Плюсы и минусы вертикальных ветрогенераторов, их виды и особенности. Ветрогенераторы: принцип работы и разделение видов, преимущества и недостатки использования Виды ветряных генераторов

Типы ветрогенераторов

Ветряки можно различать по:
— количеству лопастей;
— типу материалов лопастей;
— вертикальному или горизонтальному расположению оси установки;
— шаговому варианту лопастей.

По конструкции ветрогенераторы делятся по количеству лопастей, одно, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Наличие большого числа лопастей позволяет вращать их очень малому ветру. Конструкцию лопастей можно разделить на жесткую и парусную. Парусные ветряки дешевле других, но нуждаются в частом ремонте.

Один из видов ветрогенераторов — горизонтальный

Ветрогенератор вертикального исполнения начинают вращаться при малом ветре. Им не нужен флюгер. Однако по мощности они уступают ветрякам с горизонтальной осью. Шаг лопастей ветрогенераторов может быть фиксированным или изменяемым. Изменяемый шаг лопастей дает возможность увеличивать скорость вращения. Эти ветряки дороже. Конструкции ветряка с фиксированным шагом надежны и просты.

Вертикальный генератор

Эти ветряки менее затратные в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте. Также они имеют меньше движущихся частей, легче в ремонте и производстве. Такой вариант установки нетрудно изготовить своими руками.

Ветрогенератор вертикального исполнения

Конструкция ветрогенератора с оптимальными лопастями и своеобразным ротором дает высокий КПД и не зависит от направления ветра. Ветрогенераторы вертикальной конструкции бесшумные. Вертикальный ветрогенератор имеет несколько типов исполнения.

Ортогональные ветрогенераторы

Ортогональный ветрогенератор

Такие ветряки имеют несколько параллельных лопастей, которые устанавливаются на расстоянии от вертикальной оси. На работу ортогональных ветряков не влияет направление ветра. Устанавливаются они на уровне земли, что облегчает монтаж и эксплуатацию установки.

Ветрогенераторы на основе ротора Савониуса

Лопасти этой установки представляют собой особые полуцилиндры, которые создают высокий крутящий момент. Из недостатков этих ветряков можно выделить большую материалоемкость и не высокую эффективность. Для получения высокого крутящего момента с ротором Савониуса устанавливают еще ротор Дарье.

Ветряки с ротором Дарье

Наряду с ротором Дарье эти установки имеют ряд пар лопастей с оригинальной конструкцией для улучшения аэродинамики. Достоинством этих установок является возможность их монтажа на уровне земли.

Геликоидный ветрогенераторы.

Они представляют собой модификацию ортогональных роторов с особой конфигурацией лопастей, что дает равномерное вращение ротора. За счет снижения нагрузки на элементы ротора срок их службы увеличивается.

Ветрогенераторы на основе ротора Дарье

Многолопастные ветровые установки

Многолопастные ветровые генераторы

Ветряки такого типа представляют собой измененный вариант ортогональных роторов. Лопасти на этих установках устанавливаются в несколько рядов. Направляет ветровой поток на лопасти первый ряд неподвижных лопастей.

Парусный ветрогенератор

Основное достоинство такой установки — это способность работать при небольшом ветре от 0,5 м/с. Парусный ветрогенератор устанавливается в любом месте, на любой высоте.

Парусный ветрогенератор

Из преимуществ можно выделить: маленькую скорость ветра, быструю реакцию на ветер, легкость конструкции, доступность материала, ремонтопригодность, возможность изготовить ветряк своими руками. Недостаток — это возможность поломки при сильном ветре.

Ветрогенератор горизонтальный

Эти установки могут иметь разное число лопастей. Для работы ветрогенератора важно выбрать правильное направление ветра. Эффективность работы установки достигается небольшим углом атаки лопастей и возможности их регулировки. У таких ветрогенераторов небольшие габариты и вес.

Современный кинетический ветрогенератор позволяет воспользоваться силой воздушных потоков, преобразовав ее в электричество. Для этой цели существуют заводские и самодельные модели устройств, которые применяют как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

Мы расскажем о том, как устроены ветряки этого типа, познакомим с особенностями устройства и конструктивными вариантами. В предложенной нами статье приведены слабые и сильные стороны ветряной энергетической установки. Самостоятельные мастера у нас найдут полезные схемы и рекомендации по сборке.

В основу функционирования ветрогенератора положена трансформация кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электроэнергию.

Принцип работы достаточно прост: вращение лопастей, закрепленных на оси устройства, приводит к круговым движениям роторгенератора, благодаря чему вырабатывается электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из наиболее перспективных отраслей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически эффективно применять силу воздушных потоков, используя ее для выработки электричества

Получаемый нестабильный переменный ток «стекает» в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, способное зарядить батареи. Оттуда питание поступает на инвертор, где оно трансформируется в переменное напряжение с показателем 220/380 В, которое и подается потребителям.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), рассчитывается согласно формуле N=pSV 3 /2, где V – скорость ветра, S – рабочая площадь, p – плотность воздуха.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

На приведенной схеме представлено внутреннее устройство классического горизонтального ветряного генератора. Такие модели наиболее часто используются как в промышленности, так и в быту

Промышленные устройства представляют собой сложную многометровую конструкцию, для установки которой требуется фундамент, в то время как бытовая модель может состоять из минимума компонентов (электродвигателя постоянного тока 3-12В, электроконденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Типовая установка включает в себя следующие составные части:

генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветровых потоков);
лопасти, которые передают вращение к валу генератора (часто они дополнительно оснащены редукторами, стабилизаторами скорости вращения ротора);
мачта ветряка, к которой крепятся лопасти (чем выше находятся эти элементы, тем большее количество ветровой энергии они могут получить);
аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии. Батарея также выполняет функцию стабилизации электрической энергии, поступившей от генератора;
контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет учитывать, куда движутся потоки воздуха;
АВР – устройство автоматического переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями, электросетью);
датчик направления ветров – прибор, облегчающий лопастям поиск ветрового потока;
инвертор для преобразования постоянного тока из аккумуляторов в переменное напряжение, которое применяется в электрокоммуникациях.

Для более полного удовлетворения пользовательских потребностей прибор может быть снабжен различными типами инверторов:

приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей квадратную синусоиду. Устройства этого типа подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и иных приборов, нетребовательных к качеству сети;
инверторы трехфазного напряжения, рассчитанные для трехфазных электросетей;
установки с чистой синусоидой, которые производят энергию для более чувствительной техники;
инверторы сетевые, способные функционировать без батарей. Подобные устройства предназначены для схем, предполагающих попадание электрической энергии непосредственно в общую сеть.

При выборе моделей следует обязательно обращать внимание на разновидность инвертора.

Типы ветряных генераторов

При классификации ветротурбин могут учитываться такие характеристики как:

назначение;
конструктивные особенности;
число лопастей;
материалы, из которых они изготовлены;
ось вращения;
шаг винта.

Рассмотрим подробно две наиболее часто используемые классификации.

Классификация ветрогенераторов по назначению

Выделяют разновидности ветроустановок, отличающиеся назначением. От этого зависят и основные характеристики устройств, например, мощность.

Промышленные ветряные турбины

Такие устройства устанавливаются крупными энергетическими компаниями либо государством для снабжения электроэнергией промышленных объектов. Турбины, имеющие мощность в десятки мегаватт, обычно размещаются на ветряных участках (открытых возвышенностях, побережьях).

Ветропарки, где устанавливаются десятки ветряных турбин, разбиваются не только на земле, но и на мелководье. Получаемое электричество обычно применяется в промышленных целях

Выработанная электроэнергия, как правило, поступает прямо в сеть, при этом для стабильности и регулирования частоты вращения лопастей ветротурбины оснащаются дополнительными механизмами.

Коммерческие ветровые генераторы

Такие установки используются для получения электроэнергии на продажу или для обеспечения электричеством производств в регионах с маломощной электросетью (либо с полным ее отсутствием). Подобные ветроэлектростанции состоят из скопления электрогенераторов, которые могут иметь разную мощность.

Энергия коммерческих установок может поступать непосредственно в электрические коммуникации либо использоваться для зарядки большого массива батарей, где она скапливается и преобразуется для подачи в энергосистему.

Бытовые ветряные устройства

Агрегаты малой мощности применяются для частного использования. Согласно правилам, ветряки с мачтами высотой менее 25 метров могут устанавливаться хозяевами участков без согласования с властями, для более высоких мачт необходимо получить особое разрешение.

Ветряки слабой и средней мощности могут служить источником электрической энергии для коттеджей, дач, загородных домов, фермерских хозяйств

Бытовые ветрогенераторы подходят для зарядки аккумуляторов с напряжением 12/24/48В, энергия из которых трансформируется в напряжение 220 Вольт. Такие устройства позволяют полностью или частично решить проблему с питанием электроэнергией небольших объектов, которые располагаются вдали от централизованной электросети.

С ориентирами выбора ветрогенератора для обеспечения энергией частного дома , посвященная этому интересному вопросу.

Разновидности конструкций ветряков

По конструктивным особенностям устройства также можно разделить на ряд категорий, хотя все разновидности сводятся к двум основным типам: и горизонтальные.

Классические горизонтальные ветрогенераторы

Подобные установки (их также называют пропеллерными или крыльчатыми) обычно имеют 3-5 лопастей, установленных на горизонтальной оси. Вращаясь с высокой скоростью, такие элементы позволяют получить максимальное количество энергии (КИЭВ до 0.4).

При этом количество выработанной электроэнергии во многом зависит от высоты устройства (чем оно выше, тем больше результат).

Горизонтальный ветрогенератор использует подъемную силу, возникающую при возрастании давления в точке, где прямой воздушный поток проходит сквозь лопасти, отражаясь от этих элементов

Подобные устройства обычно устанавливаются в ветропарках, где вырабатывается энергия для промышленного и коммерческого использования, однако они подходят и для бытового применения.

Вертикальные ветровые турбины

Действующим элементом подобных установок является вращающееся ветроколесо. Из-за конструктивных особенностей подобные конструкции различаются по типам («Бочка», «Савониус»).

Несмотря на низкий показатель КИЭВ (0.1-0.2), они находят достаточно широкое применение: вертикальные установки действуют на турбулентных потоках воздуха, благодаря чему их можно размещать даже в районах, где редко дуют сильные ветра.

Работа вертикальных ветрогенераторов не зависит от направления ветров. Они просты в монтаже и эксплуатации, к тому же такие устройства можно ставить близко к земле

Для повышения результативности вертикальных ветряков производители часто повышают их размерные параметры, что приводит к значительному увеличению стоимости. Поскольку подобные установки достаточно хрупки, им требуется повышенная защита от ураганов и других природных явлений.

Ветрогенераторы «Ротор Дарье»

Такие устройства относятся к категории вертикальных ветряных турбин, однако имеют выраженные отличия в конструкции. Благодаря подобным особенностям, достигается понижение шума, а также вырастает КИЭВ, который приближается к показателям горизонтальных моделей.

Предложенная в 1931 году французским авиаконструктором Жоржем Дарье турбина низкого давления с осью вращения, перпендикулярной воздушной среде, нашла широкое применение в ветроэнергетике

Недостатком подобных конструкций является низкий стартовый момент (из-за наличия всего двух лопастей устройству сложно стартовать самостоятельно). Для решения проблемы часто применяется гибрид «Савониус+Дарье».

Парусные ветровые установки

Для подобных установок может применяться принцип устройства как вертикального, так и горизонтального ветряков. Основной конструктивной особенностью является ветроколесо, покрытое множеством лопастей или парусов, при этом аэродинамический профиль у таких моделей отсутствует.

Существует множество моделей парусных ветряных генераторов, которые различаются по количеству лопастей, весу, мощности. Все эти параметры следует учитывать при выборе устройства

Несмотря на то, что парусные установки отличаются тихоходностью и небольшой эффективностью, их часто применяют в народном хозяйстве. Подобные конструкции легки в монтаже и эксплуатации, а сочетание высокого крутящего момента с низкими оборотами позволяет напрямую приводить в движение различные полезные механизмы, например, насос для выкачивания воды.

Генератор для ветровой турбины

Для функционирования ветряков необходимы обычные трехфазные генераторы. Конструкция таких устройств аналогична моделям, применяемым на автомобилях, но имеет большие параметры.

В приборах для ветряных турбин предусмотрена трехфазная обмотка статора (соединение по типу «звезда»), откуда выходят три провода, идущие на контроллер, где происходит трансформация переменного напряжения в постоянное.

Ротор генератора для ветротурбины изготовляется на неодимовых магнитах: в подобных конструкциях нецелесообразно использовать электровозбуждение, поскольку катушка потребляет много энергии

Для повышения оборотов нередко применяется мультипликатор. Такое приспособление позволяет увеличить мощность действующего генератора или использовать устройство меньшего размера, что снижает стоимость установки.

Мультипликаторы чаще применяются в вертикальных ветрогенераторах, у которых процесс вращения ветроколеса осуществляется медленнее. Для горизонтальных устройств с высокой скоростью вращения лопастей мультипликаторы не требуются, что упрощает и удешевляет конструкцию.

Специфика сборки и монтажа ветрогенератора и ветроустановки подробно изложена в рекомендуемых нами статьях.

Плюсы и минусы ветрогенератора

Рассмотрим подробно достоинства и недостатки ветротурбин, так как именно от них зависит решение приобрести ветряк или отказаться от него.

Достоинства ветряных устройств

К числу преимуществ устройств, использующих ветровую энергию, относятся:

Экологичность. Установки используют возобновляемый источник энергии, которым можно пользоваться постоянно, не нанося ущерба окружающей среде. Электричество, вырабатываемое ветрогенераторами заменяет энергию тепловых электростанций, уменьшая выброс парниковых газов.
Универсальность . Ветровые электростанции можно строить практически всюду: на равнинах, в горах, на полях, на островах и даже на мелководье. Ветровая энергия особенно ценится в удаленных местах, куда сложно протянуть привычные электрические коммуникации. Ветрогенераторы в этом случае позволяют наладить энергоснабжение объектов, обеспечивая ему независимость от случайных факторов (например, от не доставленного вовремя топлива).
Эффективность использования . Современные модели перерабатывают энергию даже слабых ветров – минимальный предел составляет 3,5 м/с. Подобным образом можно производить допоставку электроэнергии в централизованную сеть, а также организовать электроснабжение отдельных объектов (островных либо локальных) вне зависимости от их мощности.
Достойная альтернатива традиционным источникам. Стационарные ветровые электростанции могут полностью обеспечить электричеством жилой дом или даже некрупный производственный объект. В этом случае турбина будет накапливать в аккумуляторах требуемый запас электроэнергии, предназначенный для использования во время безветренных периодов.
Экономичность. По сравнению с традиционными источниками электрической энергии (газ, торф, каменный уголь, нефть), велотурбины позволяют значительно снизить энергозатраты. Во многих случаях постройка ветроэлектростанции обходится дешевле, нежели подключение к существующим энергосистемам.

Применение ветряков может выступать альтернативой использованию дорогостоящих дизельных генераторов, дополнительно снижая затраты на транспортировку и хранение горючего до 80%.

Усредненная мощность ветротурбины в разы отличается от показателя пиковой нагрузки. Ветрогенератор отвечает лишь за величину выработки энергии за определенный промежуток времени при среднемесячной скорости ветра, характерной для данной местности.

Для более точной оценки ветровых ресурсов можно воспользоваться специально выведенными данными (параметрами Вейбулла). Эти показатели отражают характерное для конкретной местности распределение ветров разной силы. Подобные сведения важно учитывать при разработке проектов ветропарков, мощность которых составляет десятки МВт.

Вырабатываемая ветротурбиной мощность пропорциональна утроенной скорости ветра. Следовательно, этот показатель очень мал при слабых ветровых потоках, однако при их усилении – резко возрастает. Из-за переменчивости направления ветров и их скорости при конструкции ветровой турбины необходимо предусмотреть стабилизирующие компоненты.

Правила и формулы для расчета мощности ветрогенератора , рекомендуем ознакомиться с весьма полезной информацией.

В небольших автономных системах их функцию выполняют батареи, заряд которых начинает увеличиваться, как только мощность ветрогенератора превысит показатель нагрузки.

При росте нагрузки батарея может разрядиться. Такую особенность работы важно учитывать при выборе бытового агрегата, его мощность должна совпадать с месячной или годовой нормой потребления электроэнергии

Следует отметить, что эффективному применению ветровых потоков способствует разнообразие конструкций ветрогенераторов.

Горизонтальные турбины дают высокие показатели на равнинных местах, где много ветров, тогда как вертикальные турбины лучше работают в регионах с турбулентными потоками, наблюдающимися низко от земли (в верхней части холмов, горных хребтах).

Главные недостатки ветряков

В тоже время, у ветряков есть и свои негативные стороны:

Величину силы ветра сложно предсказать заранее, так как она часто меняется. Из-за этого желательно продумать подстраховку, предусмотрев дублирующий источник энергии (солярные панели, подключение к электросети).
Вертикальные устройства подвергаются опасности разрушения лопастей винта из-за воздействия центробежных сил при вращении лопастей вокруг главной оси. Вследствие подобного эффекта важные элементы конструкции со временем деформируются и разрушаются, а механизм выходит из строя.
Ветряки лучше устанавливать на свободном пространстве, поскольку расположенные рядом здания могут «гасить» ветер, образуя «мертвую» воздушную зону.
Для сохранения избыточной энергии ветротурбин необходимо предусмотреть в конструкции использование аккумуляторов и других дополнительных приборов, служащих для преобразования полученного электричества в ток с подходящими потребительскими характеристиками.
При работе ветряные генераторы издают шум, который может причинять дискомфорт людям, отпугивать животных. Лопасти установок могут также стать причиной гибели подлетевших к ним птиц.
По мнению некоторых специалистов, ветротурбины способны ухудшать прием радио- и телевизионных передач.

К негативным моментам можно также отнести довольно высокую стоимость подобных агрегатов, однако дешевизна источника энергии во многом нивелирует этот фактор.

Схемы и способы подключения

Хотя ветроустановка может работать и автономно, значительно лучшего результата удается достичь при помощи комбинированных схем, предусматривающих сочетание ветрового устройства с солнечными батареями, централизованной электросетью, дизельными или газовыми источниками энергии.

Автономная работа . В этом случае ставится единичная установка, при помощи которой улавливается и накапливается ветровая энергия, которая затем преобразуется в необходимый потребителям электрический ток.

На схеме продемонстрирован наиболее простой способ применения ветрогенератора, который целесообразно использовать в регионах, где постоянно дуют сильные ветра

Совмещение ветрогенератора с солнечными панелями . Комбинированный вариант считается надежным и эффективным способом электроснабжения. В случае отсутствия ветра аккумулятор работает от , а в пасмурную погоду и в течение ночи зарядка происходит от ветровой установки.

Идеальный вариант для частного дома или хозяйства, расположенного вдали централизованной электросети. Такая комбинированная схема позволяет использовать два вида возобновляемой энергии

Комбинированная работа ветрогенератора и электросети . Ветротурбину можно совмещать с элетрокоммуникациями.

Подобная схема типична для промышленных и коммерческих устройств. Подключение к электрокоммуникациям предусматривают также некоторые модели бытовых ветрогенераторов

При избытке произведенного электричества оно поступает в централизованную сеть, а при его недостатке имеется возможность воспользоваться электрическим током из общей энергосистемы.

Нюансы применения ветрогенераторов

В настоящее время ветряные турбины используются в различных сферах народного хозяйства. Промышленные модели разной мощности применяются нефтегазовыми, телекоммуникационными компаниями, буровыми и геолого-разведочными станциями, производственными объектами и государственными учреждениями.

Ветряк может использоваться в качестве дополнительного источника энергии в больницах и других учреждениях, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии в аварийных ситуациях

Особо следует отметить важность применения ветряных установок для оперативного восстановления нарушенного электричества при катаклизмах и стихийных бедствиях. С этой целью ветрогенераторы часто применяются подразделениями МЧС.

Бытовые ветротурбины прекрасно подходят для организации освещения и отопления коттеджных поселков и частных домов, а также для хозяйственных целей на фермах.

При этом следует учесть некоторые моменты:

Устройства до 1 кВт могут дать достаточное количество электроэнергии лишь в ветряных местах. Обычно выработанной ими энергии хватает лишь на светодиодное освещение и питание мелких электронных приборов.
Чтобы полностью обеспечить электричеством дачу (загородный домик) понадобится ветряной генератор мощностью свыше 1 кВт. Такого показателя достаточно для питания осветительных приборов, а также компьютера и телевизора, однако его мощности недостаточно, чтобы снабдить электричеством круглосуточно работающий современный холодильник.
Для обеспечения энергией коттеджа понадобится ветряк мощностью 3-5 кВт, однако даже такого показателя не хватит для отопления домов. Чтобы воспользоваться подобной функцией необходим мощный вариант, начиная от 10 кВт.

При выборе модели следует учесть, что показатель мощности, указанный на устройстве, достигается лишь при максимальной скорости ветра. Так, установка в 300В будет вырабатывать указанное количество энергии лишь при скорости потоков воздуха в 10-12 м/с.

Желающим соорудить ветрогенератор собственными руками мы предлагаем , в которой детально изложена полезная информация.

Выводы и полезное видео по теме

На представленном ниже видеоролике дается подробная информация о принципе работы и устройстве бытовой модели ветряного генератора:

Ветрогенератор – отличный источник производства электрической энергии, который особенно оценят жители отдаленных мест. Различные российские и зарубежные предприятия предлагают большой ассортимент ветряных конструкций, кроме того, бытовые модели можно сделать и своими руками.

Пишите, пожалуйста, комментарии в находящемся ниже блоке. Расскажите о том, как сооружали ветряной генератор на вашем участке, или о том, как работает ветряк у ваших соседей. Задавайте вопросы, делитесь полезной информацией и фото по теме.

Прежде чем заняться подбором ветрогенератора выясним, какие они бывают. Итак, их условно разделяют на:

Карусельные – они имеют ось вращения вертикальную;
Крыльчатые – имеют ось вращения горизонтальную;

Карусельные ветрогенераторы

Главным плюсом будет то, что такой тип установки при увеличении скорости ветра довольно быстро набирает силу тяги, после чего ее скорость вращения практически все время постоянна и не изменяется. Ей не требуется никаких дополнительных устройств и систем, так как она сама в состоянии определить «откуда дует ветер». Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять довольно таки простые электрические схемы соединения, например схему с асинхронным генератором.

Но в большинстве случаев в карусельных установках применяют еще и повышающие редукторы – мультиплексоры, что значительно снижает их КПД. Эксплуатация без мультиплексора довольно проблемная, так как тихоходные многополюсные генераторы не слишком распространены.

Крыльчатые ветрогенераторы

Они имеют довольно большую скорость вращения, что позволяет соединять их с генераторами электрического тока без редукторов (мультиплексоров).

Лопасти данного устройства располагаются вертикально-перпендикулярно воздушному потоку. Чтоб достичь этого применяют специальные устройства – стабилизаторы. Более того, у крыльчатых ветрогенераторов более высокий коэффициент использования энергии ветра. Как правило, установки с количеством лопастей более трех на практике не применяются, это вызвано тем, что скорость их вращения обратно пропорциональна количеству лопастей.

Простота изготовления, а также скорость вращения, способствующая прямому соединению ветряка с электрическим генератором, обусловили довольно широкое распространение крыльчатых ветрогенераторов.

Неисчерпаемая энергия, которую несут с собой воздушные массы, всегда привлекала внимание людей. Наши прадеды научились запрягать ветер в паруса и колеса ветряных мельниц, после чего он два столетия бесцельно носился по необозримым просторам Земли.

Сегодня для него вновь нашлась полезная работа. Ветрогенератор для частного дома из разряда технических новинок становится реальным фактором нашего быта.

Давайте поближе познакомимся с ветряными электростанциями, оценим условия их рентабельного применения и рассмотрим существующие разновидности. Домашние умельцы получат в нашей статье информацию для размышления по теме самостоятельной сборки ветряка и устройствах, необходимых для его эффективной работы.

Что такое ветрогенератор?

Принцип работы бытовой ветряной электростанции прост: воздушный поток вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора и создает в его обмотках переменный ток. Полученное электричество запасается в аккумуляторах и по мере необходимости расходуется бытовыми приборами. Конечно, это упрощенная схема работы домашнего ветряка. В практическом плане он дополняется устройствами, выполняющими преобразование электричества.

Сразу за генератором в энергоцепочке стоит контроллер. Он преобразует трехфазный переменный ток в постоянный и направляет его на зарядку аккумуляторов. Большинство бытовых приборов не может работать от «постоянки», поэтому за аккумуляторами ставится другое устройство – инвертор. Он выполняет обратную операцию: превращает постоянный ток в бытовой переменный напряжением 220 Вольт. Понятно, что эти преобразования не проходят бесследно и забирают от исходной энергии довольно приличную часть (15-20%).

Если ветряк работает в паре с солнечной батареей или другим генератором электричества (бензиновым, дизельным), то схема дополняется автоматическим выключателем (АВР). При отключении основного источника тока, он активирует резервный.

Для получения максимальной мощности ветряной генератор должен располагаться вдоль ветрового потока. В простых системах реализуется принцип флюгера. Для этого на противоположном конце генератора закрепляется вертикальная лопасть, разворачивающая его навстречу ветру.

В более мощных установках стоит поворотный электромотор, управляемый датчиком направления.

Основные виды ветрогенераторов и их особенности

Существует две разновидности ветрогенераторов:

С горизонтальным расположением ротора.
С вертикальным ротором.

Первый тип – самый распространенный. Он характеризуется высоким КПД (40-50%), но имеет повышенный уровень шума и вибрации. Кроме этого, для его установки требуется большое свободное пространство (100 метров) или высокая мачта (от 6 метров).

Генераторы с вертикальным ротором энергетически менее эффективны (КПД почти в 3 раза ниже, чем у горизонтальных).

К их преимуществам можно отнести простой монтаж и надежность конструкции. Низкая шумность позволяет ставить вертикальные генераторы на крышах домов и даже на уровне земли. Эти установки не боятся обледенения и ураганов. Они запускаются от слабого ветра (от 1,0-2,0 м/с) в то время, как горизонтальному ветряку нужен воздушный поток средней силы (3,5 м/с и выше). По форме рабочего колеса (ротора) вертикальные ветрогенераторы весьма разнообразны.

Роторные колеса вертикальных ветряков

Благодаря малой частоте вращения ротора (до 200 об/мин), механический ресурс таких установок существенно превышает показатели горизонтальных ветрогенераторов.

Как рассчитать и подобрать ветрогенератор?

Ветер это не природный газ, качаемый по трубам и не электроэнергия, бесперебойно поступающая по проводам в наш дом. Он капризен и непостоянен. Сегодня ураган срывает крыши и ломает деревья, а завтра сменяется полным штилем. Поэтому перед покупкой или самостоятельным изготовлением ветряка нужно оценить потенциал воздушной энергии в своем районе. Для этого следует определить среднегодовую силу ветра. Эту величину можно узнать в интернете по соответствующему запросу.

Получив вот такую таблицу, находим район своего проживания и смотрим на интенсивность его окраски, сравнивая ее с оценочной шкалой. Если среднегодовая скорость ветра получится меньше 4,0 метров в секунду, то ветряк ставить нет смысла. Он не даст нужного количества энергии.

Если сила ветра достаточна для установки ветряной электростанции, то можно переходить к следующему шагу: подбору мощности генератора.

Если речь идет об автономном энергоснабжении дома, то в расчет берут среднестатистическое потребление электроэнергии 1 семьей. Оно находится в диапазоне от 100 до 300 кВт*ч в месяц. В регионах с низким годовым ветропотенциалом (5-8 м/сек) такое количество электричества способен сгенерировать ветряк мощностью 2-3 кВт. При этом следует учитывать, что зимой средняя скорость ветра выше, поэтому выработка энергии в этот период будет больше, чем летом.

Выбор ветрогенератора. Ориентировочные цены

Цены на вертикальные отечественные ветрогенераторы мощностью 1,5-2,0 кВт находятся в диапазоне от 90 до 110 тысяч рублей. Комплектация при такой цене включает только генератор с лопастями, без мачты и дополнительного оборудования (контроллер, инвертор, кабель, аккумуляторы). Полнокомплектная электростанция вместе с монтажом обойдется дороже на 40-60%.

Стоимость более мощных ветроустановок (3-5 кВт) составляет от 350 до 450 тысяч рублей (с дополнительным оборудованием и монтажными работами).

Ветряк своими руками. Забава или реальная экономия?

Скажем сразу, что сделать ветрогенератор своими руками полноценным и эффективным непросто. Грамотный расчет ветрового колеса, передаточного механизма, подбор подходящего по мощности и оборотам генератора – отдельная тема. Мы дадим лишь краткие рекомендации по основным этапам данного процесса.

Генератор

Автомобильные генераторы и электродвигатели от стиральных машин с прямым приводом для этой цели не подходят. Они способны генерировать энергию от ветрового колеса, но она будет незначительной. Автогенераторам для эффективной работы нужны очень высокие обороты, которые не может развить ветряк.

В моторах для стиралок другая проблема. Там стоят ферритовые магниты, а для ветрогенератора нужны более производительные – ниодимовые. Процесс их самостоятельного монтажа и намотки токоведущих обмоток требует терпения и высокой точности.

Мощность устройства, собранного своими руками, как правило, не превышает 100-200 Ватт.

В последнее время среди самодельщиков пользуются популярностью мотор-колеса для велосипедов и скутеров. С позиций ветроэнергетики это мощные ниодимовые генераторы, оптимально походящие для работы с вертикальными ветровыми колесами и зарядки аккумуляторов. С такого генератора можно снимать до 1 кВт ветровой энергии.

Мотор-колесо – готовый генератор для самодельной ветряной электростанции

Винт

Проще всего изготавливаются парусный и роторный винты. Первый состоит из легких изогнутых трубок, закрепленных на центральной пластине. На каждую трубку натягиваются лопасти из прочной ткани. Большая парусность винта требует шарнирного крепления лопастей, чтобы при урагане они складывались и не деформировались.

Роторная конструкция ветрового колеса используется для вертикальных генераторов. Она проста в изготовлении и надежна в работе.

Самодельные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения работают от пропеллерного винта. Домашние умельцы собирают его из труб ПВХ диаметром 160-250 мм. Монтаж лопастей выполняется на круглой стальной пластине с посадочным отверстием для вала генератора.

Электричество сегодня считается чем-то обыденным, ведь оно есть в каждом доме. И никто не задумывается, откуда оно берется. Электричество в основной массе вырабатывается электростанциями, работающими на нефти, природном газе, ядерном топливе или угле. Эти традиционные источники представляют определенную опасность для окружающей среды, вследствие чего все большее внимание уделяется альтернативным видам энергии. К последним можно отнести ветрогенераторы, которым для выработки электричества нужен лишь ветер.

Устройство

Конструктивно ветрогенераторы в большинстве случаев предполагают наличие следующих элементов:

Лопасти турбины (пропеллер).
Турбина (вращающаяся часть).
Электрогенератор.
Ось электрогенератора.
Инвертор, преобразующий переменный ток в постоянный, для возможности зарядки батареи.
Механизм вращения лопастей.
Механизм вращения турбины.
Мачта.
Контроллер вращения(анемометр).
Демпфер.
Датчик ветра и анемоскоп.
Хвостовик анемоскопа.
Гондола и ряд других элементов.

В зависимости от вида ветрогенератора конструкция и входящие в него элементы могут разниться. К примеру, промышленные устройства также предусматривают наличие системы молниезащиты, силового шкафа, поворотного механизма, надежного фундамента, системы пожаротушения, системы изменения угла атаки лопасти, телекоммуникационной системы для передачи информации о работе ветрогенератора и так далее.

Принцип действия

Ветрогенератор представляет устройство, преобразующее энергии ветра в электрическую энергию. Прародителями современных видов ветрогенераторов являются ветряные мельницы, которые применялись для получения муки из зерен. И принцип их работы изменился ненамного: лопасти вращают вал, который передает необходимую энергию на другие элементы.

Ветер вращает лопасти, передавая крутящий момент через редуктор на вал генератора.
При вращении ротора образуется трехфазный переменный ток.
Полученный ток направляется на аккумуляторную батарею через контроллер. Аккумуляторы применяют для создания стабильности работы ветрогенератора. Генератор заряжает аккумуляторы при наличии ветра. При его отсутствии всегда можно взять энергию с аккумулятора, чтобы потребитель не прекращал получать электричество.
С целью защиты от ураганов в ветрогенераторах применяется система с уводом ветроколеса от ветра при помощи складывания хвоста, либо торможения ветроколеса электротормозом.
Для зарядки аккумуляторов ставится контроллер между ветряком и АКБ. Он отслеживает зарядку АКБ, чтобы не испортить аккумуляторы. При необходимости он может сбрасывать лишнюю энергию на определенный балласт, к примеру, большой резистор или тэны для отопления.
В аккумуляторах имеется лишь постоянное низкое напряжение рядностью 12/24/48 вольт. Однако потребителю нужно напряжение в 220 вольт, именно поэтому ставится инвертор. Это устройство преобразует постоянное напряжение в переменное, создавая напряжение в 220 вольт. Естественно, что можно обойтись и без инвентора, но придется использовать электрические приборы, специально рассчитанные на низкое напряжение.
Преобразованный ток направляется потребителю, чтобы питать отопительные батареи, освещение, телевизор и иные устройства.

В промышленных ветряках могут применяться и другие элементы, которые обеспечивают автономную работу устройства.

Типы и виды ветрогенераторов

Классифицировать ветряки можно по материалам, количеству лопастей, шагу винта и оси вращения.

Выделяют два основных типа ветрогенераторов по оси вращения:

С горизонтальной осью круглого вращения, то есть крыльчатые.
С вертикальной осью вращения, то есть «лопастные» ортогональные, «карусельные».

Горизонтальные классические ветрогенераторы имеют пропеллер (в большинстве случаев трехлопастной), а вертикальные ветряки обладают ветроколесом, которое вращается вертикально.

По количеству лопастей ветряки могут быть:

Трехлопастные и двухлопастные.
Многолопастные.

Вращение многолопастных ветряков начинается при слабом ветре, тогда как для двухлопастных и трехлопастных устройств требуется более сильный ветер. Однако каждая
дополнительная лопасть создает дополнительное
сопротивление ветроколеса, вследствие чего достигнуть рабочих оборотов генератора становится сложнее.

По материалам лопастей ветряки могут быть:

Парусные генераторы.
Жесткие лопасти ветрогенератора.

Парусные лопасти дешевле и проще в изготовлении, однако, когда необходима стабильная и надежная работа для автономного электроснабжения они не подойдут.

По шагу винта:

Изменяемый шаг винта.
Фиксированный шаг винта.

Изменяемый шаг винта дает возможность повысить диапазон эффективных скоростей работы. В то же время данный механизм неизбежно:

Усложняет конструкции лопасти.
Снижает общую надежность ветрогенератора.
Утяжеляет ветроколесо и требует дополнительного усиления конструкции.

Применение

Устройства могут использоваться в различных местах. В большинстве случаев в открытые пространства, где большой потенциал ветров:

Горы.
Мелководье.
Острова.
Поля.

В то же время ветрогенераторы современных конструкций дают возможность задействовать энергию даже слабых ветров – от 4 м/с. Благодаря им можно решать задачи электроснабжения и энергосбережения объектов любой мощности.

Стационарные ветряные электростанции в виде альтернативных источников энергии способны полностью обеспечить электрической энергией небольшой производственный объект или жилой дом. В периоды отсутствия ветра необходимый запас электроэнергии будет выбираться из аккумуляторных батарей. Они отлично могут сочетаться с фотоэлектрическими батареями, газовым или дизельным генератором.
Ветрогенераторы могут использоваться и для экономии при наличии центральной электросети.
Ветроустановки средней и малой мощности часто используются владельцами фермерских хозяйств и домов, удаленных от централизованных электросетей, в качестве автономного источника.

Достоинства и недостатки

К преимуществам можно отнести:

Энергия ветра является возобновляемой энергией. Ветер создается бесплатно и постоянно, без ущерба окружающей среде. Энергия ветра доступна в любом месте на планете.
Энергия ветра является достаточно дешевой.
Ветряные турбины находятся на мачтах, им требуется минимум места. Благодаря этому их можно устанавливать совместно с иными объектами и строениями.
Ветрогенераторы в процессе эксплуатации не производят вредных выбросов.
Энергия ветра в особенности требуется в удаленных местах, куда затруднена доставка электричества иными привычными способами.

К недостаткам можно отнести:

Сила ветра очень переменчива и непредсказуема, вследствие чего требуется дополнительный буфер для накапливания электроэнергии, либо дублирования источника.
Высокая начальная стоимость создания и установки ветрогенераторов.
Ветряные турбины создают шум, который сравним с шумом автомобиля, перемещающегося со скоростью 70 км/ч. Это отпугивает животных и создает определенный дискомфорт для людей.
Вращающиеся лопасти представляют потенциальную опасность для птиц.

Возможно, будет полезно почитать: