Kinetyczny generator wiatrowy: urządzenie, zasada działania, zastosowanie

Nowoczesny generator wiatru kinetycznego pozwala wykorzystać siłę prądów powietrza, zamieniając ją na energię elektryczną.W tym celu istnieją fabryczne i domowe modele urządzeń, które znajdują zastosowanie zarówno w przemyśle, jak i w prywatnych gospodarstwach domowych.

Opowiemy Ci, jak projektowane są turbiny wiatrowe tego typu, przedstawimy cechy urządzenia i możliwości konstrukcyjne. W zaproponowanym przez nas artykule przedstawiono mocne i słabe strony elektrowni wiatrowej. Miłośnicy majsterkowania znajdą tutaj przydatne schematy i zalecenia montażowe.

Zasada działania generatora wiatrowego

Działanie generatora wiatrowego opiera się na przemianie energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną wirnika, która następnie zamieniana jest na energię elektryczną.

Zasada działania jest dość prosta: obrót łopatek przymocowanych do osi urządzenia powoduje ruchy okrężne generatora wirnikowego, wytwarzając w ten sposób prąd.

Energetyka wiatrowa to jeden z najbardziej perspektywicznych sektorów energii odnawialnej. Nowoczesne konstrukcje pozwalają w ekonomiczny sposób ujarzmić siłę prądów powietrza i wykorzystać ją do wytwarzania energii elektrycznej

Powstały niestabilny prąd przemienny „spływa” do sterownika, gdzie jest przetwarzany na napięcie stałe, które może ładować akumulatory. Stamtąd energia jest dostarczana do falownika, gdzie jest przekształcana na napięcie przemienne ze wskaźnikiem 220/380 V, które jest dostarczane do odbiorców.

Moc generatora wiatrowego zależy bezpośrednio od mocy przepływu powietrza (N), obliczonej według wzoru N=pSV³/2, gdzie V to prędkość wiatru, S to obszar roboczy, p to gęstość powietrza.

Urządzenie generujące wiatr

Różne wersje generatorów wiatrowych znacznie różnią się od siebie.

Poniższy schemat przedstawia wewnętrzną budowę klasycznego poziomego generatora wiatrowego. Takie modele są najczęściej stosowane zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym.

Urządzenia przemysłowe to złożona wielometrowa konstrukcja, której montaż wymaga fundamentu, natomiast model domowy może składać się z minimum elementów (silnik elektryczny prądu stałego 3-12V, kondensator elektryczny 1000 uF 6V, krzemowa dioda prostownicza).

Typowa instalacja obejmuje następujące komponenty:

• generator prądu przemiennego (moc zależy od prędkości przepływu wiatru);
• łopatki przenoszące obrót na wał generatora (często są dodatkowo wyposażone w przekładnie i stabilizatory prędkości wirnika);
• maszt wiatraka, do którego mocowane są łopaty (im wyższe są te elementy, tym więcej energii wiatru mogą przyjąć);
• akumulatory magazynujące energię, umożliwiające jej wykorzystanie przy słabym przepływie wiatru lub jego braku. Bateria pełni także funkcję stabilizacji energii elektrycznej dostarczanej z generatora;
• sterownik - konwerter napięcia przemiennego otrzymywanego z generatora na napięcie stałe, które służy do ładowania akumulatora. Sterowanie sterownikiem odbywa się poprzez obracanie kierownic, co pozwala uwzględnić, gdzie poruszają się strumienie powietrza;
• AVR to automatyczne urządzenie przełączające, które łączy generator wiatrowy z innymi źródłami energii (panele słoneczne, sieć energetyczna);
• czujnik kierunku wiatru - urządzenie ułatwiające ostrzom znalezienie kierunku wiatru;
• falownik do przetwarzania prądu stałego z akumulatorów na napięcie przemienne, które jest wykorzystywane w komunikacji elektrycznej.

Aby lepiej sprostać potrzebom użytkownika, urządzenie można wyposażyć w różnego rodzaju falowniki:

• urządzenia z falą sinusoidalną modyfikowaną za pomocą falownika, która wytwarza prostokątną falę sinusoidalną. Urządzenia tego typu nadają się do elementów grzejnych, żarówek i innych urządzeń, które nie wymagają jakości sieci;
• falowniki napięcia trójfazowego przeznaczone do trójfazowych sieci elektrycznych;
• jednostki czystej fali sinusoidalnej, które wytwarzają energię dla bardziej czułego sprzętu;
• falowniki sieciowe, które mogą pracować bez baterii. Takie urządzenia są przeznaczone do obwodów, w których energia elektryczna jest wprowadzana bezpośrednio do sieci ogólnej.

Wybierając modele, należy zwrócić uwagę na rodzaj falownika.

Rodzaje generatorów wiatrowych

Klasyfikując turbiny wiatrowe, można wziąć pod uwagę następujące cechy:

• spotkanie;
• cechy konstrukcyjne;
• liczba ostrzy;
• materiały, z których są wykonane;
• oś obrotu;
• skok śmigła.

Przyjrzyjmy się bliżej dwóm najczęściej stosowanym klasyfikacjom.

Klasyfikacja generatorów wiatrowych ze względu na przeznaczenie

Istnieją typy turbin wiatrowych, które różnią się przeznaczeniem. Od tego zależą główne cechy urządzeń, na przykład moc.

Przemysłowe turbiny wiatrowe

Urządzenia takie instalują duże przedsiębiorstwa energetyczne lub państwo w celu dostarczania energii elektrycznej do obiektów przemysłowych.Turbiny o mocy kilkudziesięciu megawatów są zwykle instalowane na obszarach wiatrowych (otwarte wzgórza, wybrzeża).

Farmy wiatrowe, na których instaluje się dziesiątki turbin wiatrowych, zlokalizowane są nie tylko na lądzie, ale także w płytkiej wodzie. Powstała energia elektryczna jest zwykle wykorzystywana do celów przemysłowych

Wytworzona energia elektryczna z reguły trafia bezpośrednio do sieci, natomiast dla stabilności i regulacji prędkości obrotowej łopat turbiny wiatrowe wyposażane są w dodatkowe mechanizmy.

Komercyjne generatory wiatrowe

Instalacje takie służą do wytwarzania energii elektrycznej na sprzedaż lub do dostarczania energii elektrycznej do produkcji w regionach, w których istnieje sieć elektroenergetyczna małej mocy (lub w ogóle nie ma sieci elektroenergetycznej). Takie elektrownie wiatrowe składają się z klastra generatorów elektrycznych, które mogą mieć różną moc.

Energia z instalacji komercyjnych może być dostarczana bezpośrednio do zakładów elektroenergetycznych lub wykorzystywana do ładowania dużej liczby akumulatorów, gdzie jest magazynowana i przekształcana w celu zasilania sieci.

Przydomowe urządzenia wiatrowe

Agregaty małej mocy wykorzystywane są do użytku prywatnego. Zgodnie z przepisami turbiny wiatrowe z masztami o wysokości mniejszej niż 25 metrów mogą być instalowane przez właścicieli gruntów bez zgody władz, w przypadku wyższych masztów należy uzyskać specjalne pozwolenie.

Wiatraki małej i średniej mocy mogą służyć jako źródło energii elektrycznej dla domków letniskowych, daczy, domów wiejskich i gospodarstw rolnych

Przydomowe generatory wiatrowe nadają się do ładowania akumulatorów napięciem 12/24/48 V, z którego energia zamieniana jest na napięcie 220 V.Urządzenia takie pozwalają całkowicie lub częściowo rozwiązać problem zasilania małych obiektów, które znajdują się z dala od scentralizowanej sieci energetycznej.

Z wytycznymi dotyczącymi wyboru generatora wiatrowego do dostarczania energii do prywatnego domu Przeczytaj artykułpoświęcony temu ciekawemu zagadnieniu.

Rodzaje konstrukcji turbin wiatrowych

W oparciu o cechy konstrukcyjne urządzenia można również podzielić na kilka kategorii, chociaż wszystkie odmiany sprowadzają się do dwóch głównych typów: pionowy i poziome.

Klasyczne poziome turbiny wiatrowe

Instalacje takie (zwane także śmigłem lub skrzydłem) posiadają zwykle 3-5 łopat zamontowanych na osi poziomej. Obracając się z dużą prędkością, takie elementy pozwalają uzyskać maksymalną ilość energii (KIJÓW do 0,4).

Ponadto ilość wytworzonego prądu w dużej mierze zależy od wysokości urządzenia (im wyższa, tym większy wynik).

Pozioma turbina wiatrowa wykorzystuje siłę nośną, która występuje, gdy ciśnienie wzrasta w miejscu, w którym bezpośredni przepływ powietrza przechodzi przez łopaty i odbija się od tych elementów.

Urządzenia te są zazwyczaj instalowane w farmach wiatrowych, gdzie wytwarzana jest energia do użytku przemysłowego i komercyjnego, ale nadają się również do użytku domowego.

Ciekawym rozwiązaniem dla wiatraka poziomego jest model z jedną łopatą, z jego funkcjami zapozna Państwa poniższy wybór zdjęć:

Pionowe turbiny wiatrowe

Elementem wykonawczym takich instalacji jest obrotowe koło wiatrowe. Ze względu na cechy konstrukcyjne takie konstrukcje różnią się typem („Beczka”, „Savonius”).

Poniższy wybór zdjęć zapozna Cię z zasadą pionowej turbiny generatora Savonius:

Pomimo niskiego wskaźnika KIJÓW (0,1-0,2) są one szeroko stosowane: instalacje pionowe działają na turbulentnych przepływach powietrza, dzięki czemu można je umieszczać nawet w obszarach, w których rzadko wieją silne wiatry.

Działanie pionowych generatorów wiatrowych nie jest uzależnione od kierunku wiatrów. Są łatwe w montażu i obsłudze, a urządzenia tego typu można instalować blisko podłoża

Aby poprawić wydajność pionowych turbin wiatrowych, producenci często zwiększają ich parametry wymiarowe, co prowadzi do znacznego wzrostu kosztów. Ponieważ takie instalacje są dość delikatne, wymagają zwiększonej ochrony przed huraganami i innymi zjawiskami naturalnymi.

Generatory wiatrowe „Rotor Daria”

Takie urządzenia należą do kategorii pionowych turbin wiatrowych, ale mają wyraźne różnice w konstrukcji. Dzięki takim funkcjom osiąga się redukcję hałasu, a także zwiększa się KIJÓW, co zbliża się do wydajności modeli poziomych.

W energetyce wiatrowej szerokie zastosowanie znalazła turbina niskociśnieniowa o osi obrotu prostopadłej do powietrza, zaproponowana w 1931 roku przez francuskiego projektanta samolotów Georgesa Darrieusa.

Wadą takich konstrukcji jest niski moment rozruchowy (ze względu na obecność tylko dwóch łopatek samodzielne uruchomienie urządzenia jest trudne). Aby rozwiązać problem, często stosuje się hybrydę „Savonius + Darier”.

Żeglarskie instalacje wiatrowe

W przypadku takich instalacji można zastosować zasadę budowy zarówno pionowych, jak i poziomych turbin wiatrowych. Główną cechą konstrukcyjną jest koło wiatrowe pokryte wieloma łopatami lub żaglami, podczas gdy takie modele nie mają profilu aerodynamicznego.

Istnieje wiele modeli żaglowych generatorów wiatrowych, które różnią się liczbą łopat, wagą i mocą. Wszystkie te parametry należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia

Pomimo tego, że instalacje żeglarskie charakteryzują się małą prędkością i niską wydajnością, są one często wykorzystywane w gospodarce narodowej.Takie konstrukcje są łatwe w montażu i obsłudze, a połączenie wysokiego momentu obrotowego i niskiej prędkości pozwala bezpośrednio napędzać różne przydatne mechanizmy, na przykład pompę do wypompowywania wody.

Poniższa galeria przybliży Państwu jeden z modeli żaglowych turbin wiatrowych zrealizowanych w praktyce:

Generator do turbiny wiatrowej

Turbiny wiatrowe do działania wymagają konwencjonalnych generatorów trójfazowych. Konstrukcja takich urządzeń jest podobna do modeli stosowanych w samochodach, ale ma większe parametry.

Przyrządy turbin wiatrowych posiadają trójfazowe uzwojenie stojana (połączenie w gwiazdę), z którego wychodzą trzy przewody i idą do sterownika, gdzie napięcie przemienne przetwarzane jest na napięcie stałe.

Wirnik generatora turbiny wiatrowej wykonany jest z magnesów neodymowych: w takich konstrukcjach niewłaściwe jest stosowanie wzbudzenia elektrycznego, ponieważ cewka zużywa dużo energii

Aby zwiększyć obrót, często stosuje się mnożnik.Urządzenie to pozwala na zwiększenie mocy istniejącego generatora lub zastosowanie mniejszego urządzenia, co zmniejsza koszty instalacji.

Multiplikatory częściej stosowane są w pionowych generatorach wiatrowych, w których proces obracania się koła wiatrowego jest wolniejszy. W przypadku urządzeń poziomych o dużych prędkościach obrotowych łopatek nie są wymagane mnożniki, co upraszcza i zmniejsza koszty konstrukcji.

Specyfika montażu i instalacji generatorów wiatrowych z pralki i turbin wiatrowych z generatora samochodowego jest szczegółowo opisany w polecanych przez nas artykułach.

Plusy i minusy generatora wiatrowego

Rozważmy szczegółowo zalety i wady turbin wiatrowych, ponieważ od nich zależy decyzja o zakupie turbiny wiatrowej lub rezygnacji z niej.

Zalety urządzeń wiatrowych

Do zalet urządzeń wykorzystujących energię wiatru zalicza się:

• Przyjazność dla środowiska. Instalacje wykorzystują odnawialne źródło energii, które może być wykorzystywane w sposób ciągły, nie powodując szkód dla środowiska. Energia elektryczna wytwarzana przez generatory wiatrowe zastępuje energię elektrowni cieplnych, redukując emisję gazów cieplarnianych.
• Wszechstronność. Elektrownie wiatrowe można budować niemal wszędzie: na równinach, w górach, na polach, na wyspach, a nawet na płytkich wodach. Energia wiatrowa jest szczególnie cenna w odległych miejscach, gdzie trudno jest rozszerzyć konwencjonalną komunikację elektryczną. Generatory wiatrowe w tym przypadku pozwalają na zapewnienie zaopatrzenia obiektów w energię, zapewniając jej niezależność od czynników losowych (np. niedostarczenie paliwa na czas).
• Efektywność użytkowania. Nowoczesne modele przetwarzają energię nawet słabych wiatrów – minimalna prędkość to 3,5 m/s.W ten sposób możliwe jest dostarczenie dodatkowej energii elektrycznej do sieci scentralizowanej, a także zorganizowanie zasilania poszczególnych obiektów (wyspowych lub lokalnych) niezależnie od ich mocy.
• Godna alternatywa dla tradycyjnych źródeł. Stacjonarne elektrownie wiatrowe mogą w całości dostarczyć energię elektryczną do budynku mieszkalnego lub nawet małego obiektu przemysłowego. W takim przypadku turbina będzie gromadzić niezbędny zapas energii elektrycznej w akumulatorach, przeznaczonych do wykorzystania w okresach spokoju.
• Ekonomiczny. W porównaniu do tradycyjnych źródeł energii elektrycznej (gaz, torf, węgiel, ropa naftowa) turbiny rowerowe mogą znacznie obniżyć koszty energii. W wielu przypadkach budowa farmy wiatrowej jest tańsza niż podłączenie jej do istniejących systemów elektroenergetycznych.

Zastosowanie turbin wiatrowych może być alternatywą dla stosowania drogich generatorów diesla, dodatkowo obniżając koszty transportu i magazynowania paliwa nawet o 80%.

Średnia moc turbiny wiatrowej różni się kilkukrotnie od obciążenia szczytowego. Generator wiatrowy odpowiada jedynie za ilość energii wytworzonej w określonym czasie przy średniej miesięcznej prędkości wiatru charakterystycznej dla danego obszaru.

W celu dokładniejszej oceny zasobów wiatru można wykorzystać specjalnie wyprowadzone dane (parametry Weibulla). Wskaźniki te odzwierciedlają rozkład wiatrów o różnej sile, charakterystyczny dla danego obszaru. Warto uwzględnić takie informacje przy opracowywaniu projektów farm wiatrowych o mocy kilkudziesięciu MW.

Moc wytwarzana przez turbinę wiatrową jest proporcjonalna do trzykrotnej prędkości wiatru.W konsekwencji wskaźnik ten jest bardzo mały, gdy przepływy wiatru są słabe, ale gdy się nasilają, gwałtownie rośnie. Ze względu na zmienność kierunku i prędkości wiatru, w projekcie turbiny wiatrowej należy uwzględnić elementy stabilizujące.

Zasady i wzory obliczania mocy generatorów wiatrowych są tu podane, zalecamy zapoznanie się z bardzo przydatnymi informacjami.

W małych systemach autonomicznych ich funkcję pełnią akumulatory, których ładunek zaczyna rosnąć, gdy tylko moc generatora wiatrowego przekroczy obciążenie.

W miarę wzrostu obciążenia akumulator może się rozładować. Warto wziąć tę cechę pod uwagę przy wyborze jednostki gospodarstwa domowego, jej moc musi odpowiadać miesięcznemu lub rocznemu zużyciu energii elektrycznej

Należy zaznaczyć, że efektywne wykorzystanie przepływów wiatru ułatwia różnorodność konstrukcji generatorów wiatrowych.

Turbiny poziome sprawdzają się dobrze na terenach płaskich, gdzie jest dużo wiatru, natomiast turbiny pionowe sprawdzają się lepiej w regionach o turbulentnych przepływach znajdujących się nisko nad poziomem gruntu (górne wzgórza, pasma górskie).

Główne wady turbin wiatrowych

Jednocześnie turbiny wiatrowe mają również swoje negatywne strony:

• Wielkość siły wiatru jest trudna do przewidzenia z góry, ponieważ zmienia się często. Z tego powodu warto rozważyć zabezpieczenie w postaci zapasowego źródła energii (panele słoneczne, podłączenie do sieci elektrycznej).
• Urządzenia pionowe są narażone na ryzyko zniszczenia łopatek śmigła na skutek działania sił odśrodkowych, gdy łopaty obracają się wokół głównej osi. W wyniku tego efektu z biegiem czasu ważne elementy konstrukcyjne ulegają deformacji i zniszczeniu, a mechanizm ulega awarii.
• Turbiny wiatrowe lepiej jest instalować na wolnej przestrzeni, ponieważ pobliskie budynki mogą „tłumić” wiatr, tworząc „martwą” strefę powietrza.
• Aby zaoszczędzić nadwyżkę energii z turbin wiatrowych, konieczne jest uwzględnienie w projekcie zastosowania akumulatorów i innych dodatkowych urządzeń, które służą do zamiany wytworzonej energii elektrycznej na prąd o odpowiednich charakterystykach odbiorczych.
• Generatory wiatrowe podczas pracy wytwarzają hałas, który może powodować dyskomfort u ludzi i odstraszać zwierzęta. Łopaty instalacji mogą być także przyczyną śmierci ptaków lecących w ich stronę.
• Zdaniem części ekspertów turbiny wiatrowe mogą pogarszać odbiór programów radiowych i telewizyjnych.

Do negatywnych aspektów można zaliczyć również dość wysoki koszt takich jednostek, jednak niski koszt źródła energii w dużej mierze równoważy ten czynnik.

Schematy i metody połączeń

Chociaż turbina wiatrowa może działać autonomicznie, znacznie lepsze wyniki można osiągnąć, stosując kombinowane schematy, które łączą turbinę wiatrową z panelami słonecznymi, scentralizowaną siecią energetyczną, źródłami energii diesla lub gazu.

Autonomiczna praca. W tym przypadku instalowana jest pojedyncza instalacja, za pomocą której wychwytywana i akumulowana jest energia wiatru, która następnie przetwarzana jest na prąd elektryczny potrzebny odbiorcom.

Na schemacie przedstawiono najprostszy sposób wykorzystania generatora wiatrowego, który zaleca się stosować w regionach, w których stale wieją silne wiatry

Połączenie generatora wiatrowego z panelami słonecznymi. Połączona opcja jest uważana za niezawodną i wydajną metodę zasilania. Jeśli nie ma wiatru, bateria działa dalej panele słoneczne, a przy pochmurnej pogodzie i w nocy ładowanie odbywa się z turbiny wiatrowej.

Idealna opcja dla prywatnego domu lub gospodarstwa położonego z dala od scentralizowanej sieci energetycznej. Ten połączony program pozwala na wykorzystanie dwóch rodzajów energii odnawialnej

Połączona praca generatora wiatrowego i sieci energetycznej. Turbinę wiatrową można połączyć z komunikacją elektryczną.

Układ ten jest typowy dla urządzeń przemysłowych i komercyjnych. W przypadku niektórych modeli domowych generatorów wiatrowych zapewnione jest również połączenie z komunikacją elektryczną

W przypadku wyprodukowania nadwyżki energii elektrycznej trafia ona do sieci scentralizowanej, a w przypadku niedoboru istnieje możliwość wykorzystania prądu elektrycznego z ogólnego systemu energetycznego.

Niuanse wykorzystania generatorów wiatrowych

Obecnie turbiny wiatrowe znajdują zastosowanie w różnych sektorach gospodarki narodowej. Modele przemysłowe o różnej wydajności są wykorzystywane przez firmy naftowe i gazowe, firmy telekomunikacyjne, stacje wiertnicze i badania geologiczne, zakłady produkcyjne i agencje rządowe.

Turbina wiatrowa może być wykorzystana jako dodatkowe źródło energii w szpitalach i innych instytucjach, zapewniające ciągłość zasilania w sytuacjach awaryjnych

Na szczególną uwagę zasługuje znaczenie wykorzystania turbin wiatrowych do szybkiego przywracania uszkodzonej energii elektrycznej podczas kataklizmów i klęsk żywiołowych. W tym celu jednostki Ministerstwa Sytuacji Nadzwyczajnych często wykorzystują generatory wiatrowe.

Przydomowe turbiny wiatrowe doskonale nadają się do organizacji oświetlenia i ogrzewania w osiedlach domków letniskowych i domach prywatnych, a także do celów gospodarczych w gospodarstwach rolnych.

Jest kilka punktów do rozważenia:

• Urządzenia o mocy do 1 kW mogą zapewnić wystarczającą ilość prądu tylko w wietrznych miejscach.Zwykle wytwarzana przez nie energia wystarcza jedynie do zasilania oświetlenia LED i zasilania małych urządzeń elektronicznych.
• Aby w pełni zapewnić energię elektryczną daczy (domowi wiejskiemu), potrzebny będzie generator wiatrowy o mocy ponad 1 kW. Wskaźnik ten wystarcza do zasilania opraw oświetleniowych, a także komputera i telewizora, ale jego moc nie wystarcza do dostarczenia prądu do nowoczesnej lodówki działającej przez całą dobę.
• Aby zapewnić energię domkowi, będziesz potrzebować turbiny wiatrowej o mocy 3-5 kW, ale nawet ta liczba nie wystarczy do ogrzania domów. Aby skorzystać z tej funkcji, potrzebujesz wydajnej opcji, zaczynającej się od 10 kW.

Wybierając model należy wziąć pod uwagę, że wskaźnik mocy wskazany na urządzeniu osiągany jest tylko przy maksymalnej prędkości wiatru. Tym samym instalacja 300V wytworzy określoną ilość energii dopiero przy prędkości przepływu powietrza 10-12 m/s.

Dla tych, którzy chcą zbudować generator wiatrowy własnymi rękami, oferujemy następny artykuł, który zawiera szczegółowe przydatne informacje.

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Poniższy film zawiera szczegółowe informacje na temat zasady działania i konstrukcji domowego modelu generatora wiatrowego:

Generator wiatrowy jest doskonałym źródłem produkcji energii elektrycznej, co szczególnie docenią mieszkańcy odległych obszarów. Różne przedsiębiorstwa rosyjskie i zagraniczne oferują szeroką gamę konstrukcji wiatrowych, ponadto modele domowe można wykonać własnymi rękami.

Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Opowiedz nam o tym, jak zbudowałeś generator wiatrowy na swojej posesji lub o tym, jak działa turbina wiatrowa u sąsiadów.Zadawaj pytania, udostępniaj przydatne informacje i zdjęcia na dany temat.