 м / с 1,7 м Диаметр колеса Трехфазный генератор переменного тока 600 Вт 24 В или 48 В для гибридной ветро-солнечной системы | генератор ветровой турбины | турбогенератор Ветряная турбина 48 В

FAQ

1. В каком регионе можно установить ветряк?

Небольшие ветряные турбины следует применять в регионах с достаточными ветровыми ресурсами. Среднегодовая скорость ветра должна быть более 3 м / с, эффективная скорость ветра 3-20 м / с должна быть более 3000 ч в год.Плотность 3-20 м / с, эффективная средняя ветровая мощность должна быть более 100 Вт / м 2 .

Следует отметить, что выбор номинальной проектной скорости ВЭУ соответствует местной проектной скорости. Это существенно в использовании ветровых ресурсов и в экономическом аспекте. Испытания в аэродинамической трубе доказывают, что преобразование мощности крыльчатки вентилятора прямо пропорционально скорости ветра, то есть скорость ветра определяет выходную электрическую мощность.

2. Как рассчитать фактическую потребность в мощности в моем доме, чтобы настроить соответствующую мощность ветряных турбин?

В настоящее время аккумулятор накапливает энергию от ветряной турбины, а затем разряжается в бытовой технике. Таким образом, мощность, которая разряжается в нагрузку и своевременно заряжается ветряной турбиной, равна фактической потребности в мощности.

Рассмотрим пример: номинальная выходная мощность ветрогенератора составляет 100 Вт в час, время непрерывной работы на ветру — 4 часа.Аккумулятор можно заряжать общей емкостью 400 Втч. Только около 70% энергии батареи может быть разряжено на нагрузку, поэтому фактическая мощность, которая может быть использована от батареи, составляет 280 Втч.

Если есть:

1) Лампочка 15 Вт x 2 штуки, работа 4 часа в день, потребление 120 Втч

2) ТВ 35Вт x 1 комплект, работает 3 часа в день, потребление 105Втч

3) Радио 15 Вт x 1 шт., Работает 4 часа в день, потребление 60 Вт / ч

Выше общее потребление составляет 285 Втч в день.Если вы проектируете только установку ветряного генератора мощностью 100 Вт, общая потребляемая мощность будет больше, чем мощность ветряного генератора. При длительном использовании энергии от ветряного генератора мощностью 100 Вт это приведет к серьезным потерям электричества и повреждению аккумулятора, а также сократит срок службы аккумулятора.

Предполагается, что ветряная турбина при номинальной выработке энергии ветра и потреблении энергии, но на самом деле, из-за изменчивости ветра, прерывистого, бывают разные сильные и слабые ветра (скорость ветра), и ветер дует в течение длительного и короткого времени по-разному. (частота).Таким образом, вы должны сократить даже некоторое время работы электрических приложений, когда условия ветра плохие, чтобы защитить вашу батарею. Если вашего бюджета достаточно, то лучше будет установить дизель-генераторную установку или одновременно установить солнечные батареи.

3. Как выбрать правильную емкость аккумулятора для получения энергии от ветряного генератора?

Как правило, емкость аккумулятора должна быть равна или меньше мощности ветряного генератора.

1) Генератор ветряной турбины мощностью 100 Вт соответствует батарее 120 Ач (60 Ач x 2 шт.)

2) Ветрогенератор мощностью 200 Вт соответствует батарее 120-180 Ач (60 или 90 Ач x 2 шт.)

3) ветряной генератор мощностью 300 Вт соответствует батарее 240 Ач (120 Ач x 2 шт.)

4) ветряной генератор мощностью 750 Вт соответствует батарее 240 Ач (120 Ач x 2 шт.)

5) Генератор ветровой турбины мощностью 1000 Вт соответствует батарее 360 Ач (60 Ач x 3 шт.)

Наша служба

1.После того, как клиенты разместят заказ в нашем магазине и завершат оплату, мы подготовим посылку примерно за 7 дней до отправки.

2. Мы дадим положительные отзывы нашим клиентам, когда получим платеж, выпущенный системой Aliexpress. Так что надеемся, что вы также сможете оставить положительные отзывы о нашем сервисе. Если вы не удовлетворены нашими продуктами или услугами, вы также можете связаться с нами напрямую. Мы приглашаем вас поделиться своими ценными предложениями.

3. На все сообщения и электронные письма будет дан ответ в течение 1 рабочего дня. Если вы не получили наш ответ, пожалуйста, повторно отправьте свое сообщение или электронные письма, и мы ответим вам как можно скорее.

4. Перед размещением заказа, пожалуйста, оставьте нам ключевые параметры, чтобы мы могли подготовить продукты для вас как можно скорее, чтобы сократить время доставки.

,

400 Вт, 12 В / 24 В, ветряная турбина, с контроллером ветра 600 Вт, низкая скорость ветра, трехфазные, 3/5 лопасти для домашнего использования | ветряная турбина | ветряная турбина, ветряная турбина, ветряная турбина

Трехфазные 3/5 лопасти с низкой пусковой скоростью для домашнего использования

1. Низкая скорость ветра 2 м / с запускает ветрогенератор.

Это наиболее очевидное преимущество данного ветрогенератора среди продуктов такого же уровня на рынке, которые обеспечивают высокий уровень использования энергии ветра.

2. Выход постоянного тока, встроенный контроллер

Конструкция контроллера обеспечивает стабильную выработку электроэнергии. Выходное напряжение 12 В или 24 В постоянного тока может автоматически распознаваться.

3. Низкая неисправность и высокая способность противостоять тайфуну

Вентилятор

имеет уникальную конструкцию, обеспечивающую плавность хода фюзеляжа, отсутствие шума, лопасти из нейлоновых композитных материалов и, благодаря оптимизации аэродинамического дизайна и конструкции конструкции, начальная скорость ветра низкая, высокий коэффициент использования энергии ветра, увеличение генерирующие мощности.Кормовой руль имеет конструкцию автоматического рыскания, более сильную способность противостоять тайфуну, безопасную и надежную работу.

4. Функция горизонтального вала.

Генератор ветряной турбины может автоматически регулировать угол в соответствии с направлением ветра за счет конструкции с горизонтальным валом.

5. Срок службы 15 лет.

Благодаря внутренней лабиринтной конструкции двигателя, все внешние крепежи изготовлены из высокопрочной нержавеющей стали, поэтому он имеет лучший защитный эффект, водонепроницаем (IP65) и более эффективно предотвращает попадание песка.

6. Структура проста и надежна, красивый внешний вид, сильная мобильность.

1. Ветряная турбина

2. 3/5 шт. Лезвий

3. Узел ветряных турбин

4. Винтовые болты и конус.

5. Регулятор ветра

.

Ветряная турбина | технология | Британника

Ветряная турбина , устройство, используемое для преобразования кинетической энергии ветра в электричество.

ветряная турбина Компоненты ветряной турбины. Encyclopædia Britannica, Inc.

Ветряные турбины бывают нескольких размеров, с небольшими моделями, используемыми для обеспечения электроэнергией сельских домов или коттеджей, и моделями в масштабе сообщества, используемыми для обеспечения электричеством небольшого количества домов в сообществе. В промышленных масштабах многие большие турбины собираются в ветряные электростанции, расположенные в сельской местности или на море.Термин ветряная мельница , который обычно относится к преобразованию энергии ветра в энергию для измельчения или перекачивания, иногда используется для описания ветряной турбины. Однако термин ветряная турбина широко используется в основных ссылках на возобновляемые источники энергии ( см. Также ветровая энергия).

Типы

Существует два основных типа ветряных турбин, используемых при реализации ветроэнергетических систем: ветровые турбины с горизонтальной осью (HAWT) и ветровые турбины с вертикальной осью (VAWT).HAWT являются наиболее часто используемым типом, и каждая турбина имеет две или три лопатки или диск, содержащий множество лопаток (многолопастный тип), прикрепленных к каждой турбине. VAWT способны справляться с ветром, дующим с любого направления, и обычно сделаны с лезвиями, которые вращаются вокруг вертикального столба.

HAWT характеризуются как устройства с высокой или низкой прочностью, в которых под прочностью понимается процентная доля рабочей площади, содержащей твердый материал. Высокопрочные HAWT включают многолопастные типы, которые покрывают всю площадь, охватываемую лопастями, твердым материалом, чтобы максимально увеличить общее количество ветра, соприкасающегося с лопастями.Примером высокопрочного HAWT является турбина с несколькими лопастями, используемая для перекачивания воды на фермах, часто встречающаяся в ландшафтах американского Запада. В низкопрочных HAWT чаще всего используются две или три длинные лопасти и они напоминают по внешнему виду воздушные винты. HAWT с низкой прочностью имеют низкую долю материала в рабочей области, что компенсируется более высокой скоростью вращения, используемой для заполнения рабочей области. HAWT с низкой прочностью — это наиболее часто используемые коммерческие ветряные турбины, а также тип, который чаще всего представлен в СМИ.Эти HAWT обеспечивают максимальную эффективность при производстве электроэнергии и, следовательно, являются одними из самых экономичных используемых конструкций.

Получите эксклюзивный доступ к контенту нашего 1768 First Edition с подпиской. Подпишитесь сегодня

Менее используемые, в основном экспериментальные VAWT включают конструкции, которые различаются по форме и способу использования энергии ветра. VAWT Дарье, в котором используются изогнутые лезвия с изогнутой аркой, стал наиболее распространенным VAWT в начале 21 века. VAWT H-типа используют два прямых лезвия, прикрепленных к каждой стороне башни в H-образной форме, а VAWT V-типа используют прямые лезвия, прикрепленные под углом к ​​валу, образуя V-образную форму.Большинство VAWT экономически неконкурентоспособны с HAWT, но сохраняется интерес к исследованиям и разработкам VAWT, особенно для построения интегрированных систем ветроэнергетики.

Оценка выработки электроэнергии

Согласно закону Беца, максимальное количество энергии, которое может генерировать ветровая турбина, не может превышать 59 процентов кинетической энергии ветра. Учитывая это ограничение, ожидаемая мощность, генерируемая конкретной ветряной турбиной, оценивается по кривой мощности скорости ветра, полученной для каждой турбины, обычно представленной в виде графика, показывающего соотношение между генерируемой мощностью (киловатты) и скоростью ветра (метры в секунду).Кривая мощности скорости ветра меняется в зависимости от переменных, уникальных для каждой турбины, таких как количество лопастей, форма лопастей, рабочая площадь ротора и скорость вращения. Чтобы определить, сколько энергии ветра будет генерироваться конкретной турбиной в конкретном месте расположения, кривую мощности ветра турбины необходимо связать с частотным распределением скорости ветра для этого места. Распределение частоты скорости ветра представляет собой гистограмму, представляющую классы скорости ветра и ожидаемую периодичность часов в году для каждого класса скорости ветра.Данные для этих гистограмм обычно предоставляются измерениями скорости ветра, собранными на месте и используемыми для расчета количества часов, наблюдаемых для каждого класса скорости ветра.

Приблизительную оценку годового производства электроэнергии в киловатт-часах в год на объекте можно рассчитать по формуле, умножающей среднегодовую скорость ветра, площадь охвата турбины, количество турбин и коэффициент, оценивающий производительность турбины на объекте. Однако дополнительные факторы могут снизить годовые оценки производства энергии в разной степени, включая потери энергии из-за расстояния передачи, а также доступность (то есть, насколько надежно турбина будет вырабатывать энергию при дующем ветре).К началу 21 века большинство коммерческих ветряных турбин работали с готовностью более 90 процентов, а некоторые даже работали с уровнем готовности 98 процентов.

,
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *