Вітрогенератори: принцип дії, типи, застосування, ефективність роботи

Головна
Статті і новини
Wiki-статті
Вітрогенератори: принцип дії, типи, застосування, ефективність роботи

Вітрогенератори: принцип дії, типи, застосування, ефективність роботи

Автор запису

Денис Соловей

Опубліковано 24 лют 2016

9 хв читання

1 коментар

44361

5 / 5

Зміст

Як працює вітрогенератор: принцип перетворення енергії вітру
1. Приклад
Конструкція вітряної електростанції
1. З чого складається система
2. Конструкція вітряка
Типи вітрогенераторів
Застосування і рекомендації за місцем встановлення вітрогенератора
Наші відеоогляди

Вітрогенератор (вітроелектричні установки або скорочено ВЕУ) – це прилад для перетворення енергії вітру в електричну.

Спочатку він перетворює кінетичну енергію вітру в механічну енергію ротора, а потім в електричну енергію. Потужність вітрогенератора може бути від 5 КВт до 4500 КВт. Сучасні пристрої генерують енергію навіть дуже слабкого вітру – від 4 м/с. Вітроелектричні установки можуть входити до складу приватної незалежної електростанції і дозволяють продавати зайву енергію державі за умовами «зеленого тарифу». Такі споруди можуть бути джерелом енергії для локальних і острівних об'єктів, так як вирішують проблеми енергопостачання автономно.

Як працює вітрогенератор: принцип перетворення енергії вітру

Потоки вітру обертають лопаті вітрогенератора: проходять через турбіну, що приводить її в дію і вона починає обертатися. На валу турбіни виникає енергія, яка буде пропорційна вітровому потоку. Чим сильніший вітер, тим більша кількість енергії виникає. Далі енергія передається по валу ротора на мультиплікатор (якщо він є), який її створює. Врахуйте, що продуктивнішими є пристрої без мультиплікатора, який прискорює обертання осі, тому що не створюється, а, відповідно, і не витрачається зайва енергія, а швидкості вітру цілком достатньо для оптимальної роботи вітрогенератора. Генератор перетворює механічну енергію в електричну.

Потужність вітряка вимірюється «ометаємою» площею турбіни. Чим більший розмір лопатей, тим більшу потужність він створює. Потужність вітрогенератора розраховується виходячи з кубічної залежності швидкості вітру.

Приклад

Якщо вітровий потік зі швидкістю n створює потужність 100 Вт, то потік зі значення n+1 буде створювати потужність 300 Вт, а ось n+2 – вже 900 Вт.

Тому, якщо розмір турбіни не великий, то потрібен дуже сильний потік вітру, щоб потужність була високою, і навпаки – велика турбіна може видавати ту ж потужність при слабшому вітрі.

Але для того, щоб робота вітрогенератора була збалансованою і видавала потрібну кількість енергії, потрібно на етапі проєктування правильно розрахувати всі необхідні параметри вітряної електростанції.

Конструкція вітряної електростанції

З чого складається система

Система складається з:

Конструкція вітряка

Щогла (може бути трубчастого типу або «ферма»):
Турбіна – це ротор, призначений якого перетворюти енергію прямолінійного руху повітряного потоку;
Система управління турбіною;
Генератор перетворює енергію вітру в електричну;
Ланка передачі енергії (мультиплікатор або сам вал);
Випрямляч (оскільки часто у вітряках використовуються генератори змінного струму для того, щоб правильно зарядити акумулятор або відправити енергію в мережу (побутовий сегмент));
Система азимутального приводу або хвіст (іноді встановлюються машини, у яких прикріплюється до вітряка «хвіст», він орієнтується за вітром самостійно).

Допоможемо вибрати вітрогенератор

Надіслати заявку

Типи вітрогенераторів

За потужністю та областю застосування вітрогенератори бувають

промислові (потужність від 500 КВт);
побутові (потужність 0-10 КВт).

Пристрої з потужністю від 10 до 500 КВт використовуються вкрай рідко .

За конструкцією побутові типи вітряків відрізняються будовою ротора (турбіни)

З горизонтальною віссю. Відрізняються системою управління турбіни (ротора), вона може бути:
- аеромеханічною (на лопатях встановлені спеціальні «закрилишки», які міняють кут напряму вітру: чим більша швидкість вітру, тим більший кут атаки лопатей і навпаки). Змінюючи кут атаки, ми можемо керувати турбіною як на малих, так і на великих швидкостях для ефективної та правильної роботи пристрою.
- з азимутальним приводом (електроніка фіксує швидкість і напрям вітру, повертає або відвертає турбіну від вітру, якщо швидкість вітру перевищує номінальну).
З вертикальною віссю – це малоефективні пристрої, які не рекомендовано використовувати через низку недоліків.
Вони відрізняються типом турбін:
- ротор Савоніуса (Savonius). Їх недоліком є коефіцієнт випередження. Якщо швидкість вітру 10 м/с, то закінцівка турбіни буде обертатися зі швидкістю 100 м/с, відповідно, коефіцієнт випередження – 10. Фактично вітряк не може самостійно стартувати, його потрібно розкручувати і тільки після цього він починає працювати. Якщо цього не робити, то він почне виробляти енергію тільки при швидкості вітру 10 м/с і більше.
- ротор Дар'є (Darrieus). Застосовуються хіба що як анемоскопи, так як малоефективні.

Зараз широке застосування отримали вітрогенератори з горизонтальною віссю обертання (крильчасті), завдяки тому, що у них коефіцієнт використання енергії вітрового потоку (КВЕВ) легко досягає 30% і більше, а у вітрогенераторів з вертикальною віссю обертання КВЕВ становить близько 20%.

Система побутового енергопостачання з використанням вітрогенератора схожа на систему з сонячними модулями, в одній системі можуть використовуватися як вітрогенератори, так і сонячні модулі.

Від висоти щогли і діаметра ротора залежить кількість виробленої енергії ось так: на кожні 10 метрів підйому вітряка додається 1 м/с швидкості вітру. Чим вища щогла, тим більше ймовірність того, що він буде працювати максимально ефективно. І та ж ситуація з ротором: чим більший діаметр, тим більше вироблення енергії.

Значення сили вітрового потоку для роботи вітряка

Швидкість вітру для початку обертання лопатей, при якому потужності немає взагалі – від 1,5 м/с.
Мінімальна швидкість вітру, при якій вже починається генерація потужності – 3 м/с.
Номінальна швидкість вітру (для вітрогенераторів українського виробництва) – 7-9 м/с.
Максимальна швидкість вітру, при якій вітрогенератор українського виробництва зберігає свою працездатність– 52 м/с (200 км/год), що свідчить про високу якість збірки установки і міцності матеріалів виготовлення.

Застосування і рекомендації за місцем встановлення вітрогенератора

Вітрогенератори характеризуються широким застосуванням на об'єктах різного призначення: приватні будинки і домогосподарства, підприємства, окремі споруди, які вимагають автономного енергопостачання. Їх встановлюють на відкритих, бажано підвищених територіях, де є хороший вітровий потенціал: поле, гори (пагорби), острів і навіть мілководдя. Вітрогенератори можуть встановлюватися як поодинці, так і групами, об'єднуючись у вітропарк для енергопостачання масштабних підприємств. Найчастіше вітряні електростанції застосовуються для енергопостачання автономних будинків, де відсутнє підключення до міської електромережі. Малопотужні вітряки використовуються на мисливських угіддях, рибальських станах, на дачних ділянках для бджолярів, на автономних світильники для освітлення доріг.

В даний час застосування вітрогенераторів як альтернативи центрального енергопостачання нерентабельно через велику вартість обладнання, але, в той же час, можливе використання вітрогенераторів в місцях, де відсутнє централізоване енергопостачання або присутні часті перебої. Період окупності – 25 років.

Також існує технічна можливість виконання генератора, що видає змінний струм, який можна використовувати для прямого живлення споживачів, які не потребують безперебійного живлення, наприклад, насос для осушення якій-небудь території.

В Україні на всій території можливе використання вітрогенераторів з тим чи іншим ступенем ефективності. Найвигідніше, з точки зору вітрового потенціалу, розміщувати вітрогенератори в Криму і Закарпатті.