Современный ветрогенератор. Ветрогенераторы: принцип работы и разделение видов, преимущества и недостатки использования

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.

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°

1. 

   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.

2. 

   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.

3. 

   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

Среди всех имеющихся конструкций ветроколес различают две большие группы, принципиально отличающиеся друг от друга. Это и конструкции. Обе группы имеют свои признаки, достоинства и недостатки, обладают массой особенностей и специфических свойств. Рассмотрим роторные (вертикальные) образцы, наиболее многочисленную группу.

Что такое роторный ветрогенератор?

представляет собой устройство для приема во вращательное движение. Ось вращения таких конструкций расположена вертикально, что существенно изменяет физику вращения и придает устройству массу особенностей:

• вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер. Поток, движущийся с любой стороны, одинаково воздействует на лопасти устройства
• воздействие потока происходит одновременно на рабочую и на обратную стороны лопастей, что несколько снижает эффективность крыльчатки
• вертикальные виды ветрогенераторов не используются для промышленной выработки энергии, используясь преимущественно для использования в частных целях

Самая значительная особенность вертикальный конструкций состоит в векторе приложения усилия потока. Если для горизонтальных крыльчаток усилие ветра приходится на наклонную поверхность и работает на сдвиг, то вертикальные устройства в большинстве получают импульс, направленный на лопасть во фронтальном направлении, что позволяет использовать энергию потока в максимальной степени.

При этом, одновременно с полезным воздействием поток контактирует и с обратной стороной лопасти, что создает противодействующее, тормозящее вращение усилие. Это является причиной меньшей эффективности вертикальных турбин по сравнению с горизонтальными.

Внешне большинство роторных конструкций напоминают детскую карусель - вокруг вертикальной оси расположены , числом от 2 и больше. Форма лопастей может быть разной, от подобия вертикально установленных желобов до плоскостей в форме крыла самолета, расположенных вертикально по касательной к окружности вращения.

Все разновидности имеют собственные наименования, большинство их них разработаны уже давно и являются модификациями и переосмыслениями друг друга.

Достоинства и недостатки

Роторные конструкции имеют ряд достоинств:

• отсутствует необходимость наведения конструкции на ветер. Это значительно упрощает механизм ветряка и повышает его надежность
• устройства способны принимать потоки ветра, находящиеся невысоко над поверхностью земли. Турбулентность им не страшна. Это делает возможным отказаться от использования высоких мачт, усложняющих ремонт или обслуживание
• имеется много разновидностей вертикальных конструкций, позволяющих получить наиболее подходящее устройство для данных конкретных условий
• вертикальные устройства являются наиболее удобными для изготовления своими руками

К недостаткам роторных ветрогенераторов следует отнести:

• меньшая эффективность по сравнению с горизонтальными устройствами
• рабочие колеса имеют довольно большой вес, что затрудняет их вращение, особенно на слабых ветрах
• при ураганных или шквалистых ветрах установки нуждаются в защите от разрушения

Наиболее значимым достоинством роторных ветряков считается возможность самостоятельного изготовления из подручных материалов.

Примечательно, что промышленных моделей роторных установок относительно немного , большинство разработок до сих пор находятся в состоянии проектов, рабочих чертежей. Это объясняется слабым интересом к ветроэнергетике со стороны российских производителей и высокими ценами зарубежных моделей, недоступными для массового покупателя в России.

Виды устройств

Существует немало разновидностей роторных установок. К наиболее известным можно отнести:

• ортогональный ротор
• гелиоцентрический ротор
• ротор Дарье
• и т.д.

Большинство конструкций создавались в начале прошлого века, но широкого распространения не получили из-за низкого интереса к бытовым установкам, к которым относили роторные ветряки. В Европе назревала серьезная потребность в больших мощностях, что требовало использования крупных установок.

Роторные устройства большой величины неработоспособны из-за большой массы покоя и значительного сопротивления потоку ветра. Поэтому первенство было отдано горизонтальным типам конструкции, как более эффективным.

В России отношение к ветроэнергетике изначально было чисто научным, направление рассматривалось как прикладное и не имеющее высокой значимости. Обилие мощных полноводных рек позволило развивать гидроэнергетику, которая гораздо эффективнее использования энергии ветра, по крайней мере, на нынешнем уровне развития технологий.

Интерес к ветрогенераторам появился буквально в последние десятилетия и вызван нехваткой сетевых ресурсов и общей изношенностью сетей. Появилось большое число разработок, самодельных устройств, которые продемонстрировали свою пригодность к употреблению в частных целях для обеспечения дома или усадьбы.

Роторный ветрогенератор - это выгодно, или нет?

Рассматривать роторные устройства с точки зрения выгоды можно лишь в сравнении с какими-либо другими вариантами обеспечения энергией. Если сопоставить сетевую энергию и роторные ветрогенераторы, то однозначное первенство получат сети. Они стабильно поставляют энергию, не зависят от наличия или скорости ветра. Единственным минусом являются частые перебои, происходящие из-за общей ветхости сетевого хозяйства, устарелого оборудования и роста потребителей.

Если же рассматривать роторные установки в сравнении с солнечными батареями, то можно отметить независимость от времени суток или погоды. При этом часто совмещают солнечные батареи и ветряки из соображений, что хоть один источник будет доступен.

Для домовладений или отдаленных поселков, вовсе не имеющих возможности подключения к сетевой электроэнергии, говорить о выгоде нет смысла, поскольку сравнивать не с чем. Ситуация проста - или нет энергии, или есть.

Сборка своими руками

Приобретение готового ветряка, изготовленного на заводе, не по карману большинству потенциальных пользователей. Даже относительно дешевые китайские модели достаточно дороги, а европейские образцы имеют цену в несколько раз выше. Учитывая относительно небольшой срок службы установок - около 25 лет - становится ясно, что приобретение готовых комплектов для российского пользователя вариант неподходящий.

Решением вопроса становится самостоятельное изготовление роторного ветрогенератора . При использовании подручных материалов вполне можно уложиться в относительно невысокую сумму, на все вполне хватит 20000 рублей. Это обстоятельство вызвало рост изготовления различных моделей ветряков, что положительным образом сказывается на развитии направления в целом и на отработке конструктивных особенностей разных типов роторных ветряков.

Для создания действующего ветрогенератора требуются соответствующие материалы. Некоторые элементы комплекта придется приобрести. Например, аккумуляторные батареи, некоторые приборы (контроллер заряда или инвертор), которые нет возможности собрать самостоятельно, тоже придется покупать.

Практически все элементы рабочего колеса можно создать из подручных материалов. Генератор можно использовать готовый, например, мотор-колесо, автомобильный или тракторный генератор. Можно переделать асинхронный двигатель, или собрать аксиальный генератор на неодимовых магнитах. Обилие вариантов способствует развитию самодельных устройств на территории России, многие из которых успешно выполняют свои задачи на практике и способствуют подвижению ветроэнергетики среди населения.

Инструкция

Перед началом работ следует определиться с выбором конструкции ветряка. Наиболее удачными моделями, способными обеспечивать энергией достаточно большое число потребителей, считаются карусельные установки, прозванные в народе «бочка-загребушка». Они представляют собой несколько лопастей, похожих на продольно разрезанные половины металлических бочек, установленные вертикально вокруг оси вращения.

Можно действительно использовать разрезанные бочки, но лучшим решением станет изготовление лопастей из листового алюминия для облегчения крыльчатки.

Вал устанавливается на ступицах, а крыльчатка монтируется на выступающем верхнем конце. Для ограничения скорости вращения при внезапных порывах ветра обычно используют центробежные ограничители, представляющие собой грузики, подвешенные на цепочках. При повышении скорости вращения они увеличивают давление на лопасти и складывают их, снижая площадь воздействия потока и, соответственно, скорость вращения.

Монтаж генератора производится либо непосредственно на валу в нижней части, либо посредством клиноременной передачи на отдельной опорной площадке. Рекомендуется установить защитный кожух, предохраняющий устройство от попадания дождя или снега, пыли и прочих нежелательных воздействий.

Монтаж ветряка производится на возвышении. Высоких мачт для таких конструкций не требуется, однако, зачастую подобные устройства встречаются на крышах домов. Это нежелательный вариант, так как вибрации от работы ветряка полностью исключить пока не удается, что способно создать некоторое неудобство жителям дома.

В этой статье мы постараемся дать ответ на вопрос читателям портала сайт- что же такое ветрогенератор, в чем заключается его работа и отличия.

Ветрогенератор – это техническое устройство, посредством которого кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую энергию, для использования потребителями.

В соответствии с нижеприведенной схемой, принцип работы ветрового генератора можно описать следующим образом:

Ветрогенераторы различаются по конструкции, способу установки и монтажа, и у каждого вида есть свои достоинства и недостатки, они бывают:

С горизонтальной осью вращения

Ось ротора и ведущая ось расположены параллельно поверхности земли.

Бывают однолопастные (№1), двухлопастные (№2), трехлопастные (№3) и многолопастные (№4), с количеством до 50 штук.

Достоинства данного вида:

• Высокий КПД;

Недостатки:

• Необходимость в ориентации по направлению воздушных потоков;
• Необходимость монтажа высокой конструкции для установки устройства, причем, чем выше мощность агрегата, тем выше должна быть конструкция (мачта);
• Необходимость устройства фундамента для монтажа мачты, что приводит к удорожанию монтажных работ;
• Высокий уровень шума в процессе эксплуатации;
• Потенциальная опасность для птиц и иных летающих организмов.

С вертикальной осью вращения

Ось вращения расположена вертикально по отношению к поверхности земли.

Данный вид устройств можно разбить на несколько групп, это:

Данная конструкция состоит из нескольких полуцилиндров. При этом ось постоянно вращается, вне зависимости от потоков ветра и их интенсивности.

Достоинства конструкции:

• Высокая технологичность конструкции;
• Значительный пусковой крутящий момент;
• Способность работать при малых воздушных потоках.

Недостатки:

• Низкая эффективность работы лопастей;
• Значительная потребность в материалах при изготовлении.

В данной конструкции, на оси вращения закреплены несколько лопастей, представляющих из себя плоскую полосу. На схеме приведены следующие виды данного типа устройств:

1 – классический вариант ротора Дарье.

2 – ротор Дарье тина Н (ортогональным ротором).

3 – винтообразный ротор Дарье (с гелиокоидным ротором).

Достоинства конструкции:

• Нет необходимости в ориентации на воздушные потоки;
• Простота изготовления лопастей;
• Простота и удобный способ обслуживания.

Недостатки:

• Низкий КПД установок;
• Непродолжительные межремонтные циклы опорных узлов и элементов конструкции;
• Имеют слабую способность к самозапуску, при наличии двух лопастей, при равномерных потоках ветра.

С геликоидный ротором

Является модификацией устройств с ротором Дарье. На выше приведенной схеме — №3.

Достоинства конструкции:

• Более продолжительные сроки эксплуатации, в сравнении с классическим вариантом ротора Дарье;

Недостатки:

• Более высокая стоимость в сравнении с классическим вариантом;
• Более трудоемкий и сложный процесс изготовления лопастей.

Является модификацией устройств с ротором Савоуниса. В данной конструкции присутствуют два ряда лопастей. Первый ряд - неподвижный, он захватывает воздушный поток и сжимает его, в связи с чем скорость воздушного потока увеличивается. После этого поток воздуха поступает на второй ряд, работающий по принципу ротора Савоуниса.

Достоинства конструкции:

• Высокая эффективность в работе;
• Способность работать при малых потоках ветра.

Недостатки:

• Высокая стоимость.

Данная конструкция является основой выше приведенных - ось вращения располагается
вертикально, к ней прикреплены несколько лопастей, расположенных параллельно оси и удаленных от нее на определенное расстояние.

На выше приведенной схеме это №2 – ротор Дарье тина Н.

Достоинствами конструкции:

• Отсутствие механизмов ориентации по ветровым потокам;
• Простота в эксплуатации и обслуживании.

Недостатки:

• Непродолжительные межремонтные циклы опорных узлов и элементов конструкции.

Работающие на водяных каплях

Эта конструкция еще промышленно не производится. В ее состав входит металлическая
рама, внутри контура которой, горизонтально размещены изолированные трубки. В каждой трубке имеются специальные сопла и электроды. Принцип действия основан на генерировании и накоплении энергии с помощью капель воды, которые выходят из специальных сопел.

Капли воды положительно заряжены, и под воздействием ветровых потоков они сносятся к положительно заряженным электродам. Это приводит к увеличению потенциальной энергии положительно заряженной капли. Электроэнергия получается, когда капли воды попадают на положительно заряженный электрод.

Генератор данного типа внешне напоминает спутниковую антенну. Для монтажа
используется мачта, как и в случае с ветряками, имеющими горизонтальную ось вращения. А также эти конструкции похожи и по ориентации в воздушных потоках – используется хвостовик, благодаря чему «тарелка», постоянно находится в плоскости перпендикулярной направлению ветра.

«Парус» закреплен и растянут на круглой раме и под воздействием ветра совершает колебательные движения. Эти движения, посредством системы тяг, передаются на поршни гидравлической системы, в которой механическая энергия колебаний преобразуется в давление жидкости. Гидравлическое давление жидкости преобразуется во вращательное движение привода, к которому подсоединен электрический генератор, вырабатывающий электрически ток.

Достоинствами конструкции являются:

• Способность работать при малой скорости ветра;
• Малый вес конструкции;
• Ремонтопригодность и простота обслуживания;
• Экологическая безопасность устройств;
• Простота монтажа

Недостатки:

• При использовании на территориях, где сильные ветра, основные преимущества пред прочими конструкциями, теряют свою актуальность.

Для того чтобы выбрать ветрогенератор необходимо:

Популярные модели и марки

В настоящее время ветровые генераторы выпускают как отечественные производители, так и зарубежные.

Среди отечественных моделей наибольшим спросом пользуются:

Среди зарубежных моделей, широко распространены ветровые генераторы:

• Zonhan Windpower Co, Ltd (Китай), с горизонтальной осью вращения, мощностью от 0,3 до 5,0 кВт;
• Bekar Europe GmbH (Германия), с вертикальной осью вращения, мощностью от 0,5 до 60,0 кВт.

Средние цены

Стоимость ветряных генераторов зависит от конструкции, мощности, страны и фирмы производителя.

Стоимость рассмотренных выше моделей составляет:

• EnergyWind, в зависимости от мощности (от 1,0 до 10,0 кВт), составляет от 68000,00 до 650000,00 рублей, соответственно.
• Exmork от копании Zonhan Windpower Co, Ltd (Китай), в зависимости от мощности (от 0,3 до 5,0 кВт), составляет от 30000,00 до 260000,00 рублей, соответственно.
• Bekar, в зависимости от мощности (от 0,5 до 60,0 кВт), составляет от 43000,00 рублей.

Плюсы и минусы

К достоинствам использования энергии ветра, а соответственно и ветровых генераторов,
относятся следующие:

• Энергия ветра – это возобновляемая энергия, обладающая неисчерпаемостью ресурсов;
• Экологичность энергетического ресурса и процесса производства электрической энергии;
• Способность быстрого выполнения монтажа установок и обеспечения потребителей электрической энергией;

К недостаткам можно отнести следующие:

• КПД установок зависит от времени года, погодных условий и региона монтажа агрегата;
• Высокий уровень шума при работе агрегатов;
• Опасность для пернатых обитателей региона, где установлен ветровой генератор;
• При промышленном производстве электрической энергии, при использовании ветровых генераторов, требуются значительные площади земли.

В связи с возрастающей потребностью в энергоресурсах, а также с уменьшением запасов обычных энергоносителей, развитие зеленой энергетики, становится все более актуальным.

Ученые и инженеры разных стран разрабатывают новые модели ветроустановок, с целью
увеличения доли положительных свойств агрегатов и минимизирования отрицательных.

Такими примерами могут служить плавающие и парящие ветрогенераторы. Плавающие устанавливаются далеко от берега и занимают земельные участки, их работа является наиболее эффективной благодаря постоянству морских ветров. Эффективны и парящие генераторы, т. к., чем выше он поднят над поверхностью земли, тем больше скорость ветра.

Доля электрической энергии, производимой ветряными электростанциями, постоянно растет. Это происходит как в нашей стране, а так и во всех, технически развитых странах.

В России, в перспективе, планируется что доля вырабатываемой электрической энергии ветровыми электростанциями, составит около 30%, от всего производства электроэнергии в стране.

Типы ветрогенераторов

Ветряки можно различать по:
— количеству лопастей;
— типу материалов лопастей;
— вертикальному или горизонтальному расположению оси установки;
— шаговому варианту лопастей.

По конструкции ветрогенераторы делятся по количеству лопастей, одно, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные. Наличие большого числа лопастей позволяет вращать их очень малому ветру. Конструкцию лопастей можно разделить на жесткую и парусную. Парусные ветряки дешевле других, но нуждаются в частом ремонте.

Один из видов ветрогенераторов — горизонтальный

Ветрогенератор вертикального исполнения начинают вращаться при малом ветре. Им не нужен флюгер. Однако по мощности они уступают ветрякам с горизонтальной осью. Шаг лопастей ветрогенераторов может быть фиксированным или изменяемым. Изменяемый шаг лопастей дает возможность увеличивать скорость вращения. Эти ветряки дороже. Конструкции ветряка с фиксированным шагом надежны и просты.

Вертикальный генератор

Эти ветряки менее затратные в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте. Также они имеют меньше движущихся частей, легче в ремонте и производстве. Такой вариант установки нетрудно изготовить своими руками.

Ветрогенератор вертикального исполнения

Конструкция ветрогенератора с оптимальными лопастями и своеобразным ротором дает высокий КПД и не зависит от направления ветра. Ветрогенераторы вертикальной конструкции бесшумные. Вертикальный ветрогенератор имеет несколько типов исполнения.

Ортогональные ветрогенераторы

Ортогональный ветрогенератор

Такие ветряки имеют несколько параллельных лопастей, которые устанавливаются на расстоянии от вертикальной оси. На работу ортогональных ветряков не влияет направление ветра. Устанавливаются они на уровне земли, что облегчает монтаж и эксплуатацию установки.

Ветрогенераторы на основе ротора Савониуса

Лопасти этой установки представляют собой особые полуцилиндры, которые создают высокий крутящий момент. Из недостатков этих ветряков можно выделить большую материалоемкость и не высокую эффективность. Для получения высокого крутящего момента с ротором Савониуса устанавливают еще ротор Дарье.

Ветряки с ротором Дарье

Наряду с ротором Дарье эти установки имеют ряд пар лопастей с оригинальной конструкцией для улучшения аэродинамики. Достоинством этих установок является возможность их монтажа на уровне земли.

Геликоидный ветрогенераторы.

Они представляют собой модификацию ортогональных роторов с особой конфигурацией лопастей, что дает равномерное вращение ротора. За счет снижения нагрузки на элементы ротора срок их службы увеличивается.

Ветрогенераторы на основе ротора Дарье

Многолопастные ветровые установки

Многолопастные ветровые генераторы

Ветряки такого типа представляют собой измененный вариант ортогональных роторов. Лопасти на этих установках устанавливаются в несколько рядов. Направляет ветровой поток на лопасти первый ряд неподвижных лопастей.

Парусный ветрогенератор

Основное достоинство такой установки — это способность работать при небольшом ветре от 0,5 м/с. Парусный ветрогенератор устанавливается в любом месте, на любой высоте.

Парусный ветрогенератор

Из преимуществ можно выделить: маленькую скорость ветра, быструю реакцию на ветер, легкость конструкции, доступность материала, ремонтопригодность, возможность изготовить ветряк своими руками. Недостаток — это возможность поломки при сильном ветре.

Ветрогенератор горизонтальный

Ветрогенератор горизонтальный

Эти установки могут иметь разное число лопастей. Для работы ветрогенератора важно выбрать правильное направление ветра. Эффективность работы установки достигается небольшим углом атаки лопастей и возможности их регулировки. У таких ветрогенераторов небольшие габариты и вес.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках.
Ветер дует везде - на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.
В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются по-разному можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет себя по-разному, а для высот до 50 метров характерны рыскающие потоки.
Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же время отобранная у ветра энергия, в конечном счете, вновь превратится в тепло.
Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат.

Упряжь для ветра

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.
Традиционная компоновка ветряков - с горизонтальной осью вращения - неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.
Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая - мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.
По прогнозам фирмы Боинг (США) - длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные из них - вдвое "слабее". В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.
Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более дорогую. Для сравнения отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО "Ветроэн" крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт.
Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рисунке. Они
делятся на две группы:
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);
ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра (см. рис.) у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных.
В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения.
Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги,
после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые
электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. multiplicator
умножающий] -- повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.
Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. (6)).
Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.
Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14...16 м/с.
Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.
У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Неожиданные применения ветроустановок

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания.
Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию.
Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой - однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями.
Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре.
На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

Опишем некоторые ветряные генератрорные установки

В состав многих ветровых установок входят такие необходимые элементы как разборная мачта, блок управления, нагреватель, соединительные кабели. Кроме того, дополнительно могут предлагаться солнечные батареи, аккумуляторы, инверторы. Однако, указанные элементы, как правило, гораздо дешевле можно приобрести в других местах. Так в частности, предлагаются инверторы типа АКСИОМ или ТРАНСВАТТ (Германия) - с трапециевидной формой тока 1,5 кВт за 1738 $ или типа ГЛОБАЛ (Германия) - с синусоидальной формой тока 1 кВт за 1711 $. В тоже время, аналогичный по мощности инвертор (с функцией UPS) МАП "Энергия" (см. www.invertor.ru) стоит порядка 250 - 300(!) $. Это отечественная разработка (заявка на патент №2001125519), на основе новейших импортных комплектующих.
Для справки: инвертором называется электронное устройство преобразующее постоянное напряжение (например, аккумуляторов) в переменное (в нашем случае - в 220 В).

ГОСУДАРСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ КБ "РАДУГА"

Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 1 кВт "Радуга-001"

Мощность генератора номинальная - 1,0 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,6:25 м/с

Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу однофазного переменного тока частотой 50 Гц, а также выход с аккумуляторной батареи 12 В и 24 В постоянного тока. В безветренную погоду система аккумулирования обеспечивает электроэнергией в течение 4-х суток при экономном режиме потребления. Предусмотрена возможность комплектации ВЭУ панелями солнечных батарей.

Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 8 кВт "Радуга-008"

Мощность генератора номинальная - 8,0 кВт

В установке имеется система автоматического управления, обеспечивающая автоматические запуск и управление ВЭУ в рабочем диапазоне скоростей ветра, автоматические или по командам перевод ВЭУ в режим холостого хода при скорости ветра, превышающей границу рабочего диапазона, или при возникновении аварийной ситуации. При проектировании установки учтены условия эксплуатации в районах Крайнего Севера. Агрегаты и узлы установки испытаны на соответствующие температуры эксплуатации в термобарокамерах.

Сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 1000 кВт "Радуга-1"

Мощность генератора номинальная - 1000 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 5:25 м/с

Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу электрической энергии промышленной частоты 50 Гц и сопряжение ВЭУ с энергосистемой. Система выполнена по схеме: синхронный генератор - выпрямительно-инверторный преобразователь - согласующий силовой трансформатор.

В ВЭУ имеется система автоматического управления, обеспечивающая ориентацию ветрового колеса, автоматический пуск и торможение установки, управление углом поворота лопастей, выработку команд для работы в энергосети, диагностирование технического состояния агрегатов ВЭУ, отработку команды дистанционного управления от диспетчерского пункта, обеспечение, при необходимости, ручного управления ВЭУ с терминала местного управления. При проектировании установки учтены условия эксплуатации в районах Крайнего Севера.

Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 16 кВт "Радуга-016"

Мощность генератора номинальная - 16,0 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4,5:25 м/с

Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу 3-х фазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380/220 В, секционированное подключение потребителей (три канала по 2-3 кВт с возможностью их независимого включения). Предусмотрена возможность комплектации ВЭУ панелями солнечных батарей, аккумуляторами, дизель-электрической установкой. В штиль аппарат бесперебойного питания обеспечит электроэнергией мощностью до 500 Вт.

ЦНИИ "ЭЛЕКТРОПРИБОР"

Ветроэлектрическая установка УВЭ-500

Предназначена для автономного снабжения электроэнергией индивидуальных потребителей.

Номинальная мощность - 500 Вт

Выходное напряжение - постоянное 12, 24 В, переменное (с инвертором) - 220 В.

Описание разработки
Установка обеспечивает использование осветительных приборов, электроинструментов, бытовых электроприборов, теле- и радиоаппаратуры, зарядку аккумуляторов. Автономно вырабатывает при работе в буферном режиме с аккумуляторной батареей следующие виды электропитания:
- напряжение постоянного тока 24 В;
- переменное напряжение 220 В 50 Гц (в комплекте с инвертором).
Состав установки: ветроколесо, генератор с поворотным устройством, разборная мачта, блок управления, нагреватель, соединительные кабели. Масса установки без инвертора - 60 кг.
Емкость подключаемой потребителем кислотной или щелочной аккумуляторной батареи - не менее 190 Ач. Установка может работать в комплексе с солнечной батареей мощностью до 300 Вт, а также в режиме без аккумулятора для питания нагрузки, не требующей стабилизации напряжения.
Предусмотрены: индикация состояния аккумулятора, защита аккумулятора от перезаряда и переразряда, автоматическая защита ветроагрегата от механических повреждений при скорости ветра, превышающей 12 м/с. Мощность по постоянному току - до 500 Вт при скорости ветра 10 м/с. Рабочий диапазон скоростей ветра - 3-25 м/с. Диаметр ветроколеса - 2,2 м. Высота мачты - 4,5 м.

Ветроэлектрическая установка УВЭ-1000

Номинальная мощность - 1000 Вт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 2,5:25 м/с

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ "ВЕТРОТОК"

Ветроэлектрическая установка мощностью 16 кВт

Установка разработана для генерирования электроэнергии в районах с повышенной ветровой активностью, со среднегодовой скоростью ветра 5-6 м/с и более. К таким районам на территории СНГ относятся практически весь Дальний Восток, большинство районов Севера России, Казахстан. В этих местах использование ветро-энергетических установок наиболее целесообразно и экономически обоснованно.

Установка ВЭУ-16 развивает электрическую мощность 16 кВт при расчётной скорости ветра 17,5 м/с. Установки предназначены для снабжения фермерских хозяйств, небольших поселков, производственного оборудования ограниченной мощности. ВЭУ предназначены для работы в автоматическом режиме и не требуют постоянного контроля оператора. Установки могут работать параллельно с сетью или с дизель-генератором. Возможно накопление электроэнергии в аккумуляторах с дальнейшим инвертированием в переменный ток 220 В, 50 Гц. Произведены испытания установки на метеостанции "Тагонай гора" в г. Златаусте, Челябинской области.

Ветроэлектрическая установка с генератором постоянного тока ВЭУ-5-4

Ветроэлектрическая установка ВЭУ-5-4 предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. ВЭУ способна удовлетворить потребность в электроэнергии метеостанций, геологических партий, лесопунктов, фермерских хозяйств, котеджей, небольших населённых пунктов, где нет линий электропередач.

Номинальная мощность генератора - 4,2 кВт

Выходное напряжение (постоянный ток) - 24 В

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:25 м/с

РЫБИНСКИЙ ЗАВОД ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Ветроэнергетическая установка "ВЕТЭН-0,16"

Позволяет получать электроэнергию постоянного тока напряжением 12 В и переменного тока напряжением 220 В, 50 Гц путём преобразования энергии ветра.

Мощность генератора 160 Вт

Ветроэнергетическая установка "ВТН8-8"

Ветроагрегат предназначен для преобразования энергии ветра в электрическую энергию переменного трёхфазного тока напряжением 230/400 В частотой 50 Гц.

Область применения - в составе ветроэлектрических установок (отопительных, зарядных, водоподъёмных, катодной защиты и т.п.).

Мощность генератора - 8000 Вт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,5:25 м/с

Нижнее значение температуры - 40°С

Ветронасосная установка "Водолей"

Предназначена для подъёма воды из источников с помощью энергии ветра.

Производительность при скорости ветра 5 м/с и общей высоте подъёма воды 10 м не менее 300 л/час

Максимальная высота подъёма воды 9,6 м

Ветронасосная установка "Водолей-2"

Предназначена для подъёма воды из скважин и колодцев с помощью энергии ветра.

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3:25 м/с

Производительность при скорости ветра 5 м/с и общей высоте подъёма воды 10 м не менее 200 л/час

Максимальная высота подъёма воды - 30 м

Установка ветроэлектрическая "Шексна-1"

Применяется на объектах, удалённых от энергосистем и расположенных в различных климатических районах с благоприятными ветровыми условиями. Преимущественная область использования - отопление, освещение, питание бытовых электроприборов, систем автоматики и сигнализации и т.д.

Номинальная мощность - 0,5 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3:30 м/с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ЦЕНТР "КБ ИМЕНИ. АКАДЕМИКА В.П.МАКЕЕВА"

Ветроэнергетическая установка ВА05

Номинальная мощность - 30 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:30 м/с

Ветроустановка HR-40

Совместно с фирмой "Magnet Motors" (г. Штарнберг, ФРГ) ведутся разработки ветроустановок мощностью 10, 40, 300 кВт на базе серийно выпускаемых немецкой стороной установок HR-1, HR-40, YR-300.

Без мультипликатора, генератор бегущей волны с непосредственным приводом, возбуждаемый от постоянных магнитов.

Номинальная мощность - 40 кВт.

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,5:26 м/с.

Ветродизельная электростанция ВДЭС-100

Мощность ВЭУ - 100 кВт.

Мощность двух дизель-электрических станций - 60+30=90 кВт.

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:25 м/с.

АО "ВЕТРОЭНЕРГОМАШ"

Агрегат ветроэлектрический АВЭУ6-4М

Номинальная мощность генератора - 4 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4,5:40 м/с.

Номинальное напряжение - 400/230 В.

Указанными выше изделиями (бензо/дизельгенераторами, солнечными батареями, ветрогенераторами) фирма "МикроАрт" не торгует. Здесь приводятся лишь общие сведения, в качестве справочной информации. Мы предлагаем автономные преобразователи напряжения (источники бесперебойного питания), которые могут работать как совместно с бензо/дизельгенераторами, солнечными батареями и ветрякам, так и независимо от них.