Ветрогенераторы для дома

Ветряной генератор – это устройство, которое используется для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.

Рассмотрим принцип действия и потенциальную возможность применения ветряков

Принцип работы любого вида ветрогенератора следующий: вращение вызывает три вида физического воздействия на лопасти винта – импульсную и подъёмную силы, в результате которых маховик начинает приходить в движение, и тормозящую. Две силы против одной преодолевают сопротивление, и маховик раскручивается, при этом ротор создаёт магнитное поле на неподвижной части генератора, и этого достаточно, чтобы по проводам пошёл электрический ток.

Мощность ветряного генератора зависит от мощности ветряного потока, а та, в свою очередь зависит от куба скорости ветра P=(ρSV^3)/2 (V — скорость ветра, p — плотность воздуха, S — ометаемая площадь.), поэтому наиболее целесообразно использование ветроэлектростанций в районах в которых средняя скорость ветра достигает 4 м/с (цифра условная, рассчитана для среднего потребления домохозяйства).

Параметры электрического того ветрогенератора существенно зависят от скорости ветра, поэтому либо х нужно применять для тех потребителей, которые нечувствительны к перепадам электроэнергии, либо применять инверторно-аккумуляторную систему, по аналогии с солнечными электростанциями.

Классификация ветрогенераторов

Ветряные электрические генераторы могут классифицироваться по нескольким следующим признакам:

По назначению (мощности):

Промышленные с мощностью от 100 кВт до 5000 кВт;
Коммерческие от 20 кВт до 100 кВт, верхняя граница по мощности размыта. Часто эти генераторы применяются как электростанции для небольших промышленных объектов, ферм и т.п.;
Бытовые, мощностью от 0,3 Втдо 20 кВт. Мощность вполне достаточна для обеспечения большого дома.

Для выработки электроэнергии мощностью от 1 до 5 кВт необходим ветер скоростью чуть более 4 м/с, для генерации в обычном доме, этого более чем достаточно, излишки электроэнергии, период малого потребления или сильного ветра, можно аккумулировать или применить для отопления помещений с помощью тэнов.

По ориентации рабочей оси вращения:

1. Вертикальные («карусельные», самые известные это «ротор Савониуса» и «лопастные» ортогональные — ротор Дарье). Ось вращения располагается вертикально по отношении к направлению ветра.

Ветрогенераторы Савониуса представляют собой несколько половинок полых внутри цилиндров, посаженных на вертикальную ось. Они могут вращаться независимо от скорости и направления ветра, однако такая конструкция теряет позволяет использовать энергию ветра лишь на треть по сравнению с горизонтальными ветряками.

Ротор Дарье — это система из двух или более плоских лопастей. Такое устройство просто в изготовлении, но выработка с электроэнергии с него еще меньше.

Основные преимущества вертикальных генераторов:

Вырабатывают электроэнергию при небольшой силе ветра;
Не нуждаются в сложных, активных системах направления на поток ветра, как следствие, идеально подходят для местности с турбулентными воздушными потоками;.
Промышленные модели не нуждаются в высокой мачте, т.к. сама ось для лопастей является мачтой. Поэтому удобны в обслуживании;
Низкий уровень шумового загрязнения, до 30 дБ;
Привлекательный внешний вид.

Основными недостатками вертикальных ветряков являются их меньшая электрогенерация и тихоходность, для повышения частоты вращения вала применяют повышающие редукторы, что понижает КПД и утяжеляет конструкцию.

Вертикальные ветрогенераторы не требует ориентирования по ветру, но они обладают в два раза меньшей рабочей площадью поверхности, чем у классического горизонтального ветрогенератора. Это значит, что для получения одинаковой мощности вертикальный ветряк по размерам должен быть в два раза больше горизонтального.

2. Горизонтальные, крыльчатые ветряки.

Основные типы конструкции ветрогенераторов

Крыльчатые — горизонтальные ветряки. Этот вид конструкции ветрогенератора наиболее распространён, и предпочтителен при использовании в промышленной выработке электроэнергии.

Основные преимущества горизонтальных ветряков:

Большая скорость вращения, это позволяет соединяться напрямую с генератором, что увеличивает КПД;
Простота изготовления;
Большой выбор разнообразие моделей на любой дизайн и мощность;
Высокая эффективность использования силы ветра;

Основные недостатки:

Высокий уровень шума при работе, что опасно для здоровья людей;
Необходимость применять стабилизатор и устройства ориентации по ветру;
Т.к. скорость вращения обратно пропорциональна количеству лопастей, существует ограничение на их количество, а значит и требования к силе ветра;

Так же ветрогенераторы классифицируют:

По количеству лопастей: двухлопастные, трёхлопастные, многолопастные.

Их различие заключается в том, что многолопастные начинают вращаться при меньших скоростях. Это даёт возможность использовать их в тех случаях. когда важен сам факт работы, например, для перекачки воды.
По материалу лопастей: жёсткие лопасти ветрогенератора; парусные ветрогенераторы.
Жёсткие лопасти стоят дороже, однако способны выдерживать большие нагрузки. Парусные ветрогенераторы имеют невысокую цену, однако надёжность их ниже.
По шагу винта: фиксированый и изменяемый.

Шаг винта – это характеристика, зависящая (тангенциально) от угла установки лопастей пропеллера ветряка относительно плоскости, перпендикулярной его оси. Изменяемый шаг винта позволяет увеличить диапазон эффективных скоростей работы, но внедрение этого механизма ведёт к усложнению конструкции лопасти, уменьшению общей надёжности ветряка, и в конечном итоге к удорожанию стоимости конструкции.

Составные части бытовой системы генерации электричества с помощью ветра

Основные составляющие домашней ветряной электростанции (ВЭС) аналогичны системам солнечной генерации или генерации микро-гидроэлектростанций, в данном случае, что ВИЭ будет являться ветряк:

Ветрогенератор заданной мощности состоит из генератора, контроллера, лопастей ротора, носового обтекателя, защитного кожуха, поворотного вала, хвостовой штанги, мачты, оттяжек и цоколя.

Контроллер ветрогенератора: предназначен для управления зарядом аккумуляторных батарей, контроля поворота лопастей и преобразования напряжения.

Банк АКБ: накопительная ёмкость, от размера которой зависит продолжительность функционирования в автономном режиме питаемого ею объекта.

Инвертор: это устройство, преобразующее постоянное напряжение аккумуляторов в переменное с частотой 50 Гц для обеспечения электропитанием бытовых приборов.

Пульт управления или связи: Он представляет собой многофункциональное устройство, обеспечивающее полный обзор эффективности систем управления агрегатом с использованием интернета.

Поглотитель избыточной мощности (балластная нагрузка) . С помощью этого устройства любой избыток электроэнергии, производимой ветрогенератором, рассеивается в виде тепла, и не приводит к перезаряду аккумулятора. В этом устройстве нет необходимости на солнечных системах. Ведь солнечные панели можно отключить от сети, а отключение ветрогенератора от нагрузки приведет к возрастанию частоты вращения и его механическому разрушению (пойдет вразнос).

Крупные ветряные электростанции

Крупные ветряные электростанции, которые ещё называют ветряными фермами или ветропарками, могут состоять из 100 и более ветрогенераторов.

Наиболее распространённые из них – наземные, которые устанавливаются на естественных возвышенностях. Также имеется достаточно большое количество оффшорных ветряных электростанций, которые построены в море примерно в 10 километрах от берега. Такое вид размещения втерогенераторов не требует задействования значительного количества земельных ресурсов и обеспечивает высокий КПД за счет регулярных и сильных морских ветров.

Плавающие ветряные электростанции являются новым словом в альтернативной энергетике. Они имеют свои особенности: для устойчивости башни ветрогенератора и его погружения на нужную глубину применяется балласт, а с целью предотвращения свободного дрейфа вся конструкция якорится тремя тросами.

Окупаемость

Проблему окупаемости ветряных электростанций изучают по трем направлениям:

Снижение капитальных и эксплуатационные затраты на ВЭС;
Повышение производительности ветроэлектростанции;
Повышение эффективности использования энергии (генерация в сеть);

Для этого при покупке оборудования для ВЭС следует одному мощному ветрегенератору предпочесть два-три меньших, так как у них есть следующие преимущества: они проще в оснастке и, соответственно, дешевле в обслуживании; имеют лёгкие лопасти, которые начинают вращаться и вырабатывать энергию уже при слабом ветре; не требуют значительных затрат на установку.

Второе относиться к потребителям, имеющим подключение к сетям, но не удовлетворенным её качеством или выделенной мощностью: следует использовать сетевые альтернативные энергетические системы. Сетевое оборудование, получая непригодную для прямого использования энергию от альтернативных источников, настраивается на частоту сети и начинает ее снабжение, перерабатывая энергию ветра (и/или солнца) в привычные нам 220 или 380 вольт переменного тока, «бесплатно» и качественно снабжая потребителя. Для работы этого комплекта не требуется аккумуляторная батарея и средства ее контроля и подзарядки. Это значительно сокращает стоимость альтернативной энергетической системы и ее эксплуатации и уменьшает сроки окупаемости системы.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов

К преимуществам ветрогенераторов относятся:

Безопасность их использования для окружающей среды: они не производят побочных или токсичных отходов и не требуют сырья для эксплуатации;
Источник энергии не исчерпаем;
После установки системы, бесплатная энергия;
Подходит для удаленных территорий;
Низкие эксплуатационные затраты. Минимальное техническое обслуживание в процессе эксплуатации.

Они же имеют и ряд недостатков:

Зависимость количества производимой электроэнергии от внешнего фактора – погоды. Но эта зависимость намного меньше по сравнению с солнечной генерацией;
ВЭУ требует много места и выделенной площадки для размещения;
может давать помехи на телевизор и производить шум;
Чувствительность к загрязненному или запыленному воздуху.