Ветрогенератор как работает: Подробно об устройстве ветрогенератора | Принцип работы, конструкция

Содержание

Устройство и принцип работы ветрогенератора

Как устроен ветрогенератор

Любой ветрогенератор состоит из таких компонентов как;

— генератор, который вырабатывает переменный ток, и в дальнейшем преобразуется в постоянное напряжение, предназначенное для зарядки аккумуляторов. От скорости ветра зависит и мощность генератора;- лопасти, предназначены для передачи вращения к валу генератора через редукторы и стабилизаторы скорости вращения ротора генератора;
— мачта ветряка должна иметь достаточную высоту. Чем выше находятся лопасти, тем больше они получат энергии ветра.

Также в устройство ветрогенератора входят;

— контроллер, необходимый для преобразования переменного напряжения идущего с генератора, в постоянное напряжение и последующей зарядкой аккумуляторов. Контроллер управляет поворотом лопастей, и контролируют направление ветра;
— аккумуляторы накапливают электроэнергию, чтобы использовать ее при небольшом ветре или его отсутствии. Батарея также хорошо стабилизирует электроэнергию, полученную от генератора;
— датчик направления ветра помогает лопастям «поймать» ветер;
— АВР представляет собой устройство автоматического переключения между ветрогенератором и другими источниками электроэнергии, например электросетью, генератором, солнечными панелями;
— инвертор предназначен для преобразования постоянного тока, поступающего с аккумуляторов, в переменное напряжение для домашней электросети. Инверторы могут разделяться по типу синусоиды для разных потребителей электроэнергии.

Устройство ветрогенератора
  1. Инвертор модифицированной синусоиды на выходе выдает квадратную синусоиду, предназначенную для не требовательных потребителей к качеству сети – это тэны, накальные лампы освещения.
  2. Инверторы с чистой синусоидой по качеству выходного напряжения подходят даже для самых требовательных потребителей электроэнергии.
  3. Инверторы трехфазного напряжения предназначены для трехфазных сетей.
  4. Сетевой инвертор работает без аккумулятора и способен к выводу электроэнергии в общую сеть.

Принцип действия ветрогенератора

Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальная ось соединена с вертикальным ротором. Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси.

Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.

Схемы работы ветрогенераторов

Вариантов работы ветрогенератора может быть несколько:

  1. Автономная работа ветрогенератора.
Автономная работа ветрогенератора
  1. Такая совместная работа считается очень надежным и эффективным способом автономного электроснабжения. При отсутствии ветра, работают солнечные батареи. Ночью, когда не работают солнечные батареи, аккумулятор заряжается от ветровой установки.
Параллельная работа ветрогенератора с солнечными панелями
  1. Ветрогенератор также может работать параллельно с электросетью. При избытке электроэнергии, она поступает в общую сеть, а при недостатке ее потребители электроэнергии работают от общей электросети.
Параллельная работа ветрогенератора с электросетью

Ветряные генераторы могут прекрасно работать с любыми видом автономного электроснабжения и общей электросетью. Создавая при этом единую систему энергоснабжения.

Помогла вам статья?

Ветрогенераторы: вопросы и ответы — Энергетика и промышленность России — № 09 (101) май 2008 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 09 (101) май 2008 года

Ветрогенераторы – это генераторы электрической энергии, работающие под действием энергии ветра. Сегодня ветрогенераторы – высокотехнологичные изделия мощностью от 5 кВт до 4500 кВт единичной мощности. Ветрогенераторы современных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию даже самых слабых ветров – от 4 метров в секунду. С помощью ветрогенераторов можно не только поставлять электроэнергию в централизованные сети, но и решать задачи электроснабжения локальных объектов.

Как работает ветрогенератор?

Набегающие потоки ветра на высоте башни ветрогенератора – от 40 до 100 метров – 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 сенсоры на башне ветрогенератора подают команду, и 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?

Ветрогенератор мощностью 800 кВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 1500000 кВт-часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с – 1100000 кВт-часов электроэнергии.

Ветрогенератор мощностью 2000 кВт при среднегодовой скорости ветра 6 м/с произведет за год 3700000 кВт-часов электроэнергии, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с –2300000 кВт-часов электроэнергии.

Где применяются ветрогенераторы?

В самых разных местах: это открытые территории с хорошим ветропотенциалом, поля, острова, мелководье, горы. В России применение ветрогенераторов очень перспективно там, где подключение к существующим сетям дороже ветроэнергетического проекта или доставка дизельного топлива обходится дорого. А таких мест, изолированных или удаленных от централизованного энергоснабжения, у нас немало.

Какой силы ветер нужен для работы ветрогенератора?

Использование ветрогенератора экономически эффективно в местности со среднегодовой скоростью ветра от 4 м/с.

Для чего нужны ветрогенераторы?

Аргументов в пользу применения ветроэнергетических установок множество. Вот основные из них:
это независимый от внешних факторов источник электроэнергии;
после достижения срока окупаемости ветрогенератор требует затрат только на его обслуживание;

применение ветрогенераторов позволяет до 80 процентов сократить затраты на дизельное топливо в тех местах, где дизель-генераторы являются основным источником электроэнергии. Следовательно, экономятся расходы на хранение и транспортировку дизельного топлива, а энергоснабжение таких объектов перестает зависеть от случайных факторов;
капитальные затраты на ветроэнергетический комплекс по сравнению с традиционными источниками электроэнергии достаточно низки. Ориентировочно это 1300 евро на 1 кВт установленной мощности «под ключ»;
сроки ввода в эксплуатацию ветрогенераторов достаточно коротки. После изготовления оборудования (6‑8 месяцев) по заказу поставка и монтаж длятся 1‑2 месяца. В случае применения ветрогенераторов «с пробегом» срок поставки ограничивается 1‑2 месяцами;
ветроэнергетические установки не загрязняют окружающую среду. Этот аргумент становится все более актуальным при согласовании новых промышленных проектов в России.

Как влияют высота мачты и диаметр ротора на выработку энергии?

Увеличение высоты мачты до 18‑26 метров позволяет повысить среднегодовую скорость ветра на высоте оси на 15‑30 процентов и тем самым увеличить 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. При ветре до 6‑7 м/с выработка ротора диаметром 5 метров выше, чем у ротора 4,2 метра. При больших среднегодовых скоростях ветра выработка выравнивается.

как работает, достоинства и недостатки

Как работает вертикальный ветрогенератор

Данные установки преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения приводного вала. Вертикальная ось ветровой турбины соединена с ротором, работающим также в вертикальном положении. Ротор и генератор расположены в нижней части башни.

Лопасти ветряка присоединены прямо к центральной оси, соединенной с ротором генератора. Генератор располагается в нижней части установки, иногда даже на уровне земли.

Таким образом, при вращении лопастей винта ротор генератора также приходит в движение и, следовательно, появляется возможность выработки электроэнергии.

Видео: работа генератора с вертикальной осью вращения

Рассматриваемые ветряки не нуждаются в дополнительном оборудовании, которое определяет направление ветра и корректирует положение ветряка в соответствие с ним. На ветрогенераторах с горизонтальной осью вращения в качестве подобного устройства выступает специальная хвостовая лопасть.

Кроме того, эти турбины более устойчивы к турбулентности, чем стандартные горизонтальные.

Перечислим некоторые из доступных на сегодняшний день моделей таких генераторов: Giromill, ротор Дарье, ветряные мельницы с вращающимися парусами и турбины Савониуса.

Преимущества

  • Основным достоинством является ортогональное расположение оси ротора, позволяющее размещать устройство вблизи поверхности земли. Соответственно, ветрогенератор и передаточный механизм расположены на этой же высоте и не требуют сооружения высоких конструкций для их установки.

  • Кроме того, турбина не обязательно должна быть ориентирована по направлению ветра, что делает её очень простой в эксплуатации.

  • Применение вертикальных ветрогенераторов даёт высокий эффект при их установке на верхней части холмов, столовых гор, по линии горных хребтов и в других местах, где вблизи поверхности земли присутствуют турбулентные потоки воздуха.

  • В местах, где запрещено размещение высотных ветровых турбин, могут быть расположены вертикальные. При этом, вы сэкономите денежные средства и время, которые потребовались бы вам для получения соответствующих согласований для разработки и монтажа высоких башенных установок ветряков с горизонтальным расположением вала.

  • Также, неоспоримым преимуществом устройств с вертикальным валом является их возможность поворота в любом направлении вместе с ветром.

Недостатки

  • Одним из недостатков вертикальных турбин является их низкая эффективность в зоне постоянных ветров. Это происходит из-за высокой силы сопротивления, действующей с противоположной стороны, при попытке захватить движущийся поток воздуха.

    Поэтому, на равнинах и других местах с преобладающими постоянными ветровыми потоками наилучшим вариантом являются горизонтальные ветроустановки. Они позволяют наиболее полно использовать энергию ветра в данных районах.

    При наличии же турбулентных потоков у поверхности земли рекомендуется применять ортогональные ветроустановки.

  • Другим минусом вертикальных ветроустановок является возможность разрушения лопастей винта. Это вызвано тем, что при вращении вокруг главной оси, на них постоянно воздействуют центробежные силы. То есть, со временем, лопасти сгибаются, трескаются и разрушаются. При их поломке вся машина выходит из строя.
  • Если разместить ветряк рядом со зданием, то он не будет работать, так как находится в мертвом воздушном пространстве.
Вывод

Вертикальные ветроустановки существуют в течение тысяч лет, но из-за плохой надежности и эффективности они не пользуются популярностью. Однако, их продолжают выпускать и по сей день.

Производители утверждают, что данные устройства могут уловить ветер любого направления, что, по сути, также верно и для горизонтальных турбин.

По сравнению с горизонтальными установками, рассматриваемые модели обладают меньшим коэффициентом полезного действия.

описание, конструкция и изготовление своими руками

Подключение к магистральной сети электроснабжения до сих пор доступно не всем. Есть немалое число населенных пунктов, до которых линии электропередач не дошли. Да и подключенные поселки и деревни, вследствие общей изношенности линий, испытывают частые перебои с электроснабжением. Кроме того, дачные поселки, выстроенные недавно, зачастую не имеют возможности подключиться к линии, расположенной в солидном отдалении.

Решение вопроса с электроснабжением традиционно возлагается на бензиновые или дизельные электростанции, нуждающиеся в снабжении топливом, капризные и требующие постоянного наблюдения устройства. При этом, есть альтернативные источники, не нуждающиеся в топливе. Одним из них является ветрогенератор.

Что из себя представляет ветрогенератор?

Ветрогенератор — это устройство, использующее энергию ветра для выработки электрического тока. Воздушные потоки, свободно перемещающиеся в атмосфере, имеют гигантскую энергию, причем, совершенно бесплатную. Ветроэнергетика — это попытка извлечь ее и обратить на пользу.

Ветрогенератор представляет собой набор устройств, принимающих, обрабатывающих и подготавливающих для использования энергию. Потоки ветра взаимодействуют с ротором ветряка, заставляя его вращаться. Ротор посредством повышающей передачи (или напрямую) соединяется с генератором, который заряжает аккумуляторные батареи. Заряд через инвертор перерабатывается в стандартный вид (220 В, 50 Гц) и подается на приборы потребления.

На первый взгляд, комплекс устроен довольно сложно. Существуют и более простые конструкции, например, ветряки, питающие насосы. Тем не менее, для сложных приборов требуется полный комплект оборудования, способный обеспечить стабильное и качественное электроснабжение.

Зачем он нужен?

Отличительное свойство электроэнергии состоит в том, что ее можно производить в любых количествах, если позволяет оборудование. Ветрогенератор как раз и относится к таким устройствам — он производит электроэнергию. Таким образом, ветряк представляет собой электростанцию, способную обеспечивать как крупные участки с большим количеством потребителей, так и отдельные дома или приборы.

Возможности устройства зависят от размеров крыльчатки и мощности генератора. Эти два параметра являются определяющими и зависят друг от друга. Чем мощнее ротор, тем большей мощности генератор он сможет вращать, вырабатывая большое количество энергии.

При этом, ветряк может быть создан самостоятельно и обеспечивать потребности отдельной группы приборов — например, освещения, водоснабжения, вентиляции и т.д. Такая избирательность удобна для сокращения расходов на электроэнергию, обеспечения бесперебойной подачи питания на старых изношенных линиях.

Конструкция и принцип работы

Конструктивно ветрогенераторы сочетают механическую, электромеханическую и электрическую части. К механической относится ветряк, непосредственно принимающий энергию ветра и преобразующий ее во вращательное движение. Оно передается на электромеханическое устройство — генератор, преобразующий кинетическую энергию вращения в электрический ток. После этого действуют чисто электронные устройства:

  • выпрямитель. Генератор вырабатывает переменный ток, который не годится для заряда аккумуляторных батарей. Для дальнейшего использования его надо выпрямить, для чего используется выпрямительное устройство
  • контроллер заряда. Обеспечивает своевременное переключение аккумуляторных батарей с режима зарядки на режим питания потребителей, чтобы избежать выхода АКБ из строя
  • аккумулятор (АКБ). Накапливает заряд, необходимый для поддержания напряжения в сети при ослаблении ветра
  • инвертор. Преобразует постоянный ток аккумулятора в обычные 220В 50 Гц переменного тока, необходимых для питания стандартных потребителей.

Все перечисленные электронные устройства являются типичным комплектом оборудования, используемым с любым типом ветряка. Изменение конструкции крыльчатки не влияет на состав комплекта, если только не происходит значительного увеличения скорости вращения, требующего изменения параметров генератора.

Виды ветрогенераторов

Используются два основных вида ветряков, имеющих принципиальные различия:

  • горизонтальные
  • вертикальные

В обоих случаях речь идет об оси вращения ротора. Конструкция различных моделей горизонтальных устройств мало отличается друг от друга, представляя собой подобие бытового вентилятора или пропеллера. Вертикальные устройства обладают намного большим разнообразием типов конструкции, внешне значительно отличаясь друг от друга. Рассмотрим их подробнее:

Горизонтальные ветряки

Горизонтальные конструкции имеют большую эффективность, так как поток ветра они воспринимают только рабочей стороной лопастей. Наибольшее распространение получили трехлопастные крыльчатки, но для небольших конструкций число лопастей может быть увеличено.

Именно горизонтальные конструкции используются для изготовления больших промышленных образцов, имеющих огромный размах лопастей (больше 100 м), которые в объединенном виде образуют довольно производительные электростанции. Государства западной Европы, такие как Дания, Германия, скандинавские страны активно используют ветряки для обеспечения населения энергией.

Устройства имеют один недостаток — они нуждаются в наведении на ветер. Для небольших ветрогенераторов проблема решается установкой хвоста наподобие самолетного, который автоматически располагает конструкцию по ветру. Большие модели имеют специальное устройство наведения, контролирующее положение крыльчатки относительно потока.

Вертикальные конструкции

Ветрогенераторы вертикального типа имеют меньшую эффективность, вследствие чего используются для обеспечения энергией лишь отдельных потребителей — частный дом, коттедж, группу приборов и т.д. Для самостоятельного изготовления такие устройства подходят больше всего, так как обладают широким выбором вариантов конструкции, не нуждаются в подъеме на очень высокую мачту (хотя это им и не противопоказано).

Вертикальные роторы могут быть собраны из любых подручных материалов, в качестве образца можно использовать любой тип из множества известных:

  • роторы Савониуса или Дарье
  • более современный ротор Третьякова
  • ортогональные конструкции
  • геликоидные устройства и т.д.

Описывать все типы подробно незачем, так как их количество постоянно увеличивается. Практически все новые разработки базируются на вертикальной оси вращения и предназначены для использования в частных домах или усадьбах. Большинство разработок предлагает собственный вариант решения основной проблемы вертикальных устройств — низкого КПД. Некоторые варианты имеют довольно высокие показатели, но обладают сложным устройством корпуса (например, конструкция Третьякова).

Расчет и выбор

Расчет мощности ветряка сводится к подсчету суммарной мощности потребления осветительными, вспомогательными и бытовыми приборами. Полученное значение увеличивается на 15-20% (запас мощности необходим при возникновении непредвиденных ситуаций), и на основании этих данных рассчитывается или выбирается готовый генератор.

От его параметров ведется построение всего остального комплекта — механические требования ложатся в основу проектирования ветряка, а эксплуатационные параметры — мощность, напряжение, сила тока — используются при создании системы накопления и обработки полученного тока.

Выбирая приборы, следует также обеспечивать небольшой (15-20%) запас мощности, который обеспечит устойчивость комплекса при возникновении форс-мажорных ситуаций.

Изготовление ветряка своими руками

Основные работы, которые предстоит сделать, это — изготовление и установка вращающегося ротора. Прежде всего следует выбрать тип конструкции и ее размеры. Определиться в этом поможет знание требуемой мощности устройства и производственные возможности.

Большинство узлов (если не все целиком) придется изготовить самостоятельно, поэтому на выбор повлияет, какие познания имеются у создателя конструкции, с какими приборами и устройствами он знаком наилучшим образом. Обычно сначала делается пробный ветряк, с помощью которого проверяется работоспособность и уточняются параметры сооружения, после чего приступают к изготовлению рабочего ветрогенератора.

Рекомендуемые товары

Чем лучше и чем хуже вертикальный ветрогенератор в плане эксплуатации



Использование энергии ветра для выработки электричества – одна из перспективных форм развития альтернативной энергетики. Вертикальный ветрогенератор является перспективным направлением развития отрасли, т.к. имеет ряд преимуществ по сравнению с горизонтальными аналогами.

Принцип работы

Вертикальный ветряк представляет собой цилиндр, устанавливаемый на основание. Благодаря своей форме, работает вне зависимости от направления ветра. Вне зависимости от вида вертикального ветрогенератора,  он устроен таким образом, чтобы давление потока воздуха на одну из его сторон было выше, чем на другую.

Благодаря такой разнице в давлении происходит вращение оси генератора и выработка электричества. Из-за того, что сила ветра направлена на обе стороны ветрогенератора, показатель стартовой скорости ветра немного больше, чем у горизонтальных ветряков, но при должном качестве деталей, существует самораскрутка – т.е. значительное увеличение оборотов генератора даже при небольшом (от 3,5 м/с) ветре.

Какая конструкция лучше



Существует несколько принципиально разных конструкций вертикальных ветрогенераторов, каждая из них обладает своими достоинствами и недостатками.

  1. Ветряк Савониуса — полукруглые лопасти

    Ротор Савониуса. Модель такого вертикального ветряка включает в себя две или более лопасти, выполненные в форме полукруга. При этом давление, оказываемое на «открытую» часть круга значительно превышает то, которое воздействует на противоположную сторону. Конструкция достаточно проста в изготовлении, поэтому пользуется наибольшей популярностью среди самодельных вертикальных ветрогенераторов. Недостатки:
    • Большая «парусность». Воздействие ветра кренит всю конструкцию, создавая напряжение в оси и выводя из строя подшипник, на котором вращается весь ротор.
    • Конструкция не способна начать вращаться самостоятельно при наличии двух или трех лопастей, поэтому два таких ротора необходимо закреплять на одной оси одну под другой под углом в 90°
  2. На ортогональный ротор устанавливают дополнительные статические экраны для увеличения производительности

    Ротор Дарье или ортогональный. Существует множество модификаций такого вертикального ветрогенератора, но принцип работы остается неизменным. Вращение происходит за счет крылообразной формы лопасти генератора. При воздействии потока воздуха создается подъемная сила, за счет которой и вращается ось. Недостатки:
    • Низкая, даже по меркам ветрогенераторов, эффективность.
    • Скорость ветра для полной раскрутки такого генератора должна быть не менее 4 м/с. При этом до набора полной скорости вращения такого ротора, нагрузку к ветряку подключать нельзя – остановится.
    • Шумность. Если в остальных моделях шум издают только подвижные части (подшипники), то вертикальный ветрогенератор такого типа шумит лопастями. Очень сильно.
    • Из-за вибрации быстро выводит из строя подшипники и все несущие элементы конструкции.
  3. Геликоидный ротор имеет сложную конструкцию

    Геликоидный ротор. Этот вертикальный ветрогенератор имеет замысловатую форму, но по — сути это ортогональный ветрогенератор с вертикальной осью, только лопасти у него закручены вдоль несущей оси, что значительно повышает срок службы всей конструкции, т.к. обеспечивает равномерную нагрузку на подшипник и мачту со всех сторон. Недостатки:
    • Сложность в изготовлении, отсюда высокая стоимость вертикального ветряка.
  4. Многолопастной ветряк

    Многолопастной вертикальный ветрогенератор. Если рассматривать только коммерческие образцы – этот тип ротора является наиболее производительным и дает наименьшую нагрузку на несущие детали. Внутри такого вертикального ветряка содержится дополнительный ряд статичных лопастей, которые направляют поток воздуха таким образом, чтобы максимально увеличить эффективность ротора. Недостатки:
    • Высокая стоимость устройства из-за большого количества деталей.

Плюсы вертикальной оси

Положительные качества всех вертикальных ветрогенераторов:

  1. Не направляются по ветру, работают при любой его направленности.
  2. В отличие от ветрогенераторов с горизонтальной осью, имеет только одну ось вращения, следовательно бо́льший срок службы.
  3. Возможна установка на небольшой высоте — от 1,5м, в зависимости от модели.
  4. Все важные подвижные элементы находятся в нижней части генератора, что позволяет удобно его обслуживать.

    Важно. При необходимости вал ротора увеличивается до необходимой длины для удобства доступа к статору, без существенной потери КПД.

  5. Возможность собрать действующий ветрогенератор своими руками из подручных материалов.
  6. Благодаря возможности создания жесткой конструкции с несколькими точками опоры, вертикальные ветрогенераторы работают при бо́льшей максимальной скорости ветра.
  7. Более высокая устойчивость к разрушающему воздействию ветра.
  8. В этих ветряках возможно создание собственной циркуляции воздуха, за счет чего образуется быстроходный эффект, когда линейная скорость лопастей в 20 и более раз превышает скорость ветра.

Минусы

  1. Громоздкость конструкции. Самые легкие вертикальные ветряки весят не менее 300 кг вместе со стойкой.
  2. Низкая эффективность по сравнению с горизонтальным.
  3. Шумность. Ветряк издает шум от лопастей во время работы.

Видео. Геликоидный ветрогенератор

В ролике наглядно показана работа геликоидного ветряка, установленного на специальной мачте



Фотомануал: солнечная батарея своими руками шаг за шагом Виды контроллеров для солнечных батарей и как выбирать Качественная электрика в каждый дом Окупаются ли солнечные батареи для частного дома

Томский аспирант сделал ветрогенератор специально для Сибири

Аспирант Томского государственного архитектурно-строительного университета (ТГАСУ) Сергей Михалап разработал ветрогенератор новой модификации для использования в условиях Сибири.

«Три года назад я выбрал ветрогенератор темой научного исследования. Стал разбираться, как он работает, увидел недостатки и решил сделать улучшенную версию», — рассказал автор проекта.

Особенности конструкции «сибирского» ветрогенератора позволяют увеличить эффективность двигателя, особенно при малых скоростях ветра (3-5 м/с), характерных для регионов Западной Сибири. Аспирант предложил расположить лопасти ветряка по спирали — поверхность, создаваемая ими при вращении, имеет форму резьбы. Сами лопасти изготавливаются из экструдированного полистирола с жесткими несущими вставками и покрываются композитной оболочкой. В поперечном сечении они имеют аэродинамический профиль.

«В моем ветрогенераторе основная ось не вращается, она крепкая, с мощными подшипниками и защищена от вибраций. Это повышает надежность механизмов и позволяет устанавливать аппарат на крышу — вибрация не будет передаваться зданию», — говорит Сергей Михалап.

Ветрогенератор Михалапа способен вырабатывать 1,6 КВт электроэнергии при скорости ветра 3 м/с. Высота конструкции при этом составит четыре метра, радиус размаха лопастей — три метра. Низкий уровень шума и отсутствие вибрации позволяют устанавливать ветродвигатель на жилые здания. На его лопастях, изготовленных из неметаллических материалов, не образуется изморозь и сосульки. Кроме того, этот ветрогенератор дешевле аналогов, а его монтаж занимает меньше времени.

«Ветрогенераторов, пригодных для установки на многоэтажные дома, сейчас вообще нет, а это во многих случаях будет выгодно для ТСЖ,  — утверждает разработчик. — Аппарат также подойдет для частного дома, для нефтяников, геодезистов и других специалистов, которые работают в труднодоступных местах». 

Разработка аспиранта ТГАСУ стала победителем конкурса проектов «Сибирские Афины».

 

Ветрогенераторы: как они работают и возможны ли в России

Электрогенератор был изобретен более полутора веков назад. Ветровые колеса приводили в движение мельничные жернова еще с незапамятных времен. Так почему же современные ветрогенераторы — эти машущие гигантскими крыльями флагманы «зеленой энергетики» — требуют для производства высоких технологий? И сможем ли мы у нас, в России, наладить выпуск таких машин, или нам снова придется тратить нефтедоллары и покупать, покупать, покупать?

Простота базового принципа не всегда означает технологическую простоту, особенно если из конструкции надо «выжать» максимальную эффективность. В теории самолет весьма прост, и братья Райт, создавая свой «Флайер-1», вполне обошлись подручными материалами и индустриальными технологиями гаражного класса. Однако, как известно, первенец мировой авиации улетел не дальше размаха крыльев «Боинга-747», едва подняв в воздух Орвилла Райта в качестве полезной нагрузки. Современные лайнеры пересекают океаны и континенты, поднимают в небо десятки и даже сотни тонн груза. При этом они буквально напичканы хайтеком, который обеспечивает высочайшую функциональность, экономическую эффективность и безопасность эксплуатации. Воплощая в жизнь примитивную схему «ветровое колесо плюс электрогенератор», конструкторы нынешних ветроэнергоустановок мощностью в несколько мегаватт вынуждены также опираться на последние достижения науки и наукоемких производств.

Собственно, у авиации и ветроэнергетики немало общего. И там и там используется подъемная сила, образующаяся при взаимодействии крыла с набегающим потоком воздуха. Однако если для образования подъемной силы под крылом самолета приходится тратить энергию на создание тяги, то ветряк использует естественное движение воздушных потоков, для того чтобы забрать у них энергию и преобразовать ее в электричество. Еще одно принципиальное отличие ВЭУ от авиационных конструкций заключается в том, что их ресурс безостановочной работы составляет годы.

Нужно худеть

Пока размах ветрового колеса невелик, а мощность генератора измеряется в десятках или сотнях кВт, никаких особенных технологий не требуется, однако современная ветроэнергетика ориентируется на поистине гигантские сооружения: на 100−120-метровых башнях устанавливаются имеющие вес в десятки тонн гондолы, а размах лопастей ветрового колеса достигает 130 м. Чем выше башня и чем больше диаметр ротора, тем значительней используемый ветропотенциал. Однако при увеличении линейного размера ветроэнергетической установки (ВЭУ) ее мощность растет в квадратной пропорции, а вес — в кубической. Именно поэтому, как и в авиации, борьба с избыточным весом всей конструкции — один из важнейших приоритетов. Другая серьезная задача — обеспечение устойчивости всей конструкции. ВЭУ представляет собой могучую «голову» на тонкой ножке и подвергается сильнейшему ветровому давлению, раскачивается, вибрирует, и, чтобы ветряк не разрушился и не опрокинулся, требуются сложные расчеты и нестандартные технические решения.

Ветроэнергетический хайтек начинается прямо с роторов — внутри окружности самых больших из них спокойно умещается футбольное поле.

Чем совершенней аэродинамический профиль лопастей ветрового колеса, тем выше его КПД. При этом лопасти должны быть прочными и упругими, иначе высотные ветры сломают их как спички. Лопасти также должны иметь минимальный вес, так как повышение массы увеличивает нагрузки на конструкцию в целом и, соответственно, ее цену. В производстве лопастей для ротора, как и в авиапроме, ставка делается на неметаллические композитные материалы при ключевой роли стеклопластика, который как раз и совмещает в себе все требуемые свойства. Внутри лопасти помещается более жесткий каркас с прямоугольным сечением, а внешняя оболочка обеспечивает необходимый профиль крыла, разработанный специально для работы в воздушных потоках с невысокими скоростями. Но оптимальный вес вкупе с аэродинамическими качествами — это еще не все. Ветровое колесо должно обладать длительным рабочим ресурсом. Служить ВЭУ предстоит два десятилетия, и чем меньше на это время придется регламентных и ремонтных работ, тем дешевле обойдется эксплуатация.

Крылом по ветру

Не зря во время бури на корабле спускают паруса — использовать энергию ветра на благо возможно лишь до какого-то предела. Когда дует слишком сильно, приходится защищаться — начинают расти нагрузки на лопасти, на башню, на корпус гондолы. До эпохи мегаваттных ВЭУ проблема защиты ветряка от сильных порывов ветра решалась за счет более массивных башен и более прочных лопастей. Профиль крыльев конструировался таким образом, что при достижении определенной скорости потока воздуха от конца лопасти вниз шло нарастание срыва потока и возникала потеря подъемной силы. Так удавалось предохранить генератор от вращения на нерасчетных оборотах, что привело бы к его поломке. Однако поистине революционным решением, позволившим современным ветроустановкам достичь мегаваттных мощностей, стало введение в конструкцию ВЭУ системы управления углом атаки лопастей (pitch control). Эта интеллектуальная система отслеживает количество энергии, поступающей на ветроколесо, и поддерживает оптимальные обороты за счет поворота лопастей вокруг продольной оси и изменения подъемной силы. Изменение угла атаки выполняется с помощью специальных приводов в ступице, поворачивающих лопасти.

Система pitch control позволяет не только поддерживать вращение ротора в заданном диапазоне скоростей, но и помогает решить проблему безопасности всей ВЭУ — остановить ветроколесо при буревом ветре и избежать резонансного раскачивания башни. Дело в том, что ветрогенератор может попасть в резонанс от некоторых нагрузок — как от пульсации самого воздуха, так и от толчков, которые возникают, когда лопасть проходит мимо башни. Если смотреть издали, этот эффект практически незаметен, но если встать близко к башне, он вполне ощутим. Теперь представим себе, что частота этих толчков попала в резонанс с собственной резонансной частотой колебания башни. Итог нетрудно предсказать — ВЭУ разрушится. Конечно, бороться с этим эффектом можно, повышая частоту колебаний башни, то есть утолщая и утяжеляя ее. Это скажется на стоимости монтажа и материалов. А можно оставить ее изящной, но с помощью системы управления углом атаки заставить ветроколесо быстро проходить опасный режим.

15 тонн как часы

Не менее высокотехнологично и содержимое гондолы ветрогенератора. В большинстве действующих сегодня ВЭУ мегаваттного класса используется мультипликатор — 3−4-ступенчатая система зубчатых передач, которая позволяет повысить обороты с 15 об/мин на валу ветроколеса до 1500 об/мин на валу электрогенератора. И хоть зубчатыми передачами мир давно не удивишь, мультипликатор ВЭУ — случай особый. Современный мультипликатор — это махина весом в 12−15 т, которая имеет КПД не ниже 97%. Это, с одной стороны, весьма габаритная, а с другой — в высшей степени прецизионная механика. Для изготовления мультипликатора требуются высококачественные сплавы, сверхточная обработка поверхности. Особенно это касается высокооборотной ступени — той, что ближе к генератору. Требуются специальные масла, которые облегчают ход механизма и отводят в систему воздушного охлаждения те самые 3% потерь, которые преобразуются в тепло. Только так можно обеспечить низкий вес мультипликатора, высокий КПД и высокую износоустойчивость конструкции для длительного ресурса механизма.

И мозги пригодятся

Создатели ВЭУ непрерывно борются за повышение энергетической и экономической эффективности установок, повышая КПД компонентов (ветроколеса, мультипликатора, генератора и преобразователя), улучшая надежность конструкций и снижая их массу и цену. Борьба идет за несколько процентов (1−3) и даже за их доли. Сильнейший фактор в борьбе за энергетическую эффективность ВЭУ — система управления (СУ) и программное обеспечение (ПО). Современная СУ, снабженная ПО, максимально учитывающим особенности ветров и характеристики потребителей энергии, может дать повышение энергоотдачи на 10 и более процентов.

 Свои высокотехнологические особенности имеют, разумеется, и генератор, и система электрических тормозов, и конструкция обтекателя гондолы. Так может ли подобная наукоемкая продукция производиться в России?

Как купить черенок от лопаты

В статье «Бросим надежды на ветер» нашим собеседником была высказана весьма категоричная точка зрения — в России ветрогенераторы мегаваттного класса делать не умеют, и если решение о создании мощных ветропарков будет у нас принято, оборудование придется покупать у грандов индустрии из Германии, Дании и США. Чтобы выслушать альтернативную точку зрения, мы пригласили в редакцию руководителей проекта «Новый ветер» Вениамина Нырковского и Андрея Кулакова. Главная задача этого проекта — интеграция отечественных научных и промышленных возможностей для производства российских моделей ВЭУ.

«Цель нашего проекта — развитие российской ветроэнергетики как самостоятельной отрасли машиностроения, — говорит Андрей Кулаков, — однако к этому выводу мы пришли не сразу. Предварительные расчеты показывают: чтобы Россия в 2025 году имела 4,5% «зеленой электроэнергии’, необходимо будет построить ветропарки общей мощностью 8−10 ГВт. Где взять эти 5000 ВЭУ, если машиностроительные мощности Европы, Индии и Китая загружены «внутренним’ заказом? Ответ очевиден. Надо научиться производить здесь, в России.

Мощности для этого есть. Да и компетенции хватает. С металлом, а ВЭУ все-таки металлическая конструкция, наши мастера работают давно и в качестве не уступают иностранцам.

Лицензия? Мы проездили практически всю Европу — от Южной Австрии до Голландии — и поняли, что купить лицензию на выгодных для нас условиях попросту не получится. Во‑первых, предлагаются морально устаревшие конструкции минимум десятилетней давности, а прогресс в этой отрасли такой стремительный, что десять лет — это целая эпоха. Во‑вторых, по условиям лицензии мы получим, образно выражаясь, не лопату, а черенок от лопаты. Нам ограничат рынок сбыта, и свою продукцию мы не сможем продавать нигде, кроме России. Нам навяжут производителей генераторов, мультипликаторов, лопастей, системы управления, подшипников. Именно в этой продукции «зашит’ основной хайтек, но в лицензию она не входит, составляя при этом более 50% цены всей ВЭУ. Нам остаются башня, корпус гондолы и ступица. За это с нас попросят не менее? 10 млн. Есть ли в этом смысл?»

Середина золотая и доступная

«Вопреки скептическому мнению о возможностях нашей науки и промышленности мы пришли к выводу, что в России современные мощные ВЭУ производить можно, — продолжает тему Вениамин Нырковский.- Единственное, что мы очевидно «не потянем’, — это многоступенчатый мультипликатор с его прецизионной механикой. Таких производств в нашей стране нет, а их создание потребует миллиардов долларов. Но ситуация не безвыходная.

Сейчас порядка 17% представленных на рынке ветряков работают по системе direct drive, то есть обходятся вообще без мультипликатора. У этой схемы есть один большой плюс — наличие минимума движущихся частей, что добавляет конструкции надежности и уменьшает потери энергии. Но есть и большой минус: генератор, вал которого вращается со скоростью ветроколеса, должен быть очень большим. Для двухмегаваттной ВЭУ, работающей с многоступенчатой коробкой передач (мультипликатором), генератор будет иметь диаметр около 1,5 м и вес около 10 т. В установке системы direct drive той же мощности его диаметр составит более 7 м, а вес- около 60 т. Кстати, Россия — одна из немногих стран, где такие гигантские генераторы делать умеют. Правда, они предназначены для ГЭС и условия их эксплуатации сильно отличаются из-за различия динамики колебания энергии. Кроме того, 60-тонный генератор весьма непросто транспортировать, особенно в труднодоступные районы, и очень сложно монтировать на башне — нужна специальная крановая техника, которую перевозить также очень сложно.

Но есть и «золотая середина» — среднеоборотные генераторы, работающие по системе multibrid. В этом варианте между валом ветроколеса и валом генератора ставится одноступенчатый планетарный мультипликатор, который передает на вал генератора вращение со скоростью не 1500, а 150 об/мин, при этом получается единый конструктивный моноблок «мультипликатор-генератор» (ММГ). Причем среднеоборотный генератор имеет уже вполне приемлемые габариты. При той же мощности 2 МВт он будет иметь диаметр 2,5−3 м и вес порядка 30 т. Сделать такой генератор и одноступенчатую передачу к нему в России могут, и даже не на одном предприятии. Конечно, что-то придется покупать — например, оборудование и технологии, связанные с производством лопастей, но эти расходы окажутся явно меньше, чем плата за лицензию на «черенок от лопаты’. Остальное — гондола, ступица, башня — не представляет для нашей промышленности никаких проблем».

Ностальгия по Королеву

В подготовке проекта двухмегаваттного генератора, разработанного специалистами «Нового ветра», участвовали всего около двух десятков человек. Это доказывает, что даже такие масштабные инициативы по плечу правильно подобранной команде специалистов. «В процессе работы над проектом, — говорит Нырковский, — нам не раз говорили: «Вы сами не справитесь, тут нужны целые институты!’ А мы отвечаем: «Нет, нам нужны не институты, нам нужны отдельные специалисты, которые занимаются, скажем, в ЦАГИ аэродинамикой низких скоростей. Или проблемами механики, динамики, прочности материалов в других институтах и КБ’. Для производства ВЭУ у нас есть теоретическая основа, есть конструкция, есть потенциальная производственная база. Чего у нас нет — так это специалистов по строительству и эксплуатации ветропарков. Но мы решим этот вопрос так же просто — пригласим к себе на работу опытных инженеров из западных компаний. Наймем отдельных людей, вместо того чтобы подряжать целые корпорации. И трансфер мозгов вместо трансфера технологий обойдется, поверьте, намного дешевле. Мне вообще кажется, — завершает свой монолог Вениамин Иванович, — что технический прогресс в России не идет не из-за отсутствия денег. Деньги вроде бы где-то ходят, но либо идут не туда, либо тратятся не на то что надо. А все от того, что организацию производственных проектов берут на себя исключительно экономисты, мыслящие на уровне корпоративного управления и биржевых котировок. При этом большие конструкторские проекты с высокой степенью интеграции мы разучились доверять тем, кто понимает суть процессов создания техники и организации ее производства. И где нам взять новых Туполевых и Королевых вместо «менеджеров широкого профиля’?»

/www.popmech.ru/

Как работает ветряк?

Что такое ветряная турбина?

Ветряная турбина — это очень современная версия ветряной мельницы. Проще говоря, он использует силу ветра для создания электричества. Наиболее заметны большие ветряные турбины, но вы также можете купить небольшую ветряную турбину для индивидуального использования, например, для обеспечения электроэнергией каравана или лодки.

Что такое ветряная электростанция?

Ветряная электростанция представляет собой группу ветряных турбин. Впечатляет мысль о том, что электричество, которое питает так много в нашей жизни — от зарядки наших телефонов до возможности приготовить чашку кофе и, во все большей степени, заправки наших автомобилей — могло начаться как простой порыв ветра. .

Как работает ветряная турбина?

Сначала давайте начнем с видимых частей ветряной электростанции, которые мы все привыкли видеть, — высоких белых или бледно-серых турбин. Каждая из этих турбин состоит из набора лопастей, коробки рядом с ними, называемой гондолой, и вала. Ветер — а это может быть и просто легкий бриз — заставляет лопасти вращаться, создавая кинетическую энергию. Лопасти, вращающиеся таким образом, также заставляют вращаться вал в гондоле, а генератор в гондоле преобразует эту кинетическую энергию в электрическую энергию.

Что дальше будет с электричеством, вырабатываемым ветряной турбиной?

Для подключения к национальной сети электроэнергия затем проходит через трансформатор на объекте, который повышает напряжение до напряжения, используемого национальной системой электроснабжения. Именно на этом этапе электричество обычно поступает в сеть передачи National Grid, готовое к передаче, чтобы в конечном итоге его можно было использовать в домах и на предприятиях. В качестве альтернативы ветряная электростанция или отдельная ветряная турбина могут генерировать электроэнергию, которая используется в частном порядке отдельными или небольшими домами или предприятиями.


Почему ветряные турбины обычно белого или бледно-серого цвета?

Ветряные турбины, как правило, бывают либо белыми, либо очень бледно-серыми — идея состоит в том, чтобы сделать их визуально ненавязчивыми. Ведется дискуссия о том, следует ли красить их в другие цвета, особенно в зеленый, в некоторых местах, чтобы помочь им лучше слиться с окружающей средой.

Насколько сильным должен быть ветер, чтобы ветряк работал?

Ветряные турбины могут работать при любой скорости ветра, от очень слабого до очень сильного.Они генерируют около 80% времени, но не всегда на полную мощность. При очень сильном ветре они отключаются, чтобы предотвратить повреждение.

Где расположены ветряные электростанции?

Ветряные электростанции, как правило, располагаются в самых ветреных местах, чтобы максимизировать энергию, которую они могут производить, поэтому вы, скорее всего, увидите их на склонах холмов или на побережье. Ветряные электростанции, расположенные в море, называются оффшорными ветряными электростанциями, а те, что на суше, — береговыми ветряными электростанциями.

Где был первый ветряк и первая ветряная электростанция?

Самая первая ветряная турбина, производившая электричество, была создана профессором Джеймсом Блитом в его загородном доме в Шотландии в 1887 году.Он был высотой 10 м и имел парусную ткань.

Первая в мире ветряная электростанция открылась в Нью-Гэмпшире в США в 1980 году.

Вредны ли ветряные электростанции для птиц?

Дело в том, что изменение климата представляет наибольшую долгосрочную угрозу для птиц и других диких животных. А возобновляемая энергия, ключевым компонентом которой являются ветряные турбины, необходима для сокращения парниковых газов .

Британская благотворительная организация Королевское общество защиты птиц ( RSPB ) признает эту более широкую картину, заявляя: «Переход на возобновляемые источники энергии сейчас, а не через 10 или 20 лет, необходим, если мы хотим стабилизировать парниковые газы в атмосфера на безопасном уровне.”

Разработчики ветряных электростанций тесно сотрудничают с RSPB и местными экологическими группами в рамках процесса консультаций по размещению ветряных электростанций, чтобы продолжить рост наземной и морской ветроэнергетики, уравновешивая любой потенциальный вред птицам из-за потери среды обитания, нарушения и столкновение.

В отчете США сделан вывод о том, что влияние энергии ветра на популяции птиц относительно невелико по сравнению с падением птиц до кошек и столкновениями с высотными зданиями.

Какая часть электроэнергии Великобритании вырабатывается за счет ветра?

Узнайте, какая часть электроэнергии в Великобритании вырабатывается за счет ветра, с помощью приложения National Grid ESO для Google Play или Apple iOS .

Как работают ветряные турбины? | Блог

Ball Corporation удовлетворяет половину своих текущих энергетических потребностей США за счет энергии ветра.

 

Что такое энергия ветра?

Люди использовали силу ветра тысячи лет. Ветер двигал лодки по реке Нил, перекачивал воду и перемалывал зерно, поддерживал производство продуктов питания и многое другое.Сегодня кинетическая энергия и мощность естественных воздушных потоков, называемых ветром, широко используются для производства электроэнергии. Одна современная оффшорная ветряная турбина может генерировать более 8 мегаватт (МВт) энергии, что достаточно для чистого питания почти шести домов в течение года. Береговые ветряные электростанции вырабатывают сотни мегаватт, что делает энергию ветра одним из самых рентабельных, чистых и доступных источников энергии на планете.

Энергия ветра является самым дешевым крупномасштабным возобновляемым источником энергии и крупнейшим источником возобновляемой энергии в США.С. сегодня. В стране насчитывается около 60 000 ветряных турбин общей мощностью 105 583 мегаватт (МВт). Этого достаточно для электроснабжения более 32 миллионов домов!

График совокупной мощности ветра в США, данные предоставлены Американской ассоциацией ветроэнергетики (AWEA).

Преимущества энергии ветра:

  1.  Ветряные турбины обычно возмещают выбросы углерода в течение всего срока службы, связанные с их развертыванием, менее чем за год, прежде чем обеспечить до 30 лет практически безуглеродного производства электроэнергии.
  2. Энергия ветра помогает сократить выбросы углекислого газа — в 2018 году удалось избежать выбросов CO2 на 201 миллион метрических тонн.
  3. Энергия ветра обеспечивает налоговые поступления сообществам, в которых реализуются проекты. Например, государственные и местные налоговые платежи от ветровых проектов в Техасе составили 237 миллионов долларов.
  4. Ветроэнергетика способствует созданию рабочих мест, особенно во время строительства. В 2018 году в отрасли было создано 114 000 рабочих мест в США.
  5. Энергия ветра обеспечивает стабильный дополнительный источник дохода: проекты ветровой энергии ежегодно приносят более 1 миллиарда долларов правительствам штатов и местным органам власти, а также частным землевладельцам.

 

Как выглядит проект ветроэнергетики?

Ветроэнергетический проект или ферма относится к большому количеству ветряных турбин, которые построены близко друг к другу и функционируют так же, как электростанция, отправляя электроэнергию в сеть.

Фотография ветряных турбин в рамках проекта Frontier Windpower II в Оклахоме

Проект Frontier Windpower I в округе Кей, штат Оклахома, работает с 2016 года и расширяется за счет проекта Frontier Windpower II.После завершения строительства Frontier I и II будут генерировать в общей сложности 550 мегаватт энергии ветра — этого достаточно для питания 193 000 домов.

Как работают ветряные турбины?

Схема компонентов стандартной ветряной турбины

Энергия вырабатывается вращающимися ветряными турбинами, использующими кинетическую энергию движущегося воздуха, которая преобразуется в электричество. Основная идея заключается в том, что ветряные турбины используют лопасти для сбора потенциальной и кинетической энергии ветра. Ветер вращает лопасти, которые раскручивают ротор, соединенный с генератором для выработки электроэнергии.

Большинство ветряных турбин состоят из четырех основных частей:

  • Лезвия прикреплены к ступице, которая вращается вместе с лезвиями. Лопасти и ступица вместе образуют ротор.
  • В гондоле находится редуктор, генератор и электрические компоненты.\
  • Башня удерживает лопасти ротора и генераторное оборудование высоко над землей.
  • Фундамент удерживает турбину на земле.

 

Типы ветряных турбин:

Большие и малые турбины делятся на две основные категории в зависимости от ориентации ротора: турбины с горизонтальной осью и турбины с вертикальной осью.

Турбины с горизонтальной осью на сегодняшний день являются наиболее часто используемым типом ветряных турбин. Этот тип турбины приходит на ум при представлении энергии ветра, с лопастями, очень похожими на пропеллер самолета. Большинство этих турбин имеют три лопасти, и чем выше турбина и длиннее лопасть, тем больше электроэнергии вырабатывается.

Турбины с вертикальной осью больше похожи на взбивалку, чем на пропеллер самолета. Лопасти этих турбин прикреплены как вверху, так и внизу вертикального ротора.Поскольку турбины с вертикальной осью работают не так хорошо, как их горизонтальные аналоги, сегодня они встречаются гораздо реже.

Сколько электроэнергии производит турбина?

Это зависит от обстоятельств. Размер турбины и скорость ветра, проходящего через лопасти ротора, определяют количество производимой электроэнергии.

За последнее десятилетие ветряные турбины стали выше, что позволило использовать более длинные лопасти и получить возможность использовать лучшие ветровые ресурсы, доступные на больших высотах.

Для сравнения: ветряная турбина мощностью около 1 мегаватта может производить достаточно чистой энергии примерно для 300 домов в год. Ветряные турбины, используемые на наземных ветряных электростанциях, обычно генерируют от 1 до почти 5 мегаватт. Скорость ветра обычно должна составлять примерно 9 миль в час или более, чтобы большинство ветряных турбин коммунального назначения начали производить электроэнергию.

Каждый тип ветряной турбины способен генерировать максимальную электроэнергию в пределах диапазона скоростей ветра, часто между 30 и 55 милями в час.Однако, если ветер дует меньше, производство обычно уменьшается экспоненциально, а не останавливается полностью. Например, количество генерируемой энергии уменьшается в восемь раз, если скорость ветра падает вдвое.

Кто занимается обслуживанием ветряных турбин?

Высококвалифицированные специалисты по ветровой энергии из Duke Energy Renewables поднимаются на сотни футов, чтобы выполнить техническое обслуживание турбин

Что происходит, когда возникает неисправность в высокой ветровой турбине? Ветротехники, такие как Рене Лопес и его товарищи по команде Duke Energy Renewables, поднимаются на вершину, чтобы быстро и безопасно починить ее.

Рене говорит, что, неся около 45 фунтов снаряжения и инструментов, опытным техникам может потребоваться 20 или более минут, чтобы добраться до гондолы, которая находится на высоте 300 футов в верхней части ветряной турбины.

Рене Лопес, специалист по ветровой энергии в Duke Energy Renewables

Специалисты по ветровой энергии отвечают за поиск и устранение неисправностей и ремонт электроники и механизмов, обеспечивающих вращение лопастей. Каждый технический специалист проходит как минимум двухлетнюю техническую программу для получения сертификата, а затем проходит более 50 часов обучения, прежде чем его назначают на должность в полевых условиях.Безопасность также является постоянным и ежедневным вниманием к работе, потому что подъем на гондолу турбины может быть опасным. В Duke Energy Renewables практикуется, документируется и анализируется строгий режим безопасности, чтобы гарантировать, что безопасность остается главным приоритетом.

При надлежащем обучении технические специалисты также могут использовать дроны, чтобы упростить и сделать более безопасным осмотр высотного оборудования. Дроны могут приближать оборудование, что облегчает обнаружение небольших дефектов, таких как трещины на ветряной турбине, и снижает необходимость для техников взбираться на турбины и спускаться по лопастям.Это может быть особенно полезно, когда дороги мокрые или непроходимые.

Стоит ли рассматривать решения для ветроэнергетики?

Производство ветровой энергии остается одним из наименьших углеродных следов из всех источников энергии. Он играет важную роль в будущем энергоснабжения нашей страны, поддерживая энергетический переход нашего мира и растущий спрос на устойчивые энергетические ресурсы.

Ветер также является одним из лучших способов для корпораций, университетов, городов, коммунальных служб и других организаций быстро перейти на безэмиссионную энергию в масштабе.Одно соглашение о покупке виртуальной энергии (VPPA) может обеспечить от десятков до сотен мегаватт чистой нулевой электроэнергии на срок от 10 до 25 лет. В большинстве соглашений также ставится отметка о дополнительности, что означает чистые новые источники экологически чистой энергии, замещающие потенциально старые источники энергии с более высоким уровнем выбросов.

Где лучше всего разместить проект ветроэнергетики?

Существует шесть основных соображений для проектов в области ветроэнергетики:

  • Наличие ветра и желаемые местоположения
  • Воздействие на окружающую среду
  • Вклад сообщества и местные потребности в производстве возобновляемой энергии
  • Благоприятная политика на уровне штата и на федеральном уровне
  • Доступность земли
  • Возможность подключения к электросети

Как и в случае с коммерческими солнечными фотоэлектрическими проектами, перед запуском ветроэнергетической установки необходимо получить разрешения.Этот важный шаг поможет определить, является ли проект финансово жизнеспособным и имеет ли он благоприятный профиль рисков. В конце концов, цель состоит в том, чтобы коммерческие ветровые проекты доставляли электроны в сеть на десятилетия вперед. Обеспечение финансовой устойчивости строителя И проекта обеспечит успех для поколения или более.

Как работает ветер — Sunflower Electric

Как работает ветряная турбина?

Группа ветряных турбин может производить электроэнергию для коммунальной сети.Электроэнергия отправляется по линиям передачи и распределения к месту назначения – домам, предприятиям, школам и т. д.

Эти ветряные турбины с тремя лопастями работают «против ветра», а лопасти обращены против ветра. Другой распространенный тип ветряной турбины — двухлопастная турбина с подветренной стороны.

Так как же ветряные турбины производят электричество? Проще говоря, ветряная турбина работает противоположно вентилятору. Вместо того, чтобы использовать электричество для создания ветра, как вентилятор, ветряные турбины используют ветер для производства электричества.Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, который соединяется с генератором и вырабатывает электричество. Количество электроэнергии, вырабатываемой ветром, зависит от того, сколько механической энергии исходит от самого ветра. Одиночные небольшие турбины мощностью менее 50 киловатт используются для домов, телекоммуникационных антенн или перекачки воды. Электроэнергия, вырабатываемая промышленной турбиной, собирается, напряжение повышается на подстанции и, наконец, подается на высоковольтные линии электропередачи, где она смешивается с электроэнергией других электростанций и доставляется потребителям.

Взгляните на ветряную турбину крупным планом

Глоссарий по ветряным турбинам

Анемометр : измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

Лопасти : Большинство турбин имеют две или три лопасти. Ветер, дующий на лопасти, заставляет лопасти «подниматься» и вращаться.

Тормоз : Дисковый тормоз с механическим, электрическим или гидравлическим приводом для остановки ротора в аварийных ситуациях.

Контроллер : Контроллер запускает машину при скорости ветра от 8 до 16 миль в час (миль в час) и выключает машину при скорости около 65 миль в час. Турбины не могут работать при скорости ветра выше 65 миль в час, потому что их генераторы могут перегреться.

Коробка передач : Шестерни соединяют низкоскоростной вал с высокоскоростным валом и увеличивают скорость вращения примерно с 30–60 оборотов в минуту (об/мин) до примерно 1200–1500 об/мин. производить электричество.Коробка передач является дорогостоящей (и тяжелой) частью ветряной турбины, и инженеры изучают генераторы с «прямым приводом», которые работают на более низких скоростях вращения без коробок передач.

Генератор : Обычно серийный асинхронный генератор, вырабатывающий электричество переменного тока с частотой 60 циклов.

Высокоскоростной вал : Приводит в движение генератор.

Тихоходный вал : Ротор вращает низкоскоростной вал со скоростью от 30 до 60 оборотов в минуту.

Гондола : Ротор крепится к гондоле, которая находится на вершине башни и включает в себя коробку передач, низкоскоростные и высокоскоростные валы, генератор, контроллер и тормоз.Крышка защищает компоненты внутри гондолы. Некоторые гондолы достаточно велики, чтобы техник мог стоять внутри во время работы.

Шаг : Лопасти автоматически поворачиваются или наклоняются против ветра, чтобы ротор не вращался при ветре, который слишком сильный или слишком слабый для производства электроэнергии.

Ротор : Лопасти и ступица вместе называются ротором.

Башня : Башни изготовлены из трубчатой ​​стали (показана здесь) или стальной решетки.Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам захватывать больше энергии и генерировать больше электроэнергии.

Направление ветра : Турбина «против ветра» называется так потому, что она работает против ветра. Другие турбины предназначены для работы «по ветру», против ветра.

Флюгер : измеряет направление ветра и связывается с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину по отношению к ветру.

Привод рыскания : Турбины с наветренной стороны обращены к ветру; привод рыскания используется для удержания ротора лицом к ветру при изменении направления ветра.Ветряные турбины не требуют привода рыскания; ветер сдувает ротор по ветру.

Двигатель рыскания : Управляет приводом рыскания.

Типы генераторов ветряных турбин и конструкция для ветроэнергетики

Типы генераторов ветряных турбин

Ветряная турбина состоит из двух основных компонентов, и, рассмотрев один из них, конструкцию лопасти ротора в предыдущем уроке, мы можем теперь посмотреть с другой стороны, генератор ветряных турбин или WTG , который представляет собой электрическую машину, используемую для выработки электроэнергии.Электрический генератор с низкой частотой вращения используется для преобразования механической мощности вращения, производимой энергией ветра, в полезную электроэнергию для снабжения наших домов и является сердцем любой ветровой энергетической системы.

Преобразование вращательной механической энергии, генерируемой лопастями несущего винта (известной как первичный двигатель), в полезную электрическую энергию для использования в бытовых электроэнергетических и осветительных приборах или для зарядки аккумуляторов может осуществляться любым из следующих основных типов вращательных двигателей. электрические машины, обычно используемые в ветроэнергетических установках:

  • 1.Машина постоянного тока (DC), также известная как Dynamo
  • 2. Синхронная машина переменного тока (AC), также известная как генератор переменного тока
  • 3. Индукционная машина переменного тока (AC), также известный как Генератор переменного тока

Все эти электрические машины являются электромеханическими устройствами, которые работают по закону электромагнитной индукции Фарадея. То есть они действуют за счет взаимодействия магнитного потока и электрического тока, или потока заряда.Поскольку этот процесс является обратимым, одну и ту же машину можно использовать в качестве обычного электродвигателя для преобразования электрической энергии в механическую или в качестве генератора, преобразующего механическую энергию обратно в электрическую.

Индукционный генератор для ветряных турбин

Электрические машины, наиболее часто используемые для ветряных турбин, действуют как генераторы, при этом синхронный генератор и асинхронный генератор (как показано) обычно используются в более крупных системах ветряных турбин.Обычно в небольших или самодельных ветряных турбинах используется низкоскоростной генератор постоянного тока с постоянными магнитами или динамо-машина, поскольку они маленькие, дешевые и их намного проще подключить.

Так имеет ли значение, какой тип электрического генератора мы можем использовать для производства энергии ветра? Простой ответ: и да, и нет, поскольку все зависит от типа системы и приложения, которое вы хотите. Выход постоянного тока низкого напряжения от генератора или динамо-машины старого типа можно использовать для зарядки аккумуляторов, в то время как синусоидальный выход переменного тока с более высоким напряжением от генератора переменного тока можно подключить непосредственно к местной электросети.

Кроме того, выходное напряжение и потребляемая мощность полностью зависят от имеющихся у вас приборов и от того, как вы хотите их использовать. Кроме того, расположение генератора ветровой турбины, будет ли ветровой ресурс поддерживать его постоянное вращение в течение длительных периодов времени, или скорость генератора и, следовательно, его мощность будут меняться вверх и вниз в зависимости от имеющегося ветра.

Генерация электроэнергии

Ветряной генератор — это то, что производит электричество путем преобразования механической энергии в электрическую.Давайте внесем ясность: они не производят энергии и не производят больше электроэнергии, чем количество механической энергии, используемой для вращения лопастей ротора. Чем больше «нагрузка» или электрическая нагрузка на генератор, тем больше механической силы требуется для вращения ротора. Вот почему генераторы бывают разных размеров и производят разное количество электроэнергии.

В случае «ветрового генератора» ветер давит прямо на лопасти турбины, что преобразует прямолинейное движение ветра во вращательное движение, необходимое для вращения ротора генератора, и чем сильнее давит ветер, тем сильнее можно получить больше электроэнергии.Затем важно иметь хорошую конструкцию лопастей ветряной турбины, чтобы извлекать как можно больше энергии из ветра.

Все электрические турбинные генераторы работают из-за эффектов прохождения магнитного поля через электрическую катушку. Когда электроны проходят через электрическую катушку, вокруг нее создается магнитное поле. Точно так же, когда магнитное поле проходит мимо катушки с проволокой, в катушке индуцируется напряжение, определяемое законом магнитной индукции Фарадея, заставляющим течь электроны.

Простой генератор, использующий магнитную индукцию

Тогда мы можем видеть, что при перемещении магнита по единственной проволочной петле внутри проволочной петли индуцируется напряжение, известное как ЭДС (электродвижущая сила), благодаря магнитному полю магнит.

Когда в проводной петле индуцируется напряжение, электрический ток в виде потока электронов начинает течь по петле, генерируя электричество.

Но что, если бы вместо одной отдельной петли провода, как показано, у нас было бы много петель, намотанных вместе на одном и том же каркасе, чтобы сформировать катушку провода, гораздо большее напряжение и, следовательно, ток можно было бы генерировать для той же величины магнитного потока.

Это связано с тем, что магнитный поток пересекает большее количество проводов, создавая большую ЭДС, и это основной принцип закона электромагнитной индукции Фарадея, и генератор переменного тока использует этот принцип для преобразования механической энергии, такой как вращение от ветряной турбины или гидроэлектростанции. турбины, в электрическую энергию, производящую синусоидальную форму волны.

Итак, мы видим, что есть три основных требования для производства электроэнергии, а именно:

  • Катушка или набор проводников
  • Система магнитного поля
  • Относительное движение между проводниками и полем

Тогда чем быстрее катушка проволоки вращается, тем больше скорость изменения, с которой магнитный поток отсекается катушкой, и тем больше ЭДС индукции внутри катушки. Точно так же, если магнитное поле сделать сильнее, ЭДС индукции будет увеличиваться при той же скорости вращения.Таким образом: ЭДС индукции ∝ Φ*n. Где: «Φ» — поток магнитного поля, а «n» — скорость вращения. Также полярность генерируемого напряжения зависит от направления магнитных линий потока и направления движения проводника.

Существует два основных типа электрических генераторов и генераторов переменного тока: генератор с постоянными магнитами и генератор магнитного поля , причем оба типа состоят из двух основных частей: статора и ротора .

Статор является «неподвижной» (отсюда и название) частью машины и может иметь в своей конструкции либо набор электрических обмоток, образующих электромагнит, либо набор постоянных магнитов. Ротор – это часть машины, которая «вращается». Опять же, ротор может иметь выходные катушки, которые вращаются, или постоянные магниты. Как правило, генераторы и генераторы переменного тока, используемые для генераторов ветряных турбин, определяются тем, как они генерируют свой магнетизм, будь то электромагниты или постоянные магниты.

Реальных преимуществ и недостатков обоих типов нет. В большинстве бытовых ветряных турбин на рынке используются постоянные магниты в конструкции турбогенератора, которые создают необходимое магнитное поле при вращении машины, хотя в некоторых все же используются электромагнитные катушки.

Эти высокопрочные магниты обычно изготавливаются из редкоземельных материалов , таких как неодимовое железо (NdFe) или самарий-кобальт (SmCo), что устраняет необходимость в обмотках возбуждения для обеспечения постоянного магнитного поля, что приводит к более простой и надежной конструкции. строительство.

Обмотки возбуждения имеют то преимущество, что их магнетизм (и, следовательно, мощность) согласуется с изменяющейся скоростью ветра, но для создания необходимого магнитного поля требуется внешний источник энергии.

Теперь мы знаем, что электрический генератор обеспечивает преобразование энергии между механическим крутящим моментом, создаваемым лопастями ротора, называемым первичным двигателем, и некоторой электрической нагрузкой.

Механическое соединение ветрогенератора с лопастями ротора осуществляется через главный вал, который может быть либо простой прямой передачей, либо с помощью редуктора для увеличения или уменьшения скорости генератора относительно скорости вращения лопастей.

Использование редуктора позволяет лучше согласовать скорость генератора со скоростью турбины, но недостатком использования редуктора является то, что как механический компонент он подвержен износу, снижая эффективность системы. Однако прямой привод может быть более простым и эффективным, но вал и подшипники ротора генератора подвергаются полному весу и вращательной силе лопастей ротора.

Кривая выходной мощности генератора ветровой турбины

Таким образом, тип генератора ветровой турбины, необходимый для конкретного места, зависит от энергии, содержащейся в ветре, и характеристик самой электрической машины.Все ветряные турбины имеют определенные характеристики, связанные со скоростью ветра.

Генератор (или генератор переменного тока) не будет производить выходную мощность до тех пор, пока его скорость вращения не превысит скорость его включения, когда сила ветра на лопастях ротора достаточна для преодоления трения, а лопасти ротора разгоняются до такой степени, что генератор может начать производить полезную мощность.

При превышении этой скорости включения генератор должен генерировать мощность, пропорциональную кубу скорости ветра ( K.V 3  ), пока не достигнет максимальной номинальной выходной мощности, как показано на рисунке.

При превышении этой номинальной скорости ветровая нагрузка на лопасти ротора будет приближаться к максимальной силе электрической машины, и генератор будет производить максимальную или номинальную выходную мощность по мере достижения окна номинальной скорости ветра.

Если скорость ветра продолжает увеличиваться, генератор ветряной турбины остановится в точке отключения, чтобы предотвратить механические и электрические повреждения, что приведет к нулевой выработке электроэнергии. Применение тормоза для остановки генератора из-за его повреждения может быть либо механическим регулятором, либо электрическим датчиком скорости.

Купить ветряной генератор, такой как ветряной генератор ECO-WORTHY 400 Вт для зарядки аккумулятора, непросто, и необходимо учитывать множество факторов. Цена — лишь один из них. Обязательно выберите электрическую машину, соответствующую вашим потребностям. Если вы устанавливаете систему, подключенную к сети, выберите генератор сетевого напряжения переменного тока.

Если вы собираетесь установить систему на основе аккумуляторов, ищите генератор постоянного тока для зарядки аккумуляторов. Также примите во внимание механическую конструкцию генератора, такую ​​как размер и вес, скорость работы и защиту от окружающей среды, так как весь свой срок службы он будет установлен на вершине столба или башни.

В следующем уроке о Генераторах ветряных турбин мы рассмотрим машины постоянного тока и то, как мы можем использовать генератор PMDC для производства электроэнергии из энергии ветра. Чтобы узнать больше о «Генераторах ветряных турбин» или получить дополнительную информацию об энергии ветра о различных доступных системах генерации ветряных турбин, или изучить преимущества и недостатки энергии ветра, щелкните здесь, чтобы получить копию одного из лучших «Ветряные турбины». Путеводители» сегодня напрямую от Amazon.

Как работают ветряные турбины — вот что вам нужно знать

Они похожи на пропеллеры самолетов, которые крутятся на месте кругами, крутятся весь день.Ветряные турбины берут кинетическую энергию ветра и используют свои гигантские роторы, чтобы уловить часть ее и превратить в электричество, и они могут сыграть ключевую роль в спасении нас от катастрофического изменения климата. Давайте подробнее рассмотрим, как на самом деле работают ветряные турбины.

Изображение предоставлено: Flickr / Richard Edmond

Ветряные турбины основаны на простом принципе, по сути: ветер вращает лопасти, что заставляет вращаться ось, которая подключена к генератору, вырабатывающему электричество. Чем сильнее ветер, тем больше электроэнергии вырабатывается.Вот почему мы обычно видим по всему миру ветряные электростанции промышленного масштаба с высокими башнями и большими лопастями: более крупные лопасти могут собирать больше энергии и более эффективны. Но в то время как основной принцип прост, технология сложна.

Ветряные мельницы заставляют мир вращаться

Турбина — это машина, которая вращается и улавливает часть проходящей мимо энергии. Все виды машин используют турбины, от реактивных двигателей до гидроэлектростанций. В ветродвигателе лопасти ротора являются «турбинной» частью, аналогично крыльям аэродинамического профиля самолета.Они имеют изогнутую форму и приобретают кинетическую энергию (энергию движения) при дуновении ветра.

Хотя мы говорим о «ветряных турбинах», турбина на самом деле является лишь частью этих машин. Для большинства турбин еще одной ключевой частью является генератор, шестерни которого преобразуют относительно медленное вращение вращающихся лопастей в движение с более высокой скоростью. Таким образом, ветер обеспечивает движение и крутящий момент, а генератор делает все остальное, являясь неотъемлемой частью всех турбин.

Чем длиннее лопасти ротора, тем больше энергии они могут получить от ветра.Лопасти умножают силу ветра, как колесо и ось, поэтому часто бывает достаточно ветерка, чтобы заставить лопасти вращаться. Тем не менее, ветряные турбины большую часть времени не генерируют максимальную мощность — преднамеренная особенность их конструкции для эффективной работы при постоянно меняющихся ветрах.

Типичная гондола ветряной турбины находится на высоте 85 метров (280 футов) над землей, и для этого есть веская причина. Ветер распространяется намного быстрее, когда на уровне земли нет препятствий. Таким образом, если лопасти ротора турбины находятся высоко в воздухе, они могут улавливать гораздо больше энергии ветра, чем если бы опускались вниз — а улавливание энергии — это то, чем занимаются ветряные турбины.

Большинство ветряных турбин имеют мощность 2-3 мегаватта (МВт), которые могут производить более 6 миллионов киловатт-часов (кВтч) электроэнергии каждый год. Этого достаточно, чтобы удовлетворить потребность в электроэнергии около 1500 домохозяйств. Чем быстрее дует ветер, тем больше электроэнергии вырабатывается — до определенного уровня. Если ветер слишком сильный, турбины отключаются, чтобы предотвратить повреждение.

Ветряные электростанции планируются таким образом, чтобы они находились в местах с надежной силой ветра круглый год.Это, как правило, на вершине холма с большим количеством открытого пространства вокруг и в прибрежных районах. Ветряная турбина обычно имеет КПД 30-45%, а в периоды пикового ветра КПД увеличивается до 50%. Если бы они были на 100% эффективнее, то после прохождения через турбину ветер прекратился бы.

Типы ветряных турбин

Существует два основных типа ветряных турбин: с горизонтальной осью и с вертикальной осью, и размер турбины сильно различается. Длина лопастей является самым большим фактором, определяющим количество электроэнергии, которую может генерировать ветряная турбина.В то время как небольшие турбины могут генерировать около 10 кВт, самая большая из работающих может генерировать до 10 МВт. В настоящее время разрабатываются еще более крупные, особенно для офшоров.

Турбины с горизонтальной осью на сегодняшний день являются наиболее распространенными — это ветряные турбины, с которыми знакомо большинство из нас. Большинство этих турбин имеют три лопасти и работают против ветра, при этом турбина поворачивается наверху башни, поэтому лопасти обращены к ветру.

Между тем, турбины с вертикальной осью больше похожи на взбивалку, чем на пропеллер самолета.Они всенаправленные, а это значит, что их не нужно направлять по ветру для работы. Лопасти крепятся вверху и внизу вертикального ротора. Поскольку они не так эффективны, как горизонтальные, они встречаются гораздо реже, но в некоторых ситуациях открывают большие перспективы.

Использование ветряных турбин

Наземные ветряные турбины могут быть подключены к коммунальной электросети, объединены с фотоэлектрической системой или даже использоваться домовладельцами и фермерами в качестве автономных приложений.Для источников ветровой энергии коммунального масштаба (размером в мегаватт) большое количество ветряных турбин обычно строится близко друг к другу, образуя ветряную электростанцию, также называемую ветряной электростанцией.

Когда турбины любого размера устанавливаются на «потребительской» стороне электросчетчика, они называются «распределенными» ветряными турбинами. Большинство турбин, которые в настоящее время используются в распределенных приложениях, имеют небольшие размеры и используются в жилых, сельскохозяйственных и небольших промышленных приложениях.

Наличие турбины может даже принести вам прибыль, так как вы можете продавать лишнюю энергию, которую не используете (если это позволяет национальная сеть).Однако установка ветряной турбины, как правило, сложнее, чем что-то вроде солнечной панели.

Изображение предоставлено: Flickr / Paul

Оффшорная ветроэнергетика — относительно новая отрасль во всем мире. Турбины имеют тенденцию быть массивными, в некоторых случаях даже выше Статуи Свободы. Их компоненты транспортируются кораблями и баржами, что снижает логистические проблемы, связанные с наземными турбинами. Они могут захватывать мощные океанские ветры и генерировать огромное количество энергии.

Электричество, производимое морскими ветряными турбинами, возвращается на сушу по ряду кабельных систем, проложенных под морским дном.Эта электроэнергия направляется через прибрежные центры нагрузки, которые расставляют приоритеты в том, куда должна идти электроэнергия, и распределяют ее в электрическую сеть для питания домов, школ и предприятий. Это делает морские ветряные турбины более дорогими в установке и управлении, но они также производят больше энергии — распространенный компромисс.

Преимущества и недостатки ветряных турбин

Трудно представить, почему кто-то будет возражать против чистых и экологичных ветряков, особенно по сравнению с грязными угольными электростанциями.Но у них есть некоторые недостатки, которые необходимо тщательно рассмотреть.

Во-первых, они не производят столько энергии, сколько обычные газовые, атомные или угольные электростанции. Типичная турбина имеет максимальную мощность 2 МВт, что достаточно для снабжения 1000 домов, если она производит энергию 30% времени. Самые большие морские ветряные турбины могут производить около 13 МВт, поскольку ветры в море более сильные и более устойчивые, обеспечивая питанием около 6500 домов. Это означает, что нам потребуется 1000 турбин мощностью 2 МВт, чтобы вырабатывать столько же энергии, сколько значительная (2000 МВт) атомная электростанция или станция, работающая на ископаемом топливе. .На практике, поскольку электростанции, работающие на ископаемом топливе, и атомные электростанции постоянно производят энергию, а ветер изменчив, вам потребуется гораздо больше. Энергия ветра непостоянна, и для эффективной энергосистемы требуется предсказуемый источник энергии для удовлетворения меняющегося спроса.

Вот почему смесь разных видов энергии была бы идеальной. Некоторые из них будут производить энергию всякий раз, когда они могут, как ветер, некоторые будут работать постоянно, как атомная станция, некоторые будут производить энергию в часы пик, как гидроэлектростанции, а некоторые будут увеличивать или уменьшать мощность в короткие сроки, как природный газ.Большие, эффективные батареи могут решить эту проблему, но ветер не может быть единственной формой энергии в смеси.

Ветряные турбины также нельзя смешивать вместе. Они должны располагаться на некотором расстоянии друг от друга и занимать много места. Для питания целой страны одним только ветром потребовалось бы покрыть обширную территорию турбинами. Подключение большого количества ветряных турбин к электросети также может быть намного сложнее, чем просто подключение одной электростанции.

Турбины также могут беспокоить диких животных, поскольку они довольно шумные, они приносят людей в этот район и представляют значительный риск столкновения с птицами.Конструкция большинства турбин делает их невидимыми для птиц, что способствует ударам. Вот почему исследования предложили покрасить одну из лопастей ротора в черный цвет, чтобы птицы могли видеть турбины и избегать столкновений.

Положительным моментом является то, что ветряные турбины являются ведущим экологически чистым источником энергии. После того, как они построены, они не производят выбросов двуокиси углерода, вызывающих глобальное потепление, или выбросов двуокиси серы, вызывающих кислотные дожди. Энергия, которую они производят, безгранична и бесплатна в течение типичного срока службы в 25 лет, за исключением запасных частей и технического обслуживания.

Их строительство оказывает определенное воздействие на окружающую среду, поскольку башни и гондолы имеют металлический и бетонный фундамент, чтобы предотвратить их падение. Переработка ветряных турбин, как известно, сложна и действует как своего рода «ахиллесова пята» энергии ветра.

Несмотря на это, они имеют один из самых низких выбросов углекислого газа среди всех форм производства электроэнергии, если смотреть на весь срок их эксплуатации. Они также намного дешевле с точки зрения киловатт-часа электроэнергии, которую они производят.

Насколько велика сейчас энергия ветра?

Прошлый год стал лучшим годом в истории мировой ветроэнергетики: по данным Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC), было установлено 93 ГВт новых мощностей, что на 53% больше по сравнению с прошлым годом.Сегодня во всем мире насчитывается 743 ГВт ветряных электростанций, что помогает избежать выбросов CO2 на 1,1 миллиарда тонн в глобальном масштабе, что эквивалентно ежегодным выбросам в Южной Америке.

Тем не менее, этого роста недостаточно для того, чтобы к 2050 году мир стал углеродно-нейтральным, как это было согласовано в Парижском соглашении 2015 года об изменении климата. Согласно оценкам GWEC, в течение следующего десятилетия мир должен устанавливать ветряные электростанции в три раза быстрее, чтобы оставаться на пути к нулевому уровню выбросов и избежать наихудших последствий изменения климата.

Энергия ветра, безусловно, будет играть большую роль в ближайшие годы, поскольку мир прощается с источниками энергии из ископаемого топлива, чтобы сократить выбросы парниковых газов. Но насколько большая часть будет зависеть от того, где вы находитесь в мире и есть ли лучшие альтернативы. В странах с ветреной погодой (а значит, в подавляющем большинстве стран мира) он точно будет сильным соперником.

Ветряная турбина — Энергетическое образование

Рисунок 1.Ветряная турбина. [1]

Ветряные турбины работают путем преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию, которая используется для выработки электроэнергии путем вращения генератора. Эти турбины могут быть наземными или морскими ветряными турбинами. [2]

Компоненты турбины

Рис. 2. Иллюстрация компонентов ветряной турбины (щелкните, чтобы увеличить). [3]

Современные ветряные турбины бывают разных размеров, но все типы обычно состоят из нескольких основных компонентов: [4]

  • Лопасти ротора — Лопасти ротора ветряной турбины работают по тому же принципу, что и крылья самолета.Одна сторона лезвия изогнута, а другая плоская. Ветер движется быстрее вдоль изогнутой кромки, создавая разницу в давлении с обеих сторон лопасти. Лопасти «толкаются» воздухом, чтобы выровнять разницу давлений, заставляя лопасти вращаться. [5]
  • Гондола – Гондола содержит набор шестерен и генератор. Вращающиеся лопасти связаны с генератором шестернями. Шестерни преобразуют относительно медленное вращение лопастей в скорость вращения генератора примерно 1500 об/мин. [5] Затем генератор преобразует энергию вращения лопастей в электрическую энергию.
  • Башня — Лопасти и гондола установлены на вершине башни. Башня сконструирована таким образом, чтобы удерживать лопасти несущего винта над землей при идеальной скорости ветра. Башни обычно находятся на высоте 50-100 м над поверхностью земли или воды. Оффшорные мачты обычно крепятся ко дну водоема, хотя ведутся исследования по разработке мачты, которая плавает на поверхности. [2]

Визуализация турбины

У MidAmerican Energy Company есть отличное видео о конструкции ветряной турбины , для просмотра нажмите здесь.

Видео ниже, созданное UVSAR, подробно показывает детали турбины.

Для дальнейшего чтения

Ссылки

Как работают генераторы ветряных турбин?

Как работают генераторы ветряных турбин? Ветряные турбины обычно работают по простому принципу: вместо использования электричества для создания ветра (например, вентилятора) ветряные турбины используют ветер для производства электроэнергии.Ветер вращает пропеллерные лопасти турбины внутри ротора, который вращает генератор для выработки электроэнергии.

Как работают генераторы ветряных турбин?

Скорость и характер ветра значительно различаются по всему миру и зависят от растительности, водоемов и различий в рельефе. Люди используют этот поток ветра или силу движения для многих целей: запуск воздушного змея, парусный спорт и даже производство электроэнергии. Термины «энергия ветра» и «энергия ветра» объясняют процесс использования ветра для производства механической энергии или электричества.Эта механическая энергия может использоваться для различных целей (таких как перекачка воды или измельчение зерна), или генератор может преобразовывать эту механическую энергию в электричество.

Как работают генераторы ветряных турбин? (Ссылка: Renewenergyhub.co.uk )

Ветряная турбина преобразует энергию ветра в электричество, используя аэродинамическую силу лопастей ротора, которые работают как лопасти несущего винта вертолета или крыло самолета. Когда ветер движется по лопасти, давление воздуха на одну секцию лопасти уменьшается.Разница в давлении воздуха в двух частях лопасти создает силы сопротивления и подъемной силы.

Подъемная сила больше силы сопротивления, и это заставляет ротор вращаться. Ротор прикреплен к генератору либо прямо (если это турбина с прямым приводом), либо внутри вала и последовательного расположения шестерен (или редуктора), которые увеличивают скорость вращения и позволяют уменьшить физически генератор. Этот эффект аэродинамической силы вращает генератор для производства электроэнергии.Посетите здесь, чтобы увидеть этот эффект теоретически.

Как ветряная турбина вырабатывает электричество?

Основным компонентом ветряной турбины является генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую. С начала 20-го века нам известно, что если вы вращаете проводник в магнитной среде, то он производит электричество в соответствии с законом Фарадея. Итак, ветер обеспечивает крутящий момент и движение, а генератор делает все остальное.

Для промышленных турбин, подобных тем, которые вы можете увидеть на ветряных электростанциях, обычно имеется анемометр, соединенный с панелью управления.Турбина работает при скорости ветра более 8 миль в час, но система отключается при скорости более 50 миль в час, чтобы предотвратить повреждение.

Вид ветряной электростанции (Ссылка: energy.gov )

Коробка передач используется для преобразования медленного движения, которое мы наблюдаем при вращении лопастей, в более быстрое движение оси, которая фактически управляет генератором. Это один из самых дорогих компонентов системы, превращающий скорость от 25 до 50 оборотов в минуту в тысячу об/мин.Это одно из полей, которое разработчики и исследователи стремятся создать более эффективно, чтобы более высокий ток электричества можно было генерировать на более медленных скоростях.

Привод рыскания обычно используется для поворота группы лопастей против встречного ветра, чтобы справиться с переменным направлением ветра. Генератор производит переменный ток, который подается в систему и используется для питания близлежащих домов. Если вы хотите больше узнать о принципе работы генератора ветряных турбин, вам следует сначала взглянуть на их различные типы.

Типы генераторов ветряных турбин

Когда мы хотим дать ответ на этот главный вопрос: «Как работают ветряные генераторы?», мы должны более подробно изучить структуру различных типов. Ветряная турбина состоит из двух основных частей: лопасти ротора и генератора ветряной турбины или ВЭГ. WTG — это электрическая система, используемая для производства электроэнергии. Электрический генератор с низкой скоростью вращения используется для преобразования механической энергии вращения, производимой силой ветра, в полезную электроэнергию для обеспечения электроэнергией наших домов и является сердцем любой ветровой энергетической системы.

Индукционный генератор (Ссылка: energy.gov )

Преобразование механической энергии вращения, создаваемой лопастями ротора (представленного в качестве первичного двигателя), в полезную электрическую энергию для использования в осветительных приборах и бытовом электроснабжении или для зарядки аккумуляторов. любым из следующих основных видов вращающихся электрических систем, обычно используемых в ветроэнергетических установках:

  • Индукционная система переменного тока (AC), также представленная как генератор переменного тока
  • Система постоянного тока (DC), также представленная как Dynamo
  • .
  • Синхронная система переменного тока (AC), также представленная как генератор переменного тока

Все эти электрические системы являются электромеханическими приборами, которые работают на основе закона электромагнитной индукции Фарадея.То есть они работают при взаимодействии электрического тока и магнитного потока или потока заряда. Поскольку этот процесс является обратимым, та же самая система может быть использована в качестве обычного электродвигателя для преобразования электрической энергии в механическую или в качестве генератора, преобразующего механическую энергию обратно в электрическую.

Электрическая система, наиболее часто используемая для ветряных турбин, — это те, которые работают в качестве генераторов, при этом асинхронные генераторы и синхронные генераторы обычно используются в более крупных установках ветряных турбин.Как правило, самодельные или меньшие ветряные турбины, как правило, используют низкоскоростную систему постоянного тока или динамо-машину, поскольку они компактны, дешевы и их намного проще подключить.

Так какая разница, какую электрическую систему мы можем использовать для создания энергии ветра? Лучший ответ — и «Нет», и «Да», так как все зависит от формы установки и приложения, которое вы хотите. Выход постоянного тока низкого напряжения от генератора или динамо-машины более старой формы можно использовать для зарядки батарей, тогда как синусоидальный тип переменного тока с более высоким напряжением от генератора переменного тока можно подключить непосредственно к местной сети.

Кроме того, выходное напряжение и потребление энергии полностью зависят от имеющихся у вас приборов и от того, как вы хотите их использовать. Кроме того, они связаны с расположением генератора ветровой турбины: будет ли источник ветра поддерживать его непрерывное вращение в течение длительного времени, или скорость генератора и, следовательно, его выходная скорость будут уменьшаться и увеличиваться с изменениями текущего ветра.

Производство электроэнергии

Генератор ветряной турбины — это то, что производит электричество, преобразуя механическую энергию в электрическую.Давайте будем точны здесь; они не производят энергию и не генерируют больше электрической энергии, чем количество механической энергии, используемой для перемещения лопастей ротора. Чем больше «энергия» или электрическая потребность в системе, тем больше механической нагрузки требуется для вращения ротора. Вот почему генераторы бывают разных размеров и производят разное количество электроэнергии.

В случае «ветрогенератора» ветер давит прямо на лопасти турбины, что преобразует прямолинейное движение ветра во вращательное, что необходимо для вращения ротора генератора, и чем сильнее он давит, тем можно произвести больше электроэнергии.Тогда жизненно важно иметь подходящую модель лопасти ветряной турбины, чтобы извлекать как можно больше энергии из ветра.

Все электрические турбинные генераторы работают за счет воздействия магнитного поля на электрическую катушку. Когда электроны движутся внутри электрической катушки, вокруг нее создается магнитная среда. Точно так же, когда магнитное поле проходит мимо катушки с проводом, в катушке возникает напряжение, что объясняется законом магнитной индукции Фарадея, заставляющим электроны двигаться.

Простой генератор с использованием магнитной индукции

Затем мы можем видеть, что при протекании магнита по единственной проволочной петле напряжение, вводимое в виде ЭДС (электродвижущей силы), индуцируется через проволочную петлю в зависимости от магнитного поля системы. Когда на проводной петле создается напряжение, электрический ток в случае потока электронов начинает течь по петле, создавая электричество.

Простой генератор с использованием магнитной индукции (ссылка: Renewenergyhub.co.uk )

Но что, если вместо простой отдельной петли из проволоки, как показано, у нас будет несколько петель, соединенных вместе одного размера, чтобы создать катушку из проволоки? Конечно, в этом случае для той же величины магнитного поля может быть получено гораздо большее напряжение и, следовательно, ток.

Это связано с тем, что магнитный поток пересекает большее количество проводов, создавая более высокую ЭДС, и это является основным принципом закона электромагнитного воздействия Фарадея, и система переменного тока использует этот принцип для преобразования механической энергии, такой как движение от ветряной турбины или гидроэлектростанции. турбины, в электроэнергию, генерирующую синусоидальную форму волны.

Итак, мы видим, что есть три основных требования к производству электроэнергии, а именно:

  • Катушка или набор проводников
  • Установка магнитного поля
  • Относительное движение между полем и проводниками

Тогда чем быстрее циркулирует катушка провода, тем выше скорость изменения, с которой магнитный поток отсекается катушкой, и тем выше создаваемая ЭДС на катушке. Точно так же, если магнитный поток создается сильнее, создаваемая ЭДС улучшится при той же скорости вращения.В результате ЭДС индукции пропорциональна Φ и N. Где «Φ» — поток магнитного поля, а «N» — скорость вращения. Также полярность вырабатываемого напряжения зависит от направления магнитопроводов потока и направления движения проводника.

Существуют две основные формы электрических генераторов и генераторов переменного тока: генератор раневого поля и генератор с постоянными магнитами обеих форм, включая две основные части: ротор и статор.

Ротор — часть системы, которая «вращается». Опять же, ротор может иметь движущиеся выходные катушки или определенные типы постоянных магнитов. Статор является «стационарным» компонентом системы и может иметь в своей модели либо набор постоянных магнитов, либо набор электрических обмоток, образующих электромагнит. Обычно генераторы и генераторы переменного тока, используемые для генераторов ветряных турбин, объясняются тем, как они производят свой магнетизм, будь то постоянные магниты или электромагниты.

Практических преимуществ и недостатков обеих форм нет. В большинстве бытовых ветряных турбин на рынке используются постоянные магниты в конструкции турбогенератора, которые создают необходимое магнитное поле при движении системы, хотя в некоторых все же используются электромагнитные катушки.

Бытовая установка ветряной турбины (ссылка: Renewenergyhub.co.uk )

Эти высокопрочные магниты обычно изготавливаются из редкоземельных материалов, таких как самарий-кобальт (SmCo) или неодим-железо (NdFe), что устраняет необходимость в обмотках возбуждения для обеспечивают фиксированное магнитное поле, что приводит к более легкой и прочной конструкции.Обмотки возбуждения имеют то преимущество, что их магнетизм (и, следовательно, энергия) согласуется с различной скоростью ветра, но для создания необходимого магнитного поля требуется дополнительный источник энергии.

Теперь мы понимаем, что электрический генератор обеспечивает преобразование энергии между механической нагрузкой, создаваемой лопастями ротора, представленными в качестве первичного двигателя, и некоторыми другими электрическими нагрузками. Механическое соединение генератора ветряной турбины с лопастями ротора выполнено с помощью основного вала, который может быть либо простым прямым приводом, либо с использованием редуктора для уменьшения или увеличения скорости генератора по отношению к скорости движения лопастей.

Использование редуктора позволяет лучше согласовать скорость генератора со скоростью турбины, но недостатком использования редуктора является то, что как механическая часть он подвержен износу, что приводит к снижению эффективности устройства. Прямой привод, однако, может быть проще и эффективнее, но подшипники и вал ротора генератора подвержены общему весу и вращательной нагрузке лопастей ротора.

Выходная характеристика генератора ветровой турбины

Итак, форма ветряного генератора, необходимая для особого места, зависит от мощности, содержащейся в ветре, и особенностей самой электрической системы.Все ветряные турбины имеют особые характеристики, связанные со скоростью ветра.

Кривая выходной мощности генератора ветровой турбины (ссылка: альтернативная энергия-учебник.com )

Генератор переменного тока или генератор не вырабатывают выходную мощность до тех пор, пока скорость его вращения не превысит скорость его включения, когда нагрузка ветра на лопасти ротора достаточно для преодоления трения, а лопасти ротора достаточно точны, чтобы генератор начал производить полезную энергию.

При превышении этой скорости включения генератор должен создавать мощность, соответствующую кубу скорости ветра (К.V 3 ) до тех пор, пока не будет достигнута его потенциальная номинальная выходная мощность.

При превышении этой номинальной скорости мощность ветра на лопастях ротора приближается к оптимальной мощности электрической системы, и генератор вырабатывает максимальную или номинальную выходную мощность при достижении окна номинальной скорости ветра. Если скорость ветра имеет тенденцию к увеличению, генератор ветряной турбины остановится на своем значении отключения, чтобы предотвратить электрические и механические повреждения, что приведет к нулевому производству электроэнергии. Применение тормоза для предотвращения повреждения системы может быть либо электрическим датчиком скорости, либо механическим регулятором.

Купить ветряной генератор типа 400-Ваттный ветряной генератор для зарядки аккумулятора непросто, и есть несколько особенностей, которые следует учитывать. Цена — лишь один из них. Обязательно выберите электрическую систему, соответствующую вашим требованиям. Если вы устанавливаете конфигурацию с подключением к сети, выберите генератор сетевого напряжения переменного тока. Если вы настраиваете устройство на основе батареи, ищите систему постоянного тока для зарядки батареи. Также учитывайте механическую конструкцию генератора, включая размер и вес, рабочую скорость и защиту от окружающих.

Чтобы узнать больше о том, «Как работают генераторы ветряных турбин», или получить больше информации о ветроэнергетике о различных доступных системах генерации ветряных турбин, или изучить недостатки и преимущества энергии ветра, нажмите здесь.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *