Kinetinis vėjo generatorius: įrenginys, veikimo principas, pritaikymas

Šiuolaikinis kinetinis vėjo generatorius leidžia pasinaudoti oro srovių galia, paverčiant ją elektra.Šiuo tikslu yra gamykloje ir namuose pagaminti prietaisų modeliai, kurie naudojami tiek pramonėje, tiek privačiuose namų ūkiuose.

Papasakosime, kaip projektuojamos tokio tipo vėjo jėgainės, supažindinsime su įrenginio ypatybėmis ir projektavimo galimybėmis. Mūsų siūlomas straipsnis parodo vėjo jėgainės stipriąsias ir silpnąsias puses. „Pasidaryk pats“ čia ras naudingų schemų ir surinkimo rekomendacijų.

Vėjo generatoriaus veikimo principas

Vėjo generatoriaus veikimas pagrįstas vėjo kinetinės energijos pavertimu rotoriaus mechanine energija, kuri vėliau paverčiama elektra.

Veikimo principas yra gana paprastas: prie prietaiso ašies pritvirtintų menčių sukimasis sukelia sukamuosius rotoriaus generatoriaus judesius, taip generuojant elektrą.

Vėjo energija yra vienas perspektyviausių atsinaujinančios energijos sektorių. Šiuolaikinės konstrukcijos leidžia ekonomiškai efektyviai panaudoti oro srovių galią, naudojant ją elektrai gaminti

Susidariusi nestabili kintamoji srovė „nuteka“ į valdiklį, kur paverčiama nuolatine įtampa, galinčia įkrauti baterijas. Iš ten maitinimas tiekiamas į keitiklį, kur jis transformuojamas į kintamą įtampą su indikatoriumi 220/380 V, kuri tiekiama vartotojams.

Vėjo generatoriaus galia tiesiogiai priklauso nuo oro srauto galios (N), apskaičiuotos pagal formulę N=pSV³/2, kur V – vėjo greitis, S – darbo sritis, p – oro tankis.

Vėjo generatoriaus įtaisas

Įvairios vėjo generatorių versijos labai skiriasi viena nuo kitos.

Žemiau esančioje diagramoje parodyta klasikinio horizontalaus vėjo generatoriaus vidinė struktūra. Tokie modeliai dažniausiai naudojami tiek pramonėje, tiek kasdieniame gyvenime.

Pramoniniai įrenginiai yra sudėtinga kelių metrų konstrukcija, kurios montavimui reikia pamatų, o buitinį modelį gali sudaryti mažiausiai komponentų (nuolatinės srovės elektros variklis 3-12V, elektrinis kondensatorius 1000 uF 6V, silicio lygintuvo diodas).

Įprastą diegimą sudaro šie komponentai:

• kintamosios srovės generatorius (galia priklauso nuo vėjo srautų greičio);
• ašmenys, perduodantys sukimąsi į generatoriaus veleną (dažnai jie papildomai komplektuojami su pavarų dėžėmis ir rotoriaus greičio stabilizatoriais);
• vėjo malūno stiebas, prie kurio tvirtinamos mentės (kuo aukščiau šie elementai, tuo daugiau vėjo energijos jie gali gauti);
• baterijos, kaupiančios energiją, leidžiančios ją naudoti, kai vėjo srautas mažas arba jo visai nėra. Baterija taip pat atlieka iš generatoriaus tiekiamos elektros energijos stabilizavimo funkciją;
• valdiklis - iš generatoriaus gaunamos kintamosios įtampos keitiklis į nuolatinę įtampą, kuris naudojamas akumuliatoriui įkrauti. Valdiklis valdomas sukant mentes, o tai leidžia atsižvelgti į tai, kur juda oro srautai;
• AVR yra automatinis perjungimo įrenginys, jungiantis vėjo generatorių su kitais energijos šaltiniais (saulės baterijomis, elektros tinklu);
• vėjo krypties jutiklis – prietaisas, leidžiantis mentes lengviau rasti vėjo srautą;
• keitiklis, skirtas nuolatinę srovę iš akumuliatorių paversti kintamąja įtampa, kuris naudojamas elektros komunikacijose.

Siekiant geriau patenkinti vartotojų poreikius, įrenginyje gali būti įrengti įvairių tipų keitikliai:

• prietaisai su inverterio modifikuota sinusine banga, kuri sukuria kvadratinę sinusinę bangą. Šio tipo įrenginiai tinka kaitinimo elementams, kaitrinėms lempoms ir kitiems tinklo kokybei nereikliams įrenginiams;
• trifaziai įtampos keitikliai, skirti trifaziams elektros tinklams;
• grynos sinusinės bangos įrenginiai, gaminantys energiją jautresnei įrangai;
• tinklo keitikliai, galintys veikti be baterijų. Tokie įtaisai skirti grandinėms, kuriose elektros energija patenka tiesiai į bendrą tinklą.

Renkantis modelius, būtinai atkreipkite dėmesį į keitiklio tipą.

Vėjo generatorių tipai

Klasifikuojant vėjo turbinas galima atsižvelgti į šias charakteristikas:

• paskyrimas;
• dizaino elementai;
• ašmenų skaičius;
• medžiagos, iš kurių jie pagaminti;
• sukimosi ašis;
• propelerio žingsnis.

Pažvelkime atidžiau į dvi dažniausiai naudojamas klasifikacijas.

Vėjo generatorių klasifikacija pagal paskirtį

Yra vėjo turbinų tipų, kurie skiriasi pagal paskirtį. Nuo to priklauso pagrindinės prietaisų charakteristikos, pavyzdžiui, galia.

Pramoninės vėjo turbinos

Tokius įrenginius įrengia stambios energetikos įmonės arba valstybė, tiekiančios elektros energiją pramonės objektams.Dešimčių megavatų galios turbinos dažniausiai yra vėjo zonose (atvirose kalvose, pakrantėse).

Vėjo jėgainės, kuriose sumontuota dešimtys vėjo jėgainių, yra ne tik sausumoje, bet ir sekliame vandenyje. Gauta elektros energija dažniausiai naudojama pramonės reikmėms

Pagaminta elektra, kaip taisyklė, patenka tiesiai į tinklą, o stabilumui ir menčių sukimosi greičio reguliavimui vėjo turbinose yra įrengti papildomi mechanizmai.

Komerciniai vėjo generatoriai

Tokie įrenginiai naudojami elektrai gaminti pardavimui arba elektrai gaminti regionuose, kuriuose yra mažos galios elektros tinklas (arba iš viso nėra elektros tinklo). Tokios vėjo jėgainės susideda iš elektros generatorių grupės, kurios gali būti skirtingos galios.

Energija iš komercinių įrenginių gali būti tiekiama tiesiai į elektros įmones arba naudojama daugybei baterijų įkrauti, kur ji saugoma ir paverčiama tiekti tinklą.

Buitiniai vėjo prietaisai

Mažos galios įrenginiai naudojami asmeniniam naudojimui. Pagal taisykles vėjo jėgaines, kurių stiebai mažesni nei 25 metrai, žemės savininkai gali montuoti be valdžios sutikimo, aukštesniems stiebams reikia gauti specialų leidimą.

Mažos ir vidutinės galios vėjo malūnai gali būti elektros energijos šaltinis kotedžams, vasarnamiams, kaimo namams ir ūkiams

Buitiniai vėjo generatoriai tinkami krauti 12/24/48V įtampos baterijas, kurių energija paverčiama 220 voltų įtampa.Tokie įrenginiai leidžia visiškai arba iš dalies išspręsti elektros energijos tiekimo problemą mažiems objektams, kurie yra toli nuo centralizuoto elektros tinklo.

Su gairėmis, kaip pasirinkti vėjo generatorių, aprūpinantį energiją privačiam namui perskaityk straipsnįskirta šiam įdomiam klausimui.

Vėjo turbinų konstrukcijos tipai

Atsižvelgiant į jų dizaino ypatybes, įrenginius taip pat galima suskirstyti į keletą kategorijų, nors visos rūšys skirstomos į du pagrindinius tipus: vertikaliai ir horizontaliai.

Klasikinės horizontalios vėjo turbinos

Tokie įrenginiai (jie taip pat vadinami sraigtu arba sparnu) paprastai turi 3-5 mentes, sumontuotus ant horizontalios ašies. Sukiojant dideliu greičiu, tokie elementai leidžia gauti maksimalų energijos kiekį (KIEV iki 0,4).

Be to, pagaminamos elektros energijos kiekis labai priklauso nuo įrenginio aukščio (kuo jis didesnis, tuo didesnis rezultatas).

Horizontalioje vėjo turbinoje naudojamas kėlimas, kuris atsiranda, kai padidėja slėgis toje vietoje, kur tiesioginis oro srautas praeina per mentes ir atsispindi nuo šių elementų.

Šie įrenginiai paprastai įrengiami vėjo jėgainėse, kuriose energija gaminama pramoniniam ir komerciniam naudojimui, tačiau jie tinka ir buitiniam naudojimui.

Įdomus sprendimas horizontaliam vėjo malūnui yra modelis su vienu ašmenimis; šis nuotraukų pasirinkimas supažindins su jo ypatybėmis:

Vertikalios vėjo turbinos

Tokių įrenginių veikimo elementas yra besisukantis vėjo ratas. Dėl savo konstrukcinių ypatybių tokios konstrukcijos skiriasi pagal tipą („Statinė“, „Savonius“).

Šis nuotraukų pasirinkimas supažindins su Savonius vertikalios generatoriaus turbinos principu:

Nepaisant žemo KIEV indekso (0,1-0,2), jie yra plačiai naudojami: vertikalios instaliacijos veikia turbulentiniais oro srautais, todėl gali būti dedamos net tose vietose, kur retai pučia stiprus vėjas.

Vertikalių vėjo generatorių veikimas nepriklauso nuo vėjų krypties. Juos lengva montuoti ir eksploatuoti, tokius įrenginius galima montuoti arti žemės

Siekdami pagerinti vertikalių vėjo turbinų efektyvumą, gamintojai dažnai padidina jų matmenų parametrus, o tai žymiai padidina sąnaudas. Kadangi tokie įrenginiai yra gana trapūs, juos reikia labiau apsaugoti nuo uraganų ir kitų gamtos reiškinių.

Vėjo generatoriai "Rotor Daria"

Tokie įrenginiai priklauso vertikalių vėjo turbinų kategorijai, tačiau turi ryškių dizaino skirtumų. Dėl tokių savybių pasiekiamas triukšmo mažinimas, o KIEV taip pat padidėja, o tai priartėja prie horizontalių modelių veikimo.

Žemo slėgio turbina, kurios sukimosi ašis yra statmena orui, kurią 1931 m. pasiūlė prancūzų orlaivių konstruktorius Georgesas Darrieusas, plačiai pritaikyta vėjo energetikoje.

Tokių konstrukcijų trūkumas yra mažas paleidimo sukimo momentas (dėl to, kad yra tik du peiliukai, įrenginiui sunku įsijungti pačiam). Problemai išspręsti dažnai naudojamas hibridas „Savonius + Darier“.

Buriavimo vėjo įrenginiai

Tokiems įrenginiams gali būti taikomas tiek vertikalių, tiek horizontalių vėjo jėgainių konstravimo principas. Pagrindinis dizaino bruožas yra vėjo ratas, padengtas daugybe ašmenų ar burių, o tokie modeliai neturi aerodinaminio profilio.

Yra daug burinių vėjo generatorių modelių, kurie skiriasi menčių skaičiumi, svoriu, galia. Renkantis įrenginį reikia atsižvelgti į visus šiuos parametrus

Nepaisant to, kad buriavimo įrenginiai pasižymi mažu greičiu ir mažu efektyvumu, jie dažnai naudojami šalies ekonomikoje.Tokias konstrukcijas lengva montuoti ir valdyti, o didelio sukimo momento ir mažo greičio derinys leidžia tiesiogiai valdyti įvairius naudingus mechanizmus, pavyzdžiui, vandens išsiurbimo siurblį.

Ši galerija supažindins su vienu iš praktiškai įgyvendinamų burinių vėjo jėgainių modelių:

Vėjo turbinos generatorius

Vėjo turbinoms veikti reikalingi įprasti trifaziai generatoriai. Tokių prietaisų konstrukcija yra panaši į automobiliuose naudojamus modelius, tačiau turi didesnius parametrus.

Vėjo turbinos prietaisai turi trifazę statoriaus apviją (žvaigždinę jungtį), iš kurios išeina trys laidai ir patenka į valdiklį, kur kintamoji įtampa paverčiama nuolatine įtampa.

Vėjo turbinos generatoriaus rotorius pagamintas iš neodimio magnetų: tokiose konstrukcijose netikslinga naudoti elektrinį sužadinimą, nes ritė sunaudoja daug energijos

Apyvartai didinti dažnai naudojamas daugiklis.Šis įrenginys leidžia padidinti esamo generatoriaus galią arba naudoti mažesnį įrenginį, o tai sumažina montavimo išlaidas.

Daugikliai dažniau naudojami vertikaliuose vėjo generatoriuose, kuriuose vėjo rato sukimosi procesas vyksta lėčiau. Horizontaliems įrenginiams su dideliu ašmenų sukimosi greičiu daugikliai nereikalingi, o tai supaprastina ir sumažina konstrukcijos kainą.

Vėjo generatoriaus surinkimo ir montavimo specifika iš skalbimo mašinos ir vėjo turbinos iš automobilio generatoriaus yra išsamiai aprašytas mūsų rekomenduojamuose straipsniuose.

Vėjo generatoriaus privalumai ir trūkumai

Išsamiai apsvarstykime vėjo turbinų privalumus ir trūkumus, nes nuo jų priklauso sprendimas pirkti vėjo turbiną ar jos atsisakyti.

Vėjo prietaisų privalumai

Vėjo energiją naudojančių prietaisų pranašumai yra šie:

• Ekologiškumas. Įrenginiuose naudojamas atsinaujinantis energijos šaltinis, kuris gali būti naudojamas nuolat, nedarant žalos aplinkai. Vėjo generatorių gaminama elektra pakeičia šiluminių elektrinių energiją, mažina šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisiją.
• Universalumas. Vėjo jėgaines galima statyti beveik visur: lygumose, kalnuose, laukuose, salose ir net sekliuose vandenyse. Vėjo energija ypač vertinga atokiose vietose, kur sunku išplėsti įprastus elektros ryšius. Vėjo generatoriai šiuo atveju leidžia nustatyti energijos tiekimą objektams, užtikrinant jo nepriklausomybę nuo atsitiktinių veiksnių (pavyzdžiui, laiku nepristatomas kuras).
• Naudojimo efektyvumas. Šiuolaikiniai modeliai apdoroja net silpno vėjo energiją – minimali riba yra 3,5 m/s.Tokiu būdu galima papildomai tiekti elektrą į centralizuotą tinklą, taip pat organizuoti atskirų objektų (salų ar vietinių) elektros tiekimą nepriklausomai nuo jų galios.
• Verta alternatyva tradiciniams šaltiniams. Stacionarios vėjo jėgainės gali visiškai aprūpinti elektra gyvenamąjį namą ar net nedidelį pramonės objektą. Tokiu atveju turbina sukaups reikiamą elektros tiekimą akumuliatoriuose, skirtuose naudoti ramiu laikotarpiu.
• Ekonomiškas. Palyginti su tradiciniais elektros energijos šaltiniais (dujomis, durpėmis, anglimis, nafta), dviračių turbinos gali žymiai sumažinti energijos sąnaudas. Daugeliu atvejų vėjo jėgainių parko statyba yra pigesnė nei prijungimas prie esamų elektros sistemų.

Vėjo turbinų naudojimas gali būti alternatyva brangių dyzelinių generatorių naudojimui, dar labiau sumažinant kuro transportavimo ir saugojimo išlaidas iki 80%.

Vidutinė vėjo jėgainės galia kelis kartus skiriasi nuo didžiausios apkrovos. Vėjo generatorius yra atsakingas tik už energijos kiekį, pagamintą per tam tikrą laikotarpį, esant vidutiniam mėnesio vėjo greičiui, būdingam tam tikroje vietovėje.

Norėdami tiksliau įvertinti vėjo išteklius, galite naudoti specialiai gautus duomenis (Weibull parametrus). Šie rodikliai atspindi tam tikrai vietovei būdingą skirtingo stiprumo vėjų pasiskirstymą. Į tokią informaciją svarbu atsižvelgti rengiant dešimčių MW galios vėjo jėgainių projektus.

Vėjo turbinos generuojama galia yra proporcinga trigubui vėjo greičiui.Vadinasi, silpniems vėjo srautams šis rodiklis yra labai mažas, tačiau jiems sustiprėjus – smarkiai išauga. Dėl vėjo krypties ir greičio kintamumo į vėjo jėgainės projektą būtina įtraukti stabilizavimo komponentus.

Vėjo generatoriaus galios skaičiavimo taisyklės ir formulės pateikiami čia, rekomenduojame susipažinti su labai naudinga informacija.

Mažose autonominėse sistemose jų funkciją atlieka akumuliatoriai, kurių įkrova pradeda didėti, kai tik vėjo generatoriaus galia viršija apkrovą.

Didėjant apkrovai, baterija gali išsikrauti. Į šią savybę svarbu atsižvelgti renkantis buitinį įrenginį, jo galia turi atitikti mėnesinį ar metinį elektros suvartojimo normą

Pažymėtina, kad efektyvų vėjo srautų panaudojimą palengvina įvairios vėjo generatorių konstrukcijos.

Horizontalios turbinos gerai veikia plokščiose vietose, kur pučia stiprus vėjas, o vertikalios turbinos geriau veikia regionuose, kur neramūs srautai yra žemai iki žemės (viršutinėse kalvose, kalnų grandinėse).

Pagrindiniai vėjo jėgainių trūkumai

Tuo pačiu metu vėjo turbinos turi ir neigiamų pusių:

• Vėjo jėgos dydį sunku iš anksto numatyti, nes jis dažnai keičiasi. Dėl šios priežasties patartina apsvarstyti apsauginį tinklą, suteikiant atsarginį energijos šaltinį (saulės baterijos, prijungimas prie elektros tinklo).
• Vertikalūs įtaisai gali sugadinti sraigto mentes dėl išcentrinių jėgų poveikio, kai ašmenys sukasi aplink pagrindinę ašį. Dėl šio poveikio svarbūs konstrukciniai elementai laikui bėgant deformuojasi ir sunaikinami, o mechanizmas sugenda.
• Vėjo turbinas geriau įrengti laisvoje erdvėje, nes šalia esantys pastatai gali „slopinti“ vėją, sudarydami „negyvąją“ oro zoną.
• Norint sutaupyti vėjo turbinų energijos perteklių, į projektą būtina įtraukti baterijas ir kitus papildomus įrenginius, kurie paverčia pagamintą elektros energiją į srovę su tinkamomis vartotojo savybėmis.
• Veikdami vėjo generatoriai skleidžia triukšmą, kuris gali sukelti nepatogumų žmonėms ir atbaidyti gyvūnus. Instaliacijų mentės taip pat gali sukelti link jų skrendančių paukščių mirtį.
• Kai kurių ekspertų teigimu, vėjo jėgainės gali pabloginti radijo ir televizijos transliacijų priėmimą.

Neigiami aspektai taip pat gali apimti gana didelę tokių įrenginių kainą, tačiau maža energijos šaltinio kaina iš esmės kompensuoja šį veiksnį.

Sujungimo schemos ir būdai

Nors vėjo turbina gali veikti autonomiškai, daug geresnių rezultatų galima pasiekti naudojant kombinuotas schemas, kuriose vėjo jėgainė derinama su saulės kolektoriais, centralizuotais elektros tinklais, dyzelinu ar dujomis.

Autonominis veikimas. Tokiu atveju įrengiama viena instaliacija, kurios pagalba pagaunama ir kaupiama vėjo energija, kuri vėliau paverčiama vartotojams reikalinga elektros srove.

Diagramoje parodytas paprasčiausias vėjo generatoriaus naudojimo būdas, kurį patartina naudoti regionuose, kur nuolat pučia stiprus vėjas

Vėjo generatoriaus sujungimas su saulės baterijomis. Kombinuotas variantas laikomas patikimu ir efektyviu energijos tiekimo būdu. Jei nėra vėjo, baterija veikia saulės elementai, o esant debesuotam orui ir nakties metu, įkraunama iš vėjo turbinos.

Idealus variantas privačiam namui ar ūkiui, esančiam toli nuo centralizuoto elektros tinklo. Ši kombinuota schema leidžia naudoti dviejų rūšių atsinaujinančią energiją

Kombinuotas vėjo generatoriaus ir elektros tinklo veikimas. Vėjo turbina gali būti derinama su elektros komunikacijomis.

Šis išdėstymas būdingas pramoniniams ir komerciniams įrenginiams. Prijungimas prie elektros komunikacijų numatytas ir kai kuriems buitinių vėjo generatorių modeliams

Jei pagaminamos elektros energijos perteklius, ji patenka į centralizuotą tinklą, o pritrūkus galima naudoti elektros srovę iš bendros energetikos sistemos.

Vėjo generatorių naudojimo niuansai

Šiuo metu vėjo jėgainės naudojamos įvairiuose šalies ūkio sektoriuose. Įvairaus pajėgumo pramoninius modelius naudoja naftos ir dujų, telekomunikacijų įmonės, gręžimo ir geologinių tyrimų stotys, gamybos įrenginiai ir vyriausybinės agentūros.

Vėjo turbina gali būti naudojama kaip papildomas energijos šaltinis ligoninėse ir kitose įstaigose, siekiant užtikrinti nenutrūkstamą elektros energijos tiekimą kritinėse situacijose.

Ypač atkreiptinas dėmesys į vėjo turbinų panaudojimo svarbą siekiant greitai atkurti sugadintą elektros energiją kataklizmų ir stichinių nelaimių metu. Šiuo tikslu vėjo generatorius dažnai naudoja Nepaprastųjų situacijų ministerijos padaliniai.

Buitinės vėjo jėgainės puikiai tinka organizuoti apšvietimą ir šildymą kotedžų bendrijose ir privačiuose namuose, taip pat ūkiniams tikslams ūkiuose.

Yra keletas dalykų, į kuriuos reikia atsižvelgti:

• Prietaisai iki 1 kW gali užtikrinti pakankamą elektros energijos kiekį tik vėjuotose vietose.Paprastai jų generuojamos energijos pakanka tik LED apšvietimui ir mažiems elektroniniams prietaisams maitinti.
• Norint visiškai aprūpinti vasarnamį (kaimo namą) elektra, jums reikės vėjo generatoriaus, kurio galia viršija 1 kW. Šio indikatoriaus pakanka tiek šviestuvams, tiek kompiuteriui ir televizoriui maitinti, tačiau jo galios neužtenka tiekti elektra šiuolaikiniam, visą parą veikiančiam šaldytuvui.
• Norint aprūpinti kotedžą energija, jums reikės 3-5 kW galios vėjo jėgainės, tačiau net ir šio skaičiaus nepakaks namams apšildyti. Norėdami naudoti šią funkciją, jums reikia galingos parinkties, pradedant nuo 10 kW.

Renkantis modelį, reikėtų atsižvelgti į tai, kad prietaise nurodytas galios indikatorius pasiekiamas tik esant maksimaliam vėjo greičiui. Taigi, 300 V instaliacija pagamins nurodytą energijos kiekį tik esant 10-12 m/s oro srauto greičiui.

Norintiems savo rankomis pasistatyti vėjo generatorių siūlome kitas straipsnis, kuriame išsamiai pateikiama naudingos informacijos.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Toliau pateiktame vaizdo įraše pateikiama išsami informacija apie vėjo generatoriaus buitinio modelio veikimo principą ir dizainą:

Vėjo generatorius yra puikus elektros energijos gamybos šaltinis, kurį ypač įvertins atokių vietovių gyventojai. Įvairios Rusijos ir užsienio įmonės siūlo platų vėjo konstrukcijų asortimentą, be to, namų apyvokos modelius galima pasidaryti savo rankomis.

Parašykite komentarus žemiau esančiame bloke. Papasakokite apie tai, kaip pastatėte vėjo generatorių savo sklype arba kaip veikia jūsų kaimynų vėjo turbina.Užduokite klausimus, dalinkitės naudinga informacija ir nuotraukomis šia tema.