Ветровые электрогенераторы: Ветряные электростанции для дома и цены на них

выбираем маленький ветряной генератор для дома, принцип работы и устройство

Ветряные генераторы уже не представляют собой ничего экзотичного – сейчас их используют и расценивают как наилучшую возможность сэкономить. В статье рассмотрим популярные модели мини-ветрогенераторов для дома, особенности их устройства и принцип работы.

Особенности

Даже мини-ветрогенератор с легкостью преобразовывает всю ту энергию, которую несет в себе ветер. Успешное использование данных установок уже зарекомендовало себя благодаря тому, что их можно использовать как в частных домах, дачах и загородных постройках, так и на производствах и больших фабриках.

Ветряку для того чтобы получить электроэнергию, не нужны топливо и солнце. Это заставляет задуматься о том, как они работают, и какие предложения есть на рынке данных устройств.

Еще к одной особенности ветряного генератора можно отнести то, что его мощность напрямую зависит от размера окружности, что формируют его лопасти. Если увеличить ее диаметр в 2 раза, то при сохранении прежней скорости ветра электроэнергии, которую будет производить генератор, будет в 4 раза больше.

Принцип работы

Конструкция и принцип работы старых ветряных мельниц уверенно перекочевали к их современным последователям – ветряным электрогенераторам.

Сила ветра, вращающая лопасти, заставляет двигаться ось, к которой эти лопасти прикреплены, а она уже, в свою очередь, двигает шестерни и механизмы внутри мельницы.

В наши дни ветряные мельницы для производства электричества устроены практически так же, только энергия ветра заставляет вращаться ротор.

Рассмотрим более детально, как происходит преобразование ветра в электроэнергию.

1. Первичный вал с редуктором начинает вращаться от силы ветра, который толкает лопасти и заставляет их совершать обороты. Затем момент вращения передается на оборудованный магнитами ротор. Благодаря такой последовательности действий в статорном кольце образуется переменный ток.
2. При выработке электроэнергии в таком количестве необходимы аккумуляторы. Для того чтобы заряжать в безопасном режиме, необходим выпрямитель тока, который позволяет избежать скачков напряжения и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей.
3. Чтобы создать привычное нам напряжение в 220 В, из аккумуляторов ток подается в инвертор, а затем уже к конечным потребителям. Чтобы ветряк всегда ловил наиболее сильный ветер, устанавливают хвост, который разворачивает лопасти по ветру. Всевозможные датчики позволяют современным моделям иметь системы торможения, складывания и отвода лопастей от ударов ветра.

Виды

Различные виды ветряных мельниц классифицируют по количеству лопастей, по материалу, из которого эти лопасти изготовлены, по шагу винта и еще ряду критериев. Независимо от того, как расположена ось вращения генератора, принцип его работы остается одинаковым для любого вида. Но в основном их разделяют по выбору расположения оси или вала.

• Горизонтальный вид. Это когда поверхность земли расположена параллельно оси вращения генератора.

• Вертикальный вид. У этого вида ветряков вращающий вал расположен перпендикулярно поверхности земли, а лопасти расположены вокруг него.

Составная часть пропеллера или ветроколеса у современных ветряных генераторов может состоять из разного количества лопастей. Уже признано устоявшимся утверждение, что пропеллеры с количеством лопастей до трех вырабатывают большое количество тока лишь при сильном ветре, в то время как многолопастные ветрогенераторы могут довольствоваться небольшими потоками воздуха.

Обзор моделей

Российский рынок отличается большим ассортиментом ветряных генераторов.

Перед выбором стоит сравнить характеристики представленных моделей и варианты их применения. Разнообразие устройств представляет солидный ряд, в котором стоят как небольшие ветрогенераторы для дома, так и изделия для промышленного использования более крупных размеров.

• Ветряные генераторы Condor Home. Ветряки предназначены для использования в домашних условиях, мощность 0,5-5 кВт. Эти станции предназначены для использования при низких температурах, а также продуцируют энергию при слабых порывах ветра. Служат как основным, так и вспомогательным источником электричества на участке.

• Маленькие электростанции Falcon Euro. Чаще всего используются в комплексе с солнечными батареями или другими источниками энергии в случае значительного удаления от линий электропередач. Линейка моделей представлена технологичными ветряными генераторами преимущественно с вертикальными валами мощностью 1-15 кВт.

• Генераторы Sokol Air Vertical. Небольшие ветровые установки способны обеспечить электричеством как небольшие дома, так и средние производственные здания. Данные электростанции выпускаются с мощностью 0,5-15 кВт.

• Ветрогенераторы Energy Wind. Данные ветряки замечательно себя зарекомендовали как прекрасный вариант для электрообеспечения жилых домов, коттеджей и жилых построек. Есть как однолопастные, так и трёхлопастные модели с различной мощностью – 1-10 кВт.

• Ветряные мельницы Altek ЕВ. Сегмент загородных домов и дач покорили эти ветротурбины с горизонтальным валом вращения. Номинальная мощность от 1 до 10 кВт. Превосходно подходит для решения задач снабжения электричеством дачные участки.

Как выбрать?

Чтобы выбрать ветряную электростанцию, необходимо определиться с некоторыми пунктами, которые будут влиять на принятие решения.

Все расчеты и подобные вычисления требуют большого внимания: нужно собрать и обработать важную информацию.

1. Необходимо рассчитать максимальное и минимальное количество электричества, которого хватит для комфортного обеспечения объекта.
2. Изучить показатели ветра в разное время года, выявить безветренные периоды и понять, какие нужны аккумуляторы, когда энергию от ветряной мельницы нужно заменить чем-то другим.
3. Учитывайте в первую очередь климатические и географические характеристики региона. В том случае, если будут сильные заморозки, ветряной генератор будет нерентабелен.
4. Хорошо изучить рынок, провести сравнение подходящих вам генераторов от всех производителей. И не забывайте про такой показатель, как шум при работе ветрогенератора.

Полный переход на такие электростанции для жилых домов на значительном удалении от линии электропередач не решит проблему целиком. Но может быть отличной альтернативой и выходом из положения в определенных ситуациях, а иногда и единственным способом обеспечить электричеством свой участок. Для того чтобы выбор оказался максимально оправдан, следует учесть каждую характеристику – от размеров, уровня шума, емкости аккумуляторов до способа установки, необходимой для работы скорости ветра и количества вырабатываемого электричества.

Подробнее о ветрогенераторе смотрите в следующем видео.

Принцип действия и устройство ветрогенератора (общие понятия)

В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом.

Сила ветра приводит в движение лопасти, которые через специальный привод заставляют вращаться ротор. Благодаря наличию статорной обмотки, механическая энергия превращается в электрический ток. Аэродинамические особенности винтов позволяют быстро крутить турбину генератора.

Принцип работы

Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов

Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.

Принципиальная схема ветрогенератора

Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:

• для автономной работы;
• параллельно с резервным аккумулятором;
• вместе с солнечными батареями;
• параллельно с дизельным или бензиновым генератором.

Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.

Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.

Система торможения вращения лопастей

Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.

Конструкция ветрогенератора и узлов

При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.

Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер

Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:

• установка экологически чистая;
• отсутствует потребность её заправки топливом;
• не накапливаются какие-либо отходы;
• устройство работает очень тихо;
• имеет большой срок эксплуатации.

Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток. Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду. Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.

Увеличение мощности установки

Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.

Увеличить мощность ветроустановки можно с помощью системы резервирования электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.

Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.

Для трехфазных схемы электропитания необходимо установить по инвертору на каждую фазу.

Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.

Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора

Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки. Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем. Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.

Выбор ветрогенератора

Самые качественные ветряки производят в Германии, Франции и Дании. Эти страны делают ветровые установки для снабжения электричеством жилого частного сектора, фермерских хозяйств, школ, небольших торговых точек. В России из-за низкой стоимости электроэнергии и негласной монополии на продажу электроэнергии ветроустановки, солнечные панели и другие виды альтернативной энергии не сильно распространены.

Мобильный ветрогенератор подойдет для нефтепромышленности или монтажных бригад, которые ведут строительство в полях (прототип)

Но высокая стоимость подключения удаленных объектов от электросетей (есть до сих пор не электрифицированные деревни), хамство чиновников, длительные процедуры хождения и получения ТУ у монопольных компаний вынуждают собственников использовать альтернативную энергию своих объектов.

Прежде все вы должны понимать, что КПД ветровой установки составляет около 60%, есть зависимость от скорости ветра, и потребуется периодически проводить ТО. Если вы все-таки решили сделать выбор в пользу ветрогенератора, следует знать. Выбирать ветрогенератор нужно исходя из конкретных обстоятельств его применения. Существуют новые разработки и модели: с повышенным КПД, вертикальные, горизонтальные, ортогональные, безлопастные.

Подсчитывается активная и резистивная мощность всех потребителей энергии.

Для предприятий или частного дома эти данные могут быть в проекте или счетах за электроэнергию. Если вам необходимо обеспечить электроэнергией дачу выбирается модель ветроустановки на 1-3 кВт, инвертор нужно небольшой мощности и можно обойтись без аккумуляторных батарей. Принцип наличия дачной ветроустановки прост: есть ветер — есть электричество, нет ветра — работаем в огороде или по хозяйству. Простой ветрогенератор можно сделать самому, достаточно собрать необходимые материалы и соединить их вместе.

Для частного дома постоянного проживания, такой принцип не подойдет. При частом отсутствии ветра следует придать особое значение аккумулятору. Здесь нужна большая ёмкость. Однако, чтобы он быстрее заряжался, сам генератор электричества также должен быть большой мощности. То есть отдельные узлы установки тесно взаимосвязаны друг с другом. Более надежная комбинация — симбиоз с дизель-генератором и солнечными панелями. Это 100% гарантия наличия электричества в доме, но и более дорогая.

При наличии скважины вы будете полностью энергонезависимые от внешних сетей.

Сейчас большое распространение получили коммерческие ветровые установки. Получаемая с их помощью электроэнергия продается различным предприятиям, испытывающим недостаток в энергоснабжении. Обычно такие электростанции состоят из нескольких ветрогенераторов различной мощности. Вырабатываемое ими переменное напряжение в 380 вольт подается непосредственно в электросеть предприятия. Кроме того, ветрогенераторы могут использоваться для зарядки большого числа аккумуляторных батарей, с которых потом преобразованная в переменное напряжение энергия также подается в электрическую сеть.

Ветрогенераторы российского производства

В большинстве случаев владельцы предприятий ставят ветроустановки, солнечные панели и дизель-генераторы для нужд собственного производства. Получение разрешение на продажу электричества в России — это, скажем так, отдельная история. После проведения энергоаудита, высвобождаются мощности, например, путем замены ламп освещения на светодиодные. Подсчитывается срок окупаемости, при отсутствии бюджета можно разделить модернизацию на этапы.

Технологии развиваются. Создаются энергонезависимые дома, офисы, станции на земле и воде. Наша команда инженеров поможет вам с выбором, расчетом, проектом и монтажом оборудования. Готовы ответить на ваши вопросы в комментариях или через форму.

виды, как выбрать, обзор лучших вариантов

Ветряки давно перестали быть экзотической новинкой, сейчас их рассматривают как один из возможных вариантов экономии. Потоки воздуха над земной поверхностью несут в себе огромное количество энергии, которую в настоящее время успешно применяют в промышленных ветротурбинах и малых ветряных установках для частного использования.

Мы расскажем, как правильно выбрать и технически грамотно установить ветрогенератор для частного дома. В предложенной нами статье описаны правила сборки и эксплуатации мини электростанций. Заинтересованным покупателям даны рекомендации по выбору, приведен рейтинг популярных моделей.

Содержание статьи:

Конструкция и принцип работы ветротурбин

Ветровые генераторы представляют собой спецустройства, которые трансформируют кинетическую энергию ветра в электрическую. Это независимые источники электроэнергии, которые отлично подходят для установки в частных жилых домах, на небольших и средних фермерских хозяйствах, производственных базах.

Конструкция стандартной мини-электростанции для бытового использования включает такие функциональные элементы:

1. Лопасти аэродинамической формы для улавливания ветра.
2. Генератор для продуцирования переменного тока.
3. Контроллер для автоматического управления ветряной станцией. Позволяет регулировать подзарядку аккумуляторов, распределяет потоки энергии между устройствами.
4. Накопитель. Специальные аккумуляторные батареи для накопления сгенерированного электричества.
5. Инвертор для приведения параметров вырабатываемой энергии к сетевым стандартам.
6. Мачта, приподнимающая лопасти на определённую высоту над уровнем земли.

Мачты бывают разными: свободностоящие без растяжек, жёстко зафиксированные и поворотные на растяжках. Последние могут опускаться и подниматься для обслуживания, а также проведения ремонтно-восстановительных работ.

Под воздействием ветра лопасти, насаженные на генераторный вал, начинают вращаться, способствуя запуску ротора. В результате происходит преобразование кинетической энергии воздушных потоков в механическую, а потом и в электрическую энергию. Так выглядит сильно упрощённая схема работы ветряка

В действительности энергия от ветряной электростанции напрямую к потребителю не поступает. В системе обязательно должны быть подключены специальные приборы для преобразования электротока.

В цепи после генератора размещается контроллер. Он конвертирует переменный ток в постоянный. В таком виде электричество аккумулируется и сохраняется в батареях, а потом от них через инвертор, который трансформирует постоянный ток в переменный, энергия подаётся в частную электросеть.

Такая схема даёт возможность сгладить нестабильность напряжения, а также накапливать энергию в периоды полного отсутствия потребления. А это, в свою очередь, позволяет задействовать ветряные генераторы меньшей мощности, чем суммарная мощность бытовых электроприборов.

В ходе конвертации электротока по схеме переменный-постоянный-переменный происходят определённые потери энергии, которые составляют примерно 20%

Вместе с автономной ветряной станцией можно устанавливать и солнечные модули, и топливные генераторы.

Если задействовано сразу несколько устройств для получения электричества, схему дополняют ещё одним элементом – автоматическим выключателем (ABP). Он необходим, чтобы при отключении одного источника альтернативной энергии запускался другой – резервный.

В составе современных ветряных станций используются различные конструкции роторов – вращающихся частей. Они имеют свои преимущества и недостатки, разную эффективность и функциональные возможности. В настоящее время существует много разработок автономных систем, способных взаимодействовать с ветрами разной скорости и силы.

Виды ветряных электростанций

По типу потребителей различают автономные ветрогенераторы и установки сетевого назначения. Первые осуществляют энергоснабжение удалённых от центральных электрических сетей потребителей.

Вторые – могут насчитывать несколько десятков/сотен ветряков, которые образуют единую систему и отдают энергию в общую сеть. Мощность автономных агрегатов редко превышает 75 кВт, в то время как мощность сетевых установок стартует с отметки 100 кВт.

В зависимости от типа конструкции различают ветряные генераторы:

• с вертикальной осью вращения;
• с горизонтальной осью вращения.

Эти устройства используются для разных условий эксплуатации, но чаще всего встречаются модели с горизонтальной осью. Они работают как обычные флюгеры и имеют схожее строение. Ось ротора вращается параллельно земной поверхности.

Такие агрегаты отличаются высокими показателями КПД (около 40%), простой регулировкой мощности и более доступной ценой, но также характеризуются высоким уровнем создаваемого шума и вибраций. Помимо этого, их необходимо ориентировать на направление ветра.

Для монтажа ветряка с горизонтальным расположением ротора нужно примерно 120 м свободного пространства и мачта высотой не меньше 8 м

Ветряные генераторы с вертикальной осью вращения имеют более компактную конструкцию, они менее восприимчивы к воздействию факторов окружающей среды.

В устройствах этого типа турбина расположена перпендикулярно по отношению к плоскости Земли. Подобные конструкции запускаются даже от слабого ветра и не зависят от направления движения воздушных потоков.

Низкий уровень создаваемого шума (до 30 дБ) даёт возможность устанавливать вертикальные ветротурбины на крышах зданий

Однако есть и существенный минус – КПД таких генераторов составляет всего 15%. Кроме того, они стоят дороже, чем модели с горизонтальной осью вращения.

Модели ветрогенераторов различаются между собой не только расположением вращательной оси, но и:

• количеством лопастей – бывают ветряки с двумя и тремя лопастями, встречаются и многолопастные модификации;
• материалами изготовления функциональных деталей – с парусными и жёсткими лопастями;
• шагом винта – регулируемый или фиксированный.

Вращение многолопастных стационарных ветряков начинается даже при слабом ветре, а вот для работы двух- и трёхлопастных устройств нужен более сильный ветер. В то же время каждая дополнительная лопасть в конструкции создаёт большее сопротивление колеса, в результате чего становится сложнее достигнуть стандартных рабочих оборотов генератора.

В зависимости от материала изготовления , могут возникнуть определённые сложности в работе. Парусные элементы проще в изготовлении, поэтому и стоят дешевле.

Но если необходимо обеспечить надёжное функционирование ветротурбины для автономного электроснабжения, стоит отдавать предпочтение конструкциям с жёсткими лопастями, изготовленными из металла или армированного стеклопластика.

Что касается шага винта, то здесь также не всё так просто. Изменяемый шаг позволяет заметно расширить диапазон эффективных скоростей для работы ветряной станции и это большой плюс. Но в то же время такой механизм снижает общую надёжность стационарной установки и значительно утяжеляет ветроколесо, усложняя эксплуатацию агрегата.

Целесообразность установки ветрогенератора

Малые ветряные электростанции сегодня широко применяются в качестве альтернативных источников электроэнергии, которые позволяют добиться реальной экономии.

Подобные устройства, как правило, устанавливают на дачных участках, в зонах, удалённых от основных электросетей. Но это не единственная причина, почему люди всё чаще отдают предпочтение конструкциям такого типа.

Владельцы земельных участков успешно используют ветряные генераторы, чтобы добиться полной автономности и существенной экономии электроэнергии

Однако не каждая зона подходит для установки ветротурбины. Чтобы мини-электростанция полноценно функционировала в течение заявленного производителем срока эксплуатации, климатические условия местности должны соответствовать требованиям спецоборудования.

Средняя скорость ветра не должна быть меньше отметки 4,5-5 м/с. Лишь в этом случае монтаж конструкции с ветряком будет экономически оправдан.

Чтобы узнать приблизительные данные о среднегодовой скорости ветра по регионам, необходимо просмотреть специальную карту ветров. Более точную информацию можно получить, используя анемометр и устройство для считывания сигналов.

Измерительную систему нужно установить на большой высоте, чтобы близко расположенные постройки и деревья не искажали результатов.

Если вы решили установить ветряную мини-электростанцию для дома, также следует подумать о наличии свободного пространства. При этом нужно учесть, что ветер должен абсолютно свободно «гулять» по лопастям, ну и без препятствий на своём пути достигать их с разных сторон.

Именно поэтому идеальным местом для установки ветротурбины считаются вершины холмов, где воздушные массы уплотняются с соответствующим увеличением давления и скорости ветра. Также подходящими считаются морские регионы и степная зона.

Чтобы получить полную отдачу от ветряка, его нужно установить в месте, где нет деревьев и высоких зданий

Любые препятствия в радиусе 250 м будут оказывать влияние на . Для получения максимальных показателей КПД необходимо установить ось турбины выше уровня препятствий как минимум на 4-5 м.

Правила выбора оборудования

К подбору ветряного генератора для дома следует подойти ответственно.

Заранее нужно собрать базовую информацию:

1. Рассчитать номинальное и максимальное количество электроэнергии для обеспечения потребностей дома.
2. Просмотреть данные о среднегодовой скорости ветра в зоне проживания, чтобы определить периоды, когда ветряк будет бездействовать.
3. Учесть климатические особенности местности. Если в зимнее время года отмечаются сильные морозы, установка ветряной станции себя не оправдает.
4. Выяснить интенсивность создаваемого шума при работе ветрогенераторов.
5. Провести сравнение технических характеристик устройств от разных производителей.

Подбор комплектующих функциональных элементов для ветроэнергетической установки производят по номинальному значению мощности. При этом играет роль и номинальная скорость ветра – значения, при которых ветрогенератор вырабатывает расчётное количество электрической энергии.

Если максимальную мощность установка выдаёт при скорости ветра 11 м/с, а в вашей местности средний показатель достигает отметки 4,5 м/с, ветряк не будет вырабатывать заявленное производителем количество энергии

Акцентировать внимание нужно и на том, что мощность ветряного генератора зависит от диаметра колеса, сформированного лопастями. При увеличении размеров в 2 раза ветряк при той же скорости ветра будет производить в 4 раза больше электричества.

Также важна ёмкость аккумуляторных батарей. На случай безветрия в них должно быть достаточно энергии, чтобы обеспечить дом.

Монтаж частной ветряной мини-электростанции лучше доверить компании, которая специализируется на выполнении такого рода работ. Главная цель – обеспечить максимальную безопасность. Габаритная конструкция ветряка должна гарантировано сохранять устойчивость даже в случае экстремальных погодных условий

Маломощные модели ветрогенераторов с лёгкими невысокими мачтами можно установить самостоятельно. Центральную опору обязательно монтируют на укреплённом железобетонном фундаменте. Для боковой устойчивости конструкции используют 3-4 растяжки.

Примерные цены и окупаемость ветрогенераторов

Популярность ветряных агрегатов растёт с каждым днём. Ими выгодно оборудовать большие и дорогие коттеджи, на содержание которых требуется много электрической энергии.

Целесообразно устанавливать ветряки и в населённых пунктах, где отсутствует централизованное электроснабжение или подача электроэнергии производится с постоянными перебоями.

Именно в таких случаях на помощь придут ветрогенераторы, использование которых имеет ряд преимуществ:

• трансформация энергии воздушных потоков в бесплатное электричество;
• экологическая безопасность ветротурбин;
• отсутствие сырья и отходов при производстве электроэнергии;
• минимальный износ функциональных деталей;
• длительный срок эксплуатации – 25-30 лет;
• нет необходимости постоянно контролировать работу ветростанции.

К недостаткам относят переменчивость и непредсказуемость силы ветра. Чтобы минимизировать потери, нужно дублирование источника или же монтаж дополнительного буфера для накопления энергии. Также вращающееся ветроколесо представляет потенциальную угрозу для летящих птиц.

Ветряные электростанции создают шум, сравнимый с шумом автотранспорта при движении со скоростью около 70 км/час. Повышенный уровень шума не только отпугивает животных, но и доставляет дискомфорт людям

Ещё один существенный минус ветроустановок для бытового использования – высокая стоимость. Эти громоздкие конструкции изготовляются из дорогостоящих материалов, в комплекте имеют контроллер, аккумуляторы, инверторную установку и мачту.

Следует отметить, что бытовые ветрогенераторы от российских производителей, а также качественные ветряные установки, выпускаемые в Китае, стоят намного дешевле, чем европейские аналоги. Стоимость отечественных ветряков с вертикальной осью номинальной мощностью до 2 кВт варьируется в диапазоне 1300-2500$.

Но при такой цене комплектация включает лишь генератор с лопастями. Остальное оборудование придётся приобрести отдельно или . Полнокомплектные установки стоят дороже примерно на 40-50%.

Цена ветряных станций для домашнего использования мощностью от 3 кВт до 7 кВт намного выше. Такие генераторы с сопутствующим оборудованием обойдутся покупателю в 5000-12000$.

В настоящее время применение ветряных установок в качестве альтернативы централизованному электроснабжению нерентабельно из-за высокой стоимости оборудования

И даже когда присутствуют перебои в подаче сетевого электричества, ветрогенератор устанавливать целесообразно не всегда. Проще и дешевле обойдётся смонтировать систему бесперебойного питания на базе промышленных аккумуляторов в сочетании с ИБП.

Есть смысл монтировать ветроэнергетическую установку в местах, где доступ к централизованной энергоподаче полностью отсутствует. Период окупаемости в этом случае составляет 25 лет.

Перед приобретением компонентов для сборки и установки ветряного генератора энергии желательно провести , приведенным в рекомендуемой нами статье. Здесь же вы найдете порядок и правила выполнения вычислений.

Обзор лучших брендов и установок

На российском рынке ветряных генераторов представлены как надёжные относительно недорогие устройства отечественных брендов, так и различные по функциональности модели ветряков от зарубежных производителей. Чтобы определиться с выбором установки для дома, нужно сравнить характеристики разных агрегатов.

№1 — ветрогенераторы Condor Home (Россия)

Серия ветряков для домашнего использования включает устройства мощностью 0,5-5 кВт. Они могут служить основным источником электричества или дополнительным. Станции Condor Home адаптированы для эксплуатации в условиях низких температур, способны продуцировать энергию даже при слабом ветре.

В зависимости от модели, корпус генератора изготовлен из пластика или литого алюминия, лопасти – из стеклопластика. Присутствует эффективная двойная система торможения. Мачта составная, на растяжках, имеет высоту 8-12 м. Для установки этих агрегатов нужен свайный или бетонный фундамент.

Домашние ветряные генераторы Condor Home – полностью готовые продукты, для работы с которыми не нужны специальные знания или технические навыки. Устройства предназначены для электрификации как отдельно стоящих построек, так и маленьких населённых пунктов в составе ветряных электростанций

Базовая комплектация включает мачту и растяжки, генератор, ротор и лопасти, контроллер заряда, крепёжные элементы.

№2 — мини-электростанции Falcon Euro (Россия)

Представляют собой высокотехнологичные вертикально-осевые ветряные генераторы мощностью 1-15 кВт. Применяются для основного/резервного питания потребителей, удалённых от линий электропередач. Могут быть использованы в составе комплекса с солнечными панелями и топливным генератором.

Ветряки оснащены мощными неодимовыми магнитами. Стартовая скорость ветра для запуска установки составляет 1,5 м/с, номинальная скорость – 11 м/с. Установленный аэродинамический тормоз способствует ограничению оборотов колеса. Заявленный срок эксплуатации от производителя – 20 лет, заводская гарантия на мини-электростанции – 36 месяцев.

Ветрогенераторы Falcon Euro отличаются надёжностью в эксплуатации и неприхотливостью в обслуживании. С помощью устройств этой серии легко решить проблемы электроснабжения локальных, а также островных объектов

В базовый комплект установки Falcon Euro включены несколько функциональных элементов: ветроколесо, генератор и контроллер, мачта, закладные детали. Инверторная установка и аккумуляторные батареи подбираются отдельно.

№3 — ветряные агрегаты Sokol Air Vertical (Россия)

Малые ветроэнергетические установки данного бренда могут обеспечить электричеством и небольшие коттеджи, и средние предприятия. Для бытового использования выпускаются устройства SAV мощностью 0,5-15 кВт.

Они характеризуются высокой эффективностью при слабых ветрах, бесперебойно функционируют при низких и высоких температурах в диапазоне от -50 °C до +50 °C, отличаются низким уровнем создаваемого шума и стойкостью к внешним воздействиям.

Генерация электроэнергии агрегатами Sokol Air Vertical не зависит от направления ветра. Вертикально-осевые установки работают в автоматическом режиме без обслуживающего персонала. В конструкции предусмотрена электромагнитная и аэродинамическая система торможения для ограничения оборотов ветроколеса.

Лопасти изготовлены из армированного полиэфира или авиационного алюминия (в зависимости от модели), имеют самораскручивающийся профиль. Генератор – многополюсный трёхфазный с возбуждением от постоянных магнитов.

Ветряки Sokol Air Vertical выдают номинальную мощность при показателях 7-8 м/c, что позволяет использовать их в регионах с низкой среднегодовой скоростью ветра

В базовую комплектацию ветряной электростанции входят: ветроустановка с контроллером заряда аккумуляторов, мачта с растяжками, монтажный набор. Инвертор и аккумуляторы подбираются по техническому заданию отдельно.

№4 — ветрогенераторы Energy Wind (Россия)

Покупателям доступны одно- и трёхлопастные модели продуктов универсального применения мощностью 1-10 кВт. Эти ветряки прекрасно подходят для создания проектов обеспечения электричеством частных жилых домов и коттеджей.

Основу установок Energy Wind составляют прочные лопасти из армированного стекловолокна, окрашенные автоэмалью, и надёжная система вывода из воздушного потока. Эти агрегаты с горизонтальной осью вращения стабильно работают при температурах от -40 до +40 градусов по шкале Цельсия.

Минимальная рабочая скорость ветра – 2 м/с, при некоторых положениях лопасти – 3 м/с, рекомендуемая высота мачты – 8-20 м. Средний срок эксплуатации установок российского бренда составляет 25 лет, официальная гарантия от производителя – 3 года.

Ветрогенераторы Energy Wind не требуют постоянного ухода или техобслуживания, что способствует быстрому реинвестированию вложенных финансовых средств

Базовая комплектация установок включает электрогенератор на постоянных магнитах с узлом крепления к мачте и поворотным механизмом, лопасти, комплект крепёжных элементов для сборки ветроустановки. Мачту, а также контроллер, инвертор и батареи для накопления электроэнергии нужно приобрести отдельно.

№5 — ветряки Altek EW (Китай)

Вид ветротурбин – с горизонтальной осью вращения. Устройства номинальной мощностью от 1 кВт до 10 кВт отлично подходят для решения задач электрообеспечения загородных жилых домов и дач.

Защитный кожух ветряков Altek EW изготовлен из алюминиевого сплава, что существенно облегчает конструкцию. Функциональные металлические части генератора покрыты кремнием для термостойкости.

Лопасти изготовлены из фиброармированного пластика. Стартовая скорость ветра для запуска бытовых агрегатов китайского бренда составляет 2,5 м/с, номинальная скорость – 12 м/с.

Ветрогенераторы Altek EW – одни из самых доступных устройств для выработки электричества, которые представлены на современном рынке альтернативной энергетики

В состав базовой комплектации включены лопасти, генератор и контроллер. Остальные функциональные элементы для ветряка необходимо докупить.

Если стоимость комплекта заводского производства покажется вам излишне высокой, есть смысл соорудить . В рекомендуемой нами статье описано изготовление полезного в хозяйстве агрегата из стиральной машинки.

Выводы и полезное видео по теме

Перспективы использования ветроэнергетических установок:

Принцип функционирования современных ветровых турбин. Как энергия ветра преобразуется в электричество:

Даже сегодня использование ветрогенераторов требует постоянного развития. Возможности и долгосрочные перспективы этого альтернативного способа выработки электроэнергии многообещающие. Однако нужны определённые меры как со стороны производителей оборудования, так и от администраций населённых пунктов.

Установка малых ветряных генераторов для частных домохозяйств проблему энергоснабжения в регионах полностью не решит. Но для отдельных владельцев участков данный вариант может стать выходом из положения.

Расскажите о собственном опыте в выборе или установке ветряка на загородном участке. Пишите, пожалуйста, комментарии, размещайте фото и задавайте вопросы в расположенном ниже блоке. Делитесь технологическими тонкостями и полезными сведениями, которые пригодятся посетителям сайта.

описание, конструкция, принцип работы 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

плюсы и минусы, производители устройств и необычные конструкции

Возрастающий интерес конструкторов к ветроэнергетике, стремление обеспечить автономность, независимость жилья от поставщиков ресурсов, вызвали появление множества разработок, функционально опережающих традиционные образцы. Обилие конструкций и разновидностей ветряков заставляет рассмотреть их внимательнее.

Основные виды ветрогенераторов

В первую очередь, ветрогенераторы принято разделять на вертикальные и горизонтальные. Эти группы называются так из-за расположения оси вращения крыльчатки. Горизонтальные конструкции напоминают пропеллер или вентилятор, а вертикальные по своему строению близки к карусели. Такое разделение условно, в настоящее время имеются конструкции, сочетающие в себе элементы и той, и другой группы. Есть также отдельные устройства, которые не могут быть причислены к этим категориям.

Горизонтальные конструкции, их особенности, достоинства и недостатки

Горизонтальные устройства имеют более высокую эффективность, поскольку энергия потока усваивается ими намного полнее. Все горизонтальные ветряки созданы практически по одной конструктивной схеме, есть некоторые отличия лишь в строении ротора. К недостаткам этой группы можно отнести необходимость настройки на ветер, которая хоть и производится автоматически, но требует наличия дополнительного шарнирного соединения, обеспечивающего вращение устройства вокруг вертикальной оси.

Кроме того, для горизонтальных устройств важно наличие высокой опоры — мачты, обеспечивающей оптимальный режим контакта с потоками ветра. Специфика работы требует наличия защиты от ураганного ветра, которая при увеличении силы потока отводит ротор от ветра, вследствие чего частота вращения резко падает.

Вертикальные генераторы, особенности, плюсы и минусы

Вертикальные ветрогенераторы менее эффективны вследствие наличия останавливающего воздействия потока ветра на обратные стороны лопастей. Этот недостаток практически единственный. Вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер, не требуют установки на высокие мачты, доступны для ремонта, обслуживания или самостоятельного изготовления.

Именно вертикальные конструкции обеспечивают такое разнообразие форм и моделей ротора, созданных профессиональными конструкторами и талантливыми любителями. Рассмотрим некоторые варианты конструкции вертикальных роторов:

Ротор Дарье

Отличается конфигурацией лопастей, которые расположены вертикально и по касательной к окружности вращения. Кроме того, форма лопасти имеет строение как у крыла самолета, поэтому при вращении создается подъемная сила, облегчающая движение и способствующая работе со слабыми потоками ветра.

Ветровая турбина Савониуса

Этот вид имеет две лопасти, установленные напротив друг друга. Форма лопастей напоминает желоб, при воздействии ветрового потока на обратную сторону происходит расщепление струи воздуха, которая частично уходит в сторону, а частично соскальзывает с обратной стороны одной лопасти на рабочую часть второй. Ветрогенератор Савониуса является одной из самых старых разработок, но до сих пор вполне успешно используется как в промышленных, так и в самодельных устройствах.

Выбор вертикального ветрогенератора

Для того, чтобы правильно подобрать конструкцию вертикального ветрогенератора, надо учесть размеры ротора, силу ветра в регионе, потребность в определенном количестве электроэнергии, и сопоставить эти величины. Чем больше ротор, тем он тяжелее и тем труднее ему начинать вращение. Способность начинать вращаться при слабых ветрах присуща не каждому виду вертикальных устройств, поэтому следует для больших ветряков использовать наиболее чувствительные конструкции.

Вариантов выбора много, их параметры мало отличаются друг от друга, но некоторая разница присутствует. Если рассматриваемая конструкция не способна обеспечить желаемое количество энергии, следует отказаться от нее и рассмотреть другой вариант.

Кроме указанных параметров надо помнить, что самодельное устройство во многих случаях выгоднее и надежнее, так как легче ремонтируется и не требует больших расходов, что при выборе может сыграть решающую роль.

Генераторы российского производства

Российские фирмы-производители ветряков пока не могут в полную силу конкурировать с зарубежными изготовителями. При этом, отечественные конструкторы учитывают специфику и потребности российского пользователя. Конструкции российских фирм рассчитаны на потребление в масштабах одного дома, или одной небольшой системы (освещение, водяной насос и т.д.). Такой подход позволяет создавать устройства, доступные по цене и удобные по параметрам.

Приобретение крупных образцов отечественному пользователю не по карману, а удовлетворить потребности одной усадьбы можно одним-двумя небольшими комплексами. Поэтому российские фирмы выпускают более привлекательные модели, что создает для них неплохие перспективы и повышает конкурентоспособность.

Необычные конструкции ветрогенераторов

Среди широкого ряда конструкций ветряков встречаются устройства весьма специфического вида. При этом, они полностью функциональны и выполняют свою работу на достаточно высоком уровне (для опытных или пилотных образцов). Некоторые конструкции совершенно выбиваются из общего ряда и обладают уникальными свойствами, другие намного ближе к традиционным формам. Рассмотрим их поближе:

Устройство на водяных каплях

Из необычных ветрогенераторов этот — самый необычный. Он не похож ни на одну известную конструкцию. Он даже не имеет вращающихся частей. Представляет собой раму, внутри которой расположены горизонтально трубки с водой. На поверхности трубок имеются сопла, из которых выпускаются капли воды, заряженной положительно при помощи электродов, находящихся внутри трубок. При порыве ветра капли попадают на противоположные электроды, изменяя их заряд, что вызывает возникновение электрического тока в системе.

Дизайнерский ветрогенератор revolution air

Этот ветрогенератор создан, по сути, с декоративными целями. Его свойства таковы, что пользоваться им как полноценным устройством вряд ли получится. Для запуска ему нужна скорость потока от 14 м/сек, а при минимальной цене в 2500 евро такие характеристики нельзя рассматривать как нормальные рабочие параметры. Устройство имеет оригинальный внешний вид, хотя, по сути, является переосмысленным в художественном смысле вариантом ветрогенератора ортогонального типа.

Парусный ветряк

Еще одна оригинальная конструкция ветряка, имеющего весьма широкие лопасти. Они изготовлены в виде рам, на которые натягивается плотное полотно, образующее парус. Такая конструкция способствует получению больших лопастей при малом весе.

Имеется также конструкция, где парус создает давление на систему поршней без вращения. Большая площадь позволяет эффективно использовать полученную энергию ветра, но имеется опасность выхода из строя мачты ветряка при сильном порыве. Конструкция практически не шумит, не имеет движущихся частей, что увеличивает срок службы и снижает расходы на обслуживание устройства.

Конструкция Третьякова

Ротор ветрогенератора Третьякова имеет довольно сложную конструкцию, хотя, по сути, он является разновидностью ротора с диффузором. Устройство имеет вертикальный ротор-крыльчатку. Вокруг нее располагается подвижный воздухоприемник со стабилизатором, автоматически устанавливающим конструкцию по ветру. Воздухоприемник имеет также ряд направляющих, организующих поступление потока в нужном направлении.

Воздух, попадая внутрь корпуса, обходит рабочее колесо снизу и направляется к лопаткам. Такой сложный путь потока способствует получению правильного направления струи и отсутствию противодействующего контакта с обратными сторонами лопастей. Ротор способен начинать вращение при ветре от 1,4 м/сек, что очень ценно в условиях нашей страны, не отличающейся сильными и ровными ветрами.

Летающий ветрогенератор-крыло

Идея создания такой конструкции опирается на тот факт, что на высоте потоки ветра более активны и имеют большие скорости. Разработчики используют приспособление, напоминающее гигантский воздушный змей, который поднимается на большую высоту и летает по заранее задуманной траектории, вырабатывая электрический ток. Устройство позволяет отказаться от создания высоких мачт, поднимать ветряк на большие высоты и обеспечивать максимально возможные скорости ветра.

Внимание! Большинство необычных разработок до сих пор не запущено в массовое производство. Причиной этого стали относительно невысокие показатели, которые демонстрируют конструкции, и сложности в осуществлении некоторых операций эксплуатационного характера (например, запуск ветряка-крыла).

Мощные генераторы электроэнергии

Мощные ветрогенераторы используются для выработки электроэнергии в промышленных масштабах. Их создание было необходимостью, вызванной полным отсутствием других возможностей. Созданные большие ветряки имеют большую мощность и действуют в составе ветроэнергетических станций (ВЭС).

В них входят десятки таких ветряков, обеспечивающих суммарную выработку 400-500 мВт энергии, что уже сопоставимо с возможностями ГЭС, хотя и не может перекрыть их. Размеры таких ветряков действительно огромны, размах лопастей турбины «Энеркон» составляет 126 м, а высота от земли до оси ротора — 135 м.

Такие габариты вызвали массу домыслов о вреде для здоровья человека, об опасности для пролетающих птиц и прочих небылицах. Использование этих гигантов дает возможность снабжать энергией целые регионы Германии, Дании и прочих государств, расположенных на побережье Атлантики и Балтики.

Возникающие слухи свидетельствуют лишь о неграмотности населения и не имеют ничего общего с реальной ситуацией. Эксплуатация крупных ветрогенераторов была бы попросту невозможной, если бы они имели какое-либо отрицательное воздействие на природу или человека. Европейские законы на этот счет весьма строги и не допускают исключений.

Рекомендуемые товары

Вертикальный ветрогенератор своими руками — пошаговые инструкции по сборке

Здесь вы узнаете:

Вертикальный ветрогенератор своими руками — это метод преобразования энергии ветра в электрическую энергию. Альтернативная энергия, получаемая от ветра — экологичный и экономичный способ.

Законность установки ветрогенератора

Альтернативные источники энергии – мечта любого дачника или домовладельца, участок которого находится вдали от центральных сетей. Впрочем, получая счета за электроэнергию, израсходованную в городской квартире, и глядя на возросшие тарифы, мы осознаём, что ветрогенератор, созданный для бытовых нужд, нам бы не помешал.

Прочитав эту статью, возможно, вы воплотите свою мечту в реальность.

Ветрогенератор – отличное решение для обеспечения загородного объекта электроэнергией. Причем в ряде случаев его установка является единственным возможным выходом

Чтобы не потратить зря деньги, силы и время, давайте определимся: есть ли какие-либо внешние обстоятельства, которые создадут нам препятствия в процессе эксплуатации ветрогенератора?

Для обеспечения электроэнергией дачи или небольшого коттеджа достаточно малой ветроэнергетической установки, мощность которой не превысит 1 кВт. Такие устройства в России приравнены к бытовым изделиям. Их установка не требует сертификатов, разрешений или каких-либо дополнительных согласований.

Для того чтобы определиться с целесообразностью устройства ветрогенератора, необходимо выяснить ветроэнергетический потенциал конкретной местности (кликните для увеличения)

Никакого налогообложения производства электроэнергии, которая расходуется на обеспечение собственных бытовых нужд, не предусмотрено. Поэтому маломощный ветряк можно смело устанавливать, вырабатывать с его помощью бесплатную электроэнергию, не уплачивая при этом государству никаких налогов.

Впрочем, на всякий случай следует поинтересоваться, нет ли каких-либо местных нормативных актов, касающиеся индивидуального энергоснабжения, которые могли бы создать препятствия в установке и эксплуатации этого устройства.

Претензии могут возникнуть у ваших соседей, если они будут испытывать неудобства, связанные с эксплуатацией ветряка. Не забывайте, что наши права заканчиваются там, где начинаются права других людей.

Поэтому при покупке или самостоятельном изготовлении ветрогенератора для дома нужно обратить серьёзное внимание на следующие параметры:

• Высота мачты. При сборке ветрогенератора нужно учитывать ограничения на высоту индивидуальных построек, которые существуют в ряде стран мира, а также местонахождение собственного участка. Знайте, что поблизости от мостов, аэропортов и тоннелей строения, высота которых превышает 15 метров, запрещены.
• Шум от редуктора и лопастей. Параметры создаваемого шума можно установить при помощи специального прибора, после чего зафиксировать результаты замеров документально. Важно, чтобы они не превышали установленные шумовые нормы.
• Эфирные помехи. В идеале при создании ветряка должна быть предусмотрена защита от создания телепомех там, где ваше устройство может такие неприятности обеспечить.
• Претензии экологических служб. Эта организация может препятствовать вам в эксплуатации установки только в том случае, если она мешает миграции перелетных птиц. Но это маловероятно.

При самостоятельном создании и монтаже устройства учите эти моменты, а при покупке готового изделия обратите внимание на параметры, которые стоят в его паспорте. Лучше заранее обезопасит себя, чем впоследствии расстраиваться.

• Целесообразность устройства ветряка обосновывается в первую очередь достаточно высоким и стабильным ветряным напором в местности;
• Необходимо располагать достаточно большим участком, полезная площадь которого не будет существенно сокращена из за установки системы;
• Из-за сопровождающего работу ветряка шума желательно, чтобы между жильем соседей и установкой было не менее 200 м;
• Убедительно аргументирует в пользу устройства ветрогенератора неуклонно повышающаяся стоимость электроэнергии;
• Устройство ветрогенератора возможно только в местностях, власти которых не препятствуют, а лучше еще и поощряют использование зеленых видов энергии;
• Если в регионе сооружения мини электростанции, перерабатывающей энергию ветра, случаются частые перебои, установка минимизирует неудобства;
• Владелец системы должен быть готов к тому, что вложенные в готовое изделие средства не окупятся сразу. Экономический эффект может стать ощутимым через 10 — 15 лет;
• Если окупаемость системы — не последний момент, стоит задуматься об сооружении мини электростанции собственными руками.

Преимущества и принцип работы ветряков

Современный вертикальный генератор – один из вариантов альтернативной энергии для дома. Агрегат способен преобразовать порывы ветра в энергетический ресурс. Для корректной работы он не нуждается в дополнительных устройствах, определяющих направление ветра.

Ветряной генератор роторного типа очень легко изготовить своими руками. Конечно, полностью взять на себя обеспечение частного крупногабаритного коттеджа энергией он не сможет, но с освещением хозяйственных построек, садовых дорожек и придомовой территории справится на отлично

Прибор вертикального типа функционирует на низкой высоте. Для его обслуживания не нужны различные приспособления, обеспечивающие безопасное проведение высотных ремонтных и обслуживающих работ.

Минимум движущихся деталей делает ветряную установку более надежной и эксплуатационно устойчивой. Оптимальный профиль лопастей и оригинальной формы ротор обеспечивают агрегату высокий уровень КПД независимо от того, в каком направлении дует ветер в каждый отдельный момент.

Малые бытовые модели состоят из трех и более легких лопастей, моментально улавливают самый слабый порыв и начинают вращаться, как только сила ветра превышает 1,5 м/с. Благодаря этой способности их эффективность часто превышает КПД крупных установок, нуждающихся в более сильном ветре

Генератор работает абсолютно бесшумно, не мешает хозяевам и соседям, не создает вредных выбросов в атмосферу и надежно служит в течение многих лет, аккуратно поставляя энергию в жилые помещения.

Вертикальный генератор ветрового типа работает по принципу магнитной левитации. В процессе вращения турбин образуются импульсная и подъемная силы, а также сила фактического торможения. Первые две заставляют крутиться лопасти агрегата. Это действие активирует ротор и он создает магнитное поле, вырабатывающее электричество.

Ветряк, имеющий вертикальную ось вращения, по эффективности уступает своим горизонтальным аналогам. Зато не предъявляет претензий к территориальному расположению и полноценно работает практически в любом удобном для домовладельцев месте

Прибор функционирует полностью самостоятельно и не требует вмешательства хозяев в процесс.

Ветрогенератор с вертикальной осью вращения

В ветряных генераторах данного вида вращающаяся ось генератора расположена вертикально по отношению к поверхности земли.

За годы использования устройств данного вида появились разнообразные конструкции которые объединены в группы, это:

С ротором Дарье — агрегаты оснащаются двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала.

К положительным особенностям данной конструкции можно отнести:

• Самостоятельную ориентацию по отношению к воздушным потокам;
• Удобное обслуживание установки.
• Простота схемы агрегата.

К отрицательным относятся:

• Нет возможности в самостоятельной раскрутке лопастей;
• Значительная нагрузка на элементы конструкции;
• Лопасти должны быть идентичны и соответствовать заданному профилю;
• Повышенный уровень шума в процессе работы.
• С ротором Савониуса – агрегаты оснащены лопастями в виде цилиндрических поверхностей.

Достоинствами данной группы являются:

• Для запуска в работу требуются незначительные потоки ветра;
• Способность быстрого набора крутящего момента;
• Надёжность конструкции;
• Низкая стоимость.

К недостаткам можно отнести:

• Низкий КПД устройств этой группы.

Устройства с ротором Савониуса применяют при монтаже комбинированных ветровых генераторов, их используют для разгона агрегатов с ротором Дарье.

С вертикально-осевой конструкций ротора — у агрегатов этой группы лопасти напоминают форму крыла самолета и расположены вертикально, ось ротора расположена параллельна валу.

По внешнему виду агрегаты данной группы похожи на устройства с ротором Дарье.

К положительным качествам устройств относятся:

1. Простота в изготовлении;
2. Способность быстрого набора скорости вращения;
3. Низкий уровень шума.
4. Надежность в работе.
5. С геликоидным ротором – агрегаты этой группы являются более развитым вариантом устройств с вертикально-осевым ротором. Лопасти имеют форму геликоидной кривой.

Положительные качества:

1. Более низкие нагрузки на элементы конструкции;
2. Быстрый набор скорости вращения.

Недостатки:

• Повышенный уровень шума;
• Высокая стоимость.
• Многолопастный ротор – в основу агрегатов этого типа положена вертикально-осевая конструкция с устройством дополнительного внешнего кольца неподвижных лопастей.

Достоинства агрегатов данной группы:

• Более высокий КПД установок;
• Чувствительность к потокам ветра.

Недостатки:

• Высокая стоимость;
• Повышенный уровень шума.

ВС

На первой позиции – самый простейший, чаще всего называемый ротором Савониуса. На самом деле его изобрели в 1924 г. в СССР Я. А. и А. А. Воронины, а финский промышленник Сигурд Савониус бессовестно присвоил себе изобретение, проигнорировав советское авторское свидетельство, и начал серийный выпуск. Но внедрение в судьбе изобретения значит очень много, поэтому мы, чтобы не ворошить прошлое и не тревожить прах усопших, назовем этот ветряк ротором Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС.

ВС для самодельщика всем хорош, кроме «паровозного» КИЭВ в 10-18%. Однако в СССР над ним работали много, и наработки есть. Ниже мы рассмотрим усовершенствованную конструкцию, не намного более сложную, но по КИЭВ дающую фору лопастникам.

Примечание: двухлопастный ВС не крутится, а дергается рывками; 4-лопастный лишь немного плавнее, но много теряет в КИЭВ. Для улучшения 4-«корытные» чаще всего разносят на два этажа – пара лопастей внизу, а другая пара, повернутая на 90 градусов по горизонтали, над ними. КИЭВ сохраняется, и боковые нагрузки на механику слабеют, но изгибные несколько возрастают, и при ветре более 25 м/с у такой ВСУ на древке, т.е. без растянутого вантами подшипника над ротором, «срывает башню».

Дарье

Следующий – ротор Дарье; КИЭВ – до 20%. Он еще проще: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию.

Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре.

Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Ортогонал

На поз. 3 – ортогональный вертикальный ротор с профилированными лопастями. Ортогональный потому, что крылья торчат вертикально. Переход от ВС к ортогоналу иллюстрирует рис. слева.

Карусельный и ортогональный роторы

Угол установки лопастей относительно касательной к окружности, касающейся аэродинамических фокусов крыльев, может быть как положительным (на рис.), так и отрицательным, сообразно силе ветра. Иногда лопасти делают поворотными и ставят на них флюгерки, автоматически держащие «альфу», но такие конструкции часто ломаются.

Центральное тело (голубое на рис.) позволяет довести КИЭВ почти до 50%. В трехлопастном ортогонале оно должно в разрезе иметь форму треугольника со слегка выпуклыми сторонами и скругленными углами, а при большем количестве лопастей достаточно простого цилиндра. Но теория для ортогонала оптимальное количество лопастей дает однозначно: их должно быть ровно 3.

Ортогонал относится к быстроходным ветрякам с ОСС, т.е. обязательно требует раскрутки при вводе в эксплуатацию и после штиля. По ортогональной схеме выпускаются серийные необслуживаемые ВСУ мощностью до 20 кВт.

Геликоид

Геликоидный ротор, или ротор Горлова (поз. 4) – разновидность ортогонала, обеспечивающая равномерное вращение; ортогонал с прямыми крыльями «рвет» лишь немного слабее двухлопастного ВС. Изгиб лопастей по геликоиде позволяет избежать потерь КИЭВ из-за их кривизны. Хотя часть потока кривая лопасть и отбрасывает, не используя, но зато и загребает часть в зону наибольшей линейной скорости, компенсируя потери. Геликоиды используют реже прочих ветряков, т.к. они вследствие сложности изготовления оказываются дороже равных по качеству собратьев.

Бочка-загребушка

На 5 поз. – ротор типа ВС, окруженный направляющим аппаратом; его схема представлена на рис. справа. В промышленном исполнении встречается редко, т.к. дорогостоящий отвод земли не компенсирует прироста мощности, а материалоемкость и сложность производства велики. Но самодельщик, боящийся работы – уже не мастер, а потребитель, и, если нужно не более 0,5-1,5 кВт, то для него «бочка-загребушка» лакомый кусок:

Вертикальный ротор с направляющим аппаратом

• Ротор такого типа абсолютно безопасен, бесшумен, не создает вибраций и может быть установлен где угодно, хоть на детской площадке.
• Согнуть «корыта» из оцинковки и сварить каркас из труб – работа ерундовая.
• Вращение – абсолютно равномерное, детали механики можно взять самые дешевые или из хлама.
• Не боится ураганов – слишком сильный ветер не может протолкнуться в «бочку»; вокруг нее возникает обтекаемый вихревой кокон (мы с этим эффектом еще столкнемся).
• А самое главное – поскольку поверхность «загребушки» в несколько раз больше таковой ротора внутри, КИЭВ может быть и сверхединичным, а вращательным момент уже при 3 м/с у «бочки» трехметрового диаметра такой, что генератору на 1 кВт с предельной нагрузкой, как говорится, лучше и не дергаться.

Видео: ветрогенератор Ленца

Как изготовить ветрогенератор с вертикальной осью вращения своими руками

Составные элементы:

• Осевая мачта — это несущая конструкция в форме пирамиды, треноги или шеста высотой около пяти метров. На ней закрепляют лопасти и генератор.
• Лопасти улавливают потоки ветра.
• Статор вмещает в себя фазы из катушек.
• Ротор — это подвижная часть ветряка.
• Контроллер включает замедление ветрогенератора, когда тот развивает мощность, выше его базовых метрик.
• Инвертор дает переменный ток.
• Аккумулятор накапливает сгенерированную энергию.

Подготовка элементов

Чтобы сделать лопасти для вертикального ветрогенератора, понадобится качественный пластик и/или жесть. Например, лопастную конструкцию можно сделать из пластиковых труб, Тогда к каждой стороне трубы крепятся полукруглые жестяные фрагменты. Высота и радиус вращения должны достигать 70 см. Или же можно изготовить лопастную конструкцию из запчастей.

Для ротора нужны 2 ферритовых диска диаметром 32 см, 6 неодимовых магнитов и клей. Роторная система состоит из двух дисков. Схема каждого диска следующая: нужно так расположить магниты, чтобы их полярность чередовалась, угол между ними составлял 60 градусов, а диаметр размещения равнялся 16,5 см. После правильного размещения магниты заливаются клеем.

Для статора нужно сделать девять катушек с 60 витками медной проволоки диаметром 0,1 см. Чтобы сделать три фазы, катушки необходимо спаять между собой в следующем порядке:

1. Для первой фазы начало 1-ой катушки соединяем с концом 4-ой, а начало 4-ой с концом 7-ой;
2. Для второй фазы делаем то же самое, но начинаем со 2-ой катушки;
3. Для изготовления третьей фазы начинаем с 3-ей катушки.

Форму для катушек делают из фанеры и выкладывают стекловолокном. После размещения фаз их нужно залить клеем и оставить сохнуть на несколько дней.

Монтаж конструкции

Когда с изготовлением составных элементов покончено, можно приступать к их соединению между собой. Сначала нужно соединить ротор и статор:

• В верхнем диске ротора сделайте отверстия для четырех шпилек.
• В статоре сделайте отверстия для крепления к подставке.
• Положите нижний диск ротора на подставку магнитами вверх.
• На нижнем роторе разместите статор и уприте шпильки в алюминиевую пластину.
• Накройте конструкцию вторым роторным диском (магниты расположены внизу).
• При помощи вращения шпилек добейтесь равномерного сближения верхнего и нижнего роторных дисков, после этого шпильки и пластину аккуратно убирают.
• Зафиксируйте генератор гайками.

Готовый генератор прикрутите к осевой мачте. После этого к генератору можно прикреплять лопастную конструкцию. Теперь ваш ветряк готов к установке! Для установки ветряка подготовьте армированный фундамент и зафиксируйте конструкцию растяжкой.

В последнюю очередь подключается электросеть в следующем порядке: энергия от генератора попадает на контроллер, затем собирается на аккумуляторе, а потом преобразуется в переменный ток при помощи инвертора.

Ветрогенераторы своими руками на 220 в

Для того, чтобы собрать ветроуловитель нам понадобятся: генератор на 12 вольт, аккумуляторные батареи, преобразователь с 12 v на 220 в, вольтметр, медные провода, крепежи (хомуты, болты, гайки).

Чтобы ветрогенератор получился практичным и качественным, перед его изготовлением лучше дополнительно ознакомиться с подробной инструкцией

Изготовление любого ветряка предполагает наличие таких этапов как:

1. Изготовление лопастей. Лопасти вертикального ветрогенератора можно сделать из бочки. Нарезать детали можно при помощи болгарки. Винт для небольшого ветряка можно изготовить из трубы ПВХ с сечением в 160 мм.
2. Изготовление мачты. Мачта должна быть высотой не менее 6 метров. При этом, для того, чтобы крутящее усилие не сорвало мачту, ее необходимо закрепить ее на 4 растяжки. Каждую растяжку, при этом, нужно намотать на бревно, которое следует закопать глубоко в землю.
3. Установка неодимовых магнитов. Магниты наклеиваются на диск ротора. Лучше выбирать прямоугольные магниты, магнитные поля в которых сосредотачиваются по всей поверхности.
4. Намотка катушек генератора. Намотка выполняется медной нитью с диаметром не менее двух мм. При этом, мотков должно быть не более 1200.
5. Фиксация лопастей к трубе при помощи гаек.

При наличии мощных аккумуляторных батарей и инвертора, полученное устройство сможет выработать такое количество электричества, которого будет достаточно для использования бытовой техники (например, холодильника и телевизора). Отлично подойдет такой генератор для поддержания работы систем освещения, отопления и вентиляции небольшого дачного домика, теплицы.

Сборка аксиальной ВЭУ на неодимовых магнитах

Поскольку неодимовые магниты в России появились относительно недавно, то и аксиальные ветрогенераторы с безжелезными статорами стали делать не так давно.

Появление магнитов вызвало ажиотажный спрос, но постепенно рынок насытился, и стоимость этого товара стала снижаться. Он стал доступен для умельцев, которые тут же приспособили его для своих разнообразных нужд.

Аксиальная ВЭУ на неодимовых магнитах с горизонтальной осью вращения – более сложная конструкция, требующая не только умения, но и определенных знаний

Если у вас имеется ступица от старого авто с тормозными дисками, то её и возьмем в качестве основы будущего аксиального генератора.

Предполагается, что эта деталь не новая, а уже эксплуатировавшаяся. В этом случае её необходимо разобрать, проверить и смазать подшипники, тщательно вычистить прочь осадочные наслоения и всю ржавчину. Готовый генератор не забудьте покрасить.

Ступица с тормозными дисками, как правило, достаётся умельцам в качестве одного из узлов старого автомобиля, отправившегося в утиль, поэтому нуждается в тщательной чистке

Распределение и закрепление магнитов

Неодимовые магниты должны быть наклеены на диски ротора. Для нашей работы возьмем 20 магнитов 25х8мм.

Конечно, можно использовать и другое количество полюсов, но при этом необходимо соблюдать следующие правила: количество магнитов и полюсов в однофазном генераторе должно совпадать, но, если речь идёт о трехфазной модели, то соотношение полюсов к катушкам должно составлять 2/3 или 4/3.

При размещении магнитов полюса чередуются. Важно не ошибиться. Если вы не уверены, что расположите элементы правильно, сделайте шаблон-подсказку или нанесите сектора прямо на сам диск.

Если у вас есть выбор, купите лучше не круглые, а прямоугольные магниты. В прямоугольных моделях магнитное поле сосредоточено по всей длине, а в круглых – в центре.

У противостоящих магнитов должны быть разные полюса. Вы ничего не перепутаете, если с помощью маркера пометите их знаками минус или плюс. Чтобы определить полюса, возьмите магниты и поднесите их друг к другу.

Если поверхности притягиваются, поставьте на них плюс, если отталкиваются, то пометьте их минусами. При размещении магнитов на дисках чередуйте полюса.

Магниты установлены с соблюдением правила чередования полисов, по наружному и внутреннему периметрам расположены бортики из пластилина: изделие готово к заливке эпоксидной смолой

Для надежности закрепления магнита нужно применять качественный и максимально сильный клей.

Чтобы усилить надежность фиксации, можно воспользоваться эпоксидной смолой. Её следует развести так, как это указано в инструкции, и залить ею диск. Смола должна покрыть диск целиком, но не стекать с него. Предотвратить вероятность стекания можно, если обмотать диск скотчем или сделать по его периметру временные пластилиновые ограждения из полимерной полосы.

Генераторы однофазного и трехфазного вида

Если сравнивать однофазный и трехфазный статоры, то последний окажется лучше. Однофазный генератор при нагрузке вибрирует. Причиной вибрации становится разница в амплитуде тока, возникающая из-за непостоянной его отдачи за момент времени.

Такого недостатка у трехфазной модели нет. Она отличается постоянной мощностью из-за компенсирующих друг друга фаз: когда в одной происходит нарастание тока, в другой он падает.

По итогам тестирования отдача трехфазной модели почти на 50% больше, чем аналогичный показатель однофазной. Ещё одним достоинством этой модели является то, что в отсутствии лишней вибрации повышается акустический комфорт при функционировании устройства под нагрузкой.

То есть, трехфазный генератор практически не гудит в процессе его эксплуатации. Когда вибрация снижается, срок службы устройства логично повышается.

В борьбе между трехфазными и однофазными устройствами неизменно побеждает трехфазное, потому что оно не так сильно гудит в процессе работы и служит дольше однофазного

Правила наматывания катушки

Если спросить специалиста, то он скажет, что перед тем, как наматывать катушки, нужно выполнить тщательный расчет. Практик в этом вопросе положится на свою интуицию.

Мы выбрали не слишком скоростной вариант генератор. У нас процедура зарядки двенадцативольтового аккумулятора должна начаться при 100-150 оборотах за минуту. Такие исходные данные требуют, чтобы общее количество витков всех катушек составило 1000-1200 штук. Эту цифру нам осталось поделить между всеми катушками и определить, сколько же витков будет на каждой.

Ветряк на низких оборотах может быть мощнее, если увеличится количество полюсов. Частота колебаний тока в катушках при этом увеличится. Если для намотки катушек применять провод большего сечения, сопротивление уменьшится, а сила тока увеличится. Не упустите из виду тот факт, что большее напряжение может «съедать» ток из-за сопротивления обмотки.

Процесс намотки можно облегчить и сделать эффективнее, если использовать для этой цели специальный станочек.

Совсем необязательно такой рутинный процесс как наматывание катушек делать вручную. Немного смекалки и отличный станочек, который легко справляется с намоткой, уже есть

На рабочие характеристики самодельных генераторов большое влияние оказывают толщина и количество магнитов, которые расположены на дисках. Совокупную итоговую мощность можно рассчитать, если намотать одну катушку, а затем прокрутить её в генераторе. Будущая мощность генератора определяется путем измерения напряжения на конкретных оборотах без нагрузки.

Приведем пример. При сопротивлении 3 Ом и 200 оборотах в минуту выходит 30 вольт. Если отнять от этого результата 12 вольт напряжения аккумулятора, получится 18 вольт. Делим этот результат на 3 Ом и получаем 6 ампер. Объём в 6 ампер и отправится на аккумулятор. Конечно, в расчете мы не учли потери в проводах и на диодном мосту: фактический результат окажется меньше расчетного.

Обычно катушки делают круглыми. Но, если их немного вытянуть, то получится больше меди в секторе и витки окажутся прямее. Если сравнивать размер магнита и диаметр внутреннего отверстия катушек, то они должны соответствовать друг другу или размер магнита может быть немного меньше.

Толщина статора, который мы делаем, должна правильно соотноситься с толщиной магнитов. Если статор сделать больше за счет увеличения количества витков в катушках, междисковое пространство возрастет, а магнитопоток уменьшится. Результат же может оказаться таким: образуется такое же напряжение, но, из-за увеличившегося сопротивления катушек, мы получим меньший ток.

Для изготовления формы для статора применяют фанеру. Впрочем, сектора для катушек можно разметить на бумаге, используя в качестве бордюров пластилин.

Если поверх катушек на дно формы поместить стеклоткань, прочность изделия повысится. Перед нанесением эпоксидной смолы нужно форму смазать вазелином или воском, тогда смола не прилипнет к форме. Некоторые используют вместо смазки скотч или пленку.

Между собой катушки закрепляются неподвижно. При этом концы фаз выводятся наружу. Шесть выведенных наружу проводов следует соединить звездой или треугольником. Вращая собранный генератор рукой, производят его тестирование. Если напряжение будет 40 V, то сила тока составит примерно 10 ампер.

Окончательная сборка устройства

Длина готовой мачты должна составлять примерно 6-12 метров. При таких параметрах её основание должно быть забетонированным. Сам ветряк будет закреплен на верхней части мачты.

Чтобы до него можно было добраться в случае поломки, нужно предусмотреть в основании мачты специальное крепление, которое позволит поднимать и опускать трубу, используя при этом ручную лебедку.

Высоко вздымается мачта с прикрепленным к ней ветрогенератором, но предусмотрительный мастер сделал специальное устройство, которое позволяет при необходимости опустить конструкцию на землю

Чтобы изготовить винт, можно использовать трубу ПВХ диаметром 160 мм. Она будет использоваться для вырезания из её поверхности двухметрового винта, состоящего из шести лопастей. Форму лопастей лучше разработать самостоятельно опытным путем. Цель – усилить крутящий момент при низких оборотах.

Винт-пропеллер следует беречь от слишком сильного ветра. Для решения этой задачи используют складной хвост. Выработанная энергия накапливается в аккумуляторах.

Вниманию наших читателей мы предоставили два варианта ветрогенераторов, сделанных своими руками на 220 в, которые пользуются повышенным вниманием не только владельцев загородной недвижимости, но и простых дачников.

Обе модели ВЭУ эффективны по-своему. Особенно хорошие результаты эти устройства способны продемонстрировать в степной местности с частыми и сильными ветрами. Они достаточно эффективны, чтобы использоваться в организации альтернативного отопления дома и в поставке электроэнергии. И их не так уж сложно соорудить своими руками.

Место установки ветрогенератора

Ветрогенератор, описываемый здесь, установлен на 4-х метровой опоре на краю горы. Трубный фланец, который установлен снизу генератора обеспечивает легкую и быструю установку ветрогенератора — достаточно прикрутить 4 болта. Хотя для надежности, лучше приварить.

Обычно, горизонтальные ветрогенераторы «любят» когда ветер дует с одного направления, в отличии от вертикальных ветряков, где за счет флюгера, они могут поворачиваться и им не важно направление ветра. Т.к. данный ветряк установлен на берегу скалы, то ветер там создает турбулентные потоки с разных направлений, что не очень эффективно для данной конструкции.

Другим фактором, который необходимо учитывать при подборе места размещения, является сила ветра. Архив данных по силе ветра для вашей местности можно найти в интернете, правда это будет очень приблизительно, т.к. все зависит от конкретного места.
Также, в выборе месторасположения установки ветрогенератора поможет анемометр (прибор для измерения силы ветра).

Результат работы ветряка: расчет эффективности

Тестовые испытания ветрогенератора при разной скорости ветра показали следующие результаты:

• при скорости ветра 5 м/с получаем 60 об/мин — 7 В и 2,3 А = 16 Вт;
• при скорости ветра 10,6 м/с получаем около 120 об/мин — 13 В и 3,4 А = 44 Вт;
• при скорости 15,3 м/с примерно 180 об/мин — 15 В и 5,1 А = 76,5 Вт;
• при скорости ветра 18 м/с получаем 240 об/мин — 18 В и 9 А = 162 Вт.

В основном ветряк выдает 16–45 Вт, так как ветер более 15 м/с бывает редко. Однако, если поставить скоростной винт, тогда можно получить более высокие результаты.

Ветряные генераторы для домашнего использования

Солнечное электромагнитное излучение неравномерно нагревает нашу атмосферу. Этот процесс в сочетании с вращением Земли, разной скоростью нагрева земли и воды и неровностями поверхности Земли создает неравномерное распределение давления воздуха, которое, в свою очередь, способствует воздушным потокам. Обратите внимание, что любой движущийся объект имеет кинетическую энергию, которая пропорциональна массе объекта и квадрату его скорости: E = mv 2 /2 .Энергия ветра возникает из-за движущихся молекул воздуха. Таким образом, когда образуется воздушный поток, часть солнечного излучения (примерно 1-2% от того, что достигло Земли) преобразуется в энергию движущегося воздуха. Вот почему ветровую энергию часто называют преобразованной формой солнечной энергии. Он используется уже несколько тысячелетий и является одним из пяти основных альтернативных источников энергии. Первоначально люди использовали ветер для привода парусных кораблей. Позже его начали использовать в шлифовальных или фрезерных турбинах.Более века он также использовался для выработки электроэнергии. Электроэнергия, питаемая движущимся воздухом, обычно обозначается как энергия ветра , а устройство, которое преобразует движение воздуха в электричество, называется ветрогенератором . Неудивительно, что такие машины бывают разных размеров. Например, ротор в зарядных устройствах парусной лодки может быть всего несколько футов в диаметре. В системах бытового назначения роторы имеют диаметр в сотни футов. Аналогичным образом, в зависимости от размера, пиковая выходная мощность может варьироваться от нескольких ватт до мегаватт.Для справки: самая большая в мире турбина с ротором длиной 417 футов и мощностью 7,5 МВт. КАК РАБОТАЮТ ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ Короче говоря, ветрогенератор работает как реверсивный вентилятор. Его основными компонентами являются ротор, генератор переменного тока, структурная опора и управляющая электроника. Узел ротора включает в себя лопасти аэродинамической формы для передачи кинетической энергии воздуха во вращение вала. Большинство современных ветряных турбин имеют от двух до пяти лопастей. Ротор соединен с главным валом генератора.Генератор, в свою очередь, преобразует механическую энергию вращающегося вала в электричество. Он содержит один или несколько постоянных магнитов или электромагнитов, которые вращаются относительно неподвижных катушек проволоки. В небольших ветроэнергетических системах, таких как самодельные конструкции, обычно используются постоянные магниты. Когда воздух попадает на лопасти, они вращают вал с магнитами, что создает переменное магнитное поле в неподвижных катушках. Это поле индуцирует напряжение в катушках согласно закону Фарадея (для получения дополнительной информации о том, как это работает, см. Работу генераторов).В зависимости от конструкции ротор генератора переменного тока может работать либо с переменной скоростью, которая меняется в зависимости от ветра, либо с относительно постоянной скоростью. Уровень напряжения, создаваемого генератором переменного тока, определяется количеством витков в его катушках, силой магнитного поля и скоростью вращения. В небольших ветрогенераторах для домашнего использования лопасти обычно приводят в движение ротор напрямую. Более крупные системы могут иметь коробку передач, которая преобразует входящее вращение ротора с низким крутящим моментом с высоким крутящим моментом в высокоскоростное вращение с низким крутящим моментом генератора переменного тока. Генератор в небольших системах обычно вырабатывает 3-фазный переменный ток на выходе с переменной амплитудой и частотой. Чтобы его можно было использовать, его сначала нужно исправить. Выпрямленное напряжение постоянного тока можно использовать непосредственно для зарядки аккумулятора. Если его уровень достаточно высок, он также может питать нагрузки, которые могут работать от постоянного тока, такие как лампочки и обогреватели. Однако для питания обычных бытовых приборов или всего дома постоянное напряжение необходимо преобразовать в регулируемый переменный ток с фиксированной частотой. Небольшие бытовые системы обычно продаются с выпрямителем и контроллером заряда.Инвертор постоянного и переменного тока и аккумулятор могут быть дополнительными. Количество энергии ветра пропорционально кубу скорости воздуха. Например, когда эта скорость увеличивается вдвое, доступная мощность увеличивается в 8 раз. Поскольку скорость воздуха увеличивается с высотой, турбины обычно устанавливаются на высоких башнях для захвата максимального количества воздушного потока. Как правило, чем выше башня, тем больше электроэнергии может вырабатывать система. Тем не менее, можно уловить лишь небольшую часть энергии воздуха.Типичный КПД лопастей 25-45%, генераторов 65-80%. В результате средний общий КПД домашней ветряной турбины составляет около 20%. Доступные годовые ресурсы ветра, конечно, зависят от местоположения. В разных географических районах разная средняя скорость воздуха и плотность мощности. Для получения дополнительной информации см. Наш калькулятор выходной мощности ветряной системы. СПРАВОЧНИКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Анимация: Как работает ветряная турбина

Вы здесь

Сила ветра

Ветровые турбины используют ветер — чистый, бесплатный и широко доступный возобновляемый источник энергии — для выработки электроэнергии.

Анимация ниже является интерактивной. Вы можете запускать и останавливать движение турбины, наводить указатель мыши на части, чтобы увидеть их описание, и использовать значки в правом нижнем углу анимации для переключения видов.

Ветряная турбина превращает энергию ветра в электричество, используя аэродинамическую силу от лопастей ротора, которые работают как крыло самолета или лопасти винта вертолета.Когда ветер проходит через лезвие, давление воздуха с одной стороны лезвия уменьшается. Разница в давлении воздуха на двух сторонах лопасти создает подъемную силу и сопротивление. Сила подъемной силы сильнее сопротивления, и это заставляет ротор вращаться. Ротор подключается к генератору либо напрямую (если это турбина с прямым приводом), либо через вал и ряд шестерен (редуктор), которые ускоряют вращение и позволяют использовать генератор меньшего размера. Этот перевод аэродинамической силы во вращение генератора создает электричество.

Подпишитесь на информационный бюллетень WETO

Будьте в курсе последних новостей, событий и обновлений ветроэнергетики.

Технологии ветряных генераторов | IntechOpen

1.Введение

Энергия ветра играет решающую роль в создании экологически устойчивой низкоуглеродной экономики. В этой главе представлен обзор технологий ветряных генераторов и сравниваются их преимущества и недостатки, используемые для использования энергии ветра. Традиционно машины постоянного тока, синхронные машины и индукционные машины с короткозамкнутым ротором использовались для маломасштабной выработки электроэнергии. Для средних и больших ветряных турбин (WT) индукционный генератор с двойным питанием (DFIG) в настоящее время является доминирующей технологией, в то время как генераторы с постоянным магнитом (PM), импульсным сопротивлением (SR) и высокотемпературными сверхпроводящими (HTS) генераторами все активно исследуются и развивалась годами.В этой главе обсуждаются топологии и особенности этих машин с особым вниманием к их практическим соображениям, связанным с проектированием, управлением и эксплуатацией. Надеемся, что в этой главе представлены краткие справочные руководства по разработке систем генерации ветряных турбин.

2. Использование энергии ветра

Использование энергии ветра можно датировать 5000 г. до н. Э. когда парусные лодки переправлялись через реку Нил. Было зафиксировано, что с 200 г.C. и далее ветер использовался в качестве источника энергии для перекачки воды, измельчения зерна и управления транспортными средствами и кораблями в древнем Китае и на Ближнем Востоке. Первая задокументированная ветряная мельница была в книге « Пневматика », написанной героем Александрии примерно в первом веке до нашей эры. или I век н. э. [52]. Фактически, эти ветряные мельницы используются для преобразования кинетической энергии в механическую.

Использование энергии ветра для выработки электроэнергии впервые появилось в конце 19 ^-го века [35], но не получило широкого распространения из-за преобладания паровых турбин в производстве электроэнергии.Интерес к ветровой энергии возобновился в середине 1970-х годов после нефтяного кризиса и возросшей озабоченности по поводу сохранения ресурсов. Первоначально ветровая энергия начала набирать популярность в производстве электроэнергии для зарядки аккумуляторов [17] в удаленных энергосистемах, энергосистемах жилого масштаба, изолированных или островных энергосистемах и коммунальных сетях. Сами эти ветряные турбины, как правило, небольшие (мощностью менее 100 кВт), но могут быть преобразованы в большую ветряную электростанцию ​​(мощностью 5 МВт или около того). Так продолжалось до начала 1990-х годов, когда ветровые проекты действительно начали развиваться, в основном благодаря правительственным и промышленным инициативам.Это было также в 1990-х годах, когда в основных странах ветроэнергетики, особенно в Европе, акцент, казалось, сместился с береговых на морские.

Морские ветряные турбины были впервые предложены в Германии в 1930-х годах и впервые установлены в Швеции в 1991 году и в Дании в 1992 году. К июлю 2010 года в Европе было установлено 2,4 ГВт морских ветряных турбин. По сравнению с наземной ветровой энергией, морская ветровая энергия имеет некоторые привлекательные атрибуты, такие как более высокая скорость ветра, доступность более крупных площадок для разработки, более низкий сдвиг ветра и более низкая собственная интенсивность турбулентности.Но недостатки связаны с тяжелыми условиями работы, высокими затратами на установку и обслуживание. Для морских операций основные компоненты должны быть обработаны дополнительными антикоррозийными мерами и осушающей способностью [24]. Чтобы избежать внепланового технического обслуживания, они также должны быть оснащены функцией устранения неисправностей для повышения их надежности.

Рисунок 1.

Постоянно растущие размеры ветряных турбин с горизонтальной осью [36].

За последние три десятилетия ветряные турбины значительно эволюционировали, поскольку мировой рынок ветроэнергетики постоянно и быстро растет.К концу 2009 г. мировая мощность достигла 160 ГВт [7]. Прогнозируется, что на мировом рынке электроэнергии проникновение ветровой энергии вырастет с 1% в 2008 году до 8% в 2035 году [45]. Это достигается просто за счет разработки более крупных ветряных турбин и использования большего количества ветряных электростанций. По размерам большие ветряки порядка МВт начали появляться в ЕС, США, а теперь и в Китае и Индии. Как правило, мощность крупных ветряных турбин, установленных в электрических сетях, составляет от 1,5 до 5 МВт, а мощность от 7,5 до 10 МВт находится в стадии интенсивной разработки, как показано на рис.1. В настоящее время современные ветряные турбины надежны, бесшумны, рентабельны и коммерчески конкурентоспособны, в то время как технологии ветряных турбин проверены и отработаны. В настоящее время технические проблемы обычно связаны с постоянно растущими размерами ветряных турбин, передачей энергии, накоплением энергии, энергоэффективностью, стабильностью системы и отказоустойчивостью.

Рисунок 2.

Мировой энергетический потенциал наземных ветряных турбин (расчетная выработка энергии в кВтч / кВт от ветряной турбины, рассчитанной на скорость 11 м / с) [36].

В настоящее время ветроэнергетика широко признана основным реальным источником возобновляемой энергии, который можно экономно использовать в больших количествах. Мировая карта потенциала ветровой энергии проиллюстрирована на рис. 2. Если взять, например, Соединенное Королевство, используемой морской ветровой энергии достаточно, чтобы обеспечить в три раза больше, чем требуется в стране, потребление электроэнергии при достаточной поддержке. Однако ветроэнергетика колеблется по своей природе, и такие приложения требуют высокой надежности и доступности, в то время как рынок все еще стремится снизить вес, сложность и эксплуатационные расходы.

3. Ветряные турбины

Очевидно, что ветроэнергетика занимает важное место в правительственной и институциональной повестке дня. Однако на пути ее широкого распространения есть некоторые камни преткновения.

Ветряные турбины имеют разную топологию, архитектуру и конструктивные особенности. Схема системы генерации ветряных турбин представлена ​​на рис. 3. Некоторые варианты топологий ветряных турбин следующие [35],

• Ориентация оси ротора: горизонтальная или вертикальная;

• Положение ротора: по ветру или по ветру башни;

• Скорость вращения ротора: постоянная или переменная;

• Ступица: жесткая, качающаяся, откидная или откидная;

• Жесткость: неподвижная или гибкая;

• Количество лопастей: одно, два, три или даже больше;

• Управление мощностью: сваливание, тангаж, рыскание или аэродинамические поверхности;

• Контроль рыскания: активный или свободный.

В этой главе основное внимание уделяется только ветряным турбинам с горизонтальной осью (HAWT), которые являются преобладающим типом топологии ветряных турбин, что подтверждается рис. 4.

Рис. 3.

Схема системы выработки ветряных турбин [50].

Ветровые турбины включают критически важные механические компоненты, такие как лопасти и роторы турбины, привод и генераторы. Они стоят более 30% от общих капитальных затрат на морской ветроэнергетический проект [24]. В общем, ветряные турбины предназначены для использования в относительно труднодоступных местах, что накладывает некоторые ограничения на конструкцию несколькими способами.В случае оффшорной среды сайт может быть реально доступен для обслуживания один раз в год. В результате отказоустойчивость ветряной турбины имеет большое значение для развития ветряной электростанции.

Рисунок 4.

Общепринятый тип ветряной турбины и его разновидности [24].

Одним из ключевых компонентов ветряной турбины является ее трансмиссия, которая связывает аэродинамический ротор и электрические выходные клеммы. Оптимизация ветряных генераторов не может быть реализована без учета механических, конструктивных, гидравлических и магнитных характеристик трансмиссии.Обзор технологий трансмиссии показан на рис. 5 для сравнения. Как правило, их можно разделить на четыре типа в соответствии с их структурой [24]:

• Обычные: редуктор и высокоскоростной генератор с несколькими парами полюсов.

• Прямой привод: любая трансмиссия без коробки передач и тихоходный генератор с большим количеством пар полюсов.

• Гибрид: любая трансмиссия с коробкой передач и частотой вращения генератора между двумя вышеуказанными типами.

• Несколько генераторов: любая трансмиссия с несколькими генераторами.

Топология трансмиссии может вызвать такие проблемы, как интеграция ротора и коробки передач / подшипников, изоляция валов шестерни и генератора от механических изгибающих нагрузок, целостность и пути нагрузки. Хотя обслуживание отдельных компонентов ветровой турбины, таких как редукторы, подшипники и генераторы, может оказаться проще, промышленность все больше отдает предпочтение системной конструкции интегрированных компонентов трансмиссии.

4. Генераторы ветряных турбин

Одним из ограничивающих факторов в ветровых турбинах является технология их генераторов. Среди ученых и представителей промышленности нет единого мнения о лучших технологиях ветряных генераторов. Традиционно существует три основных типа ветряных генераторов (WTG), которые можно рассматривать для различных систем ветряных турбин: это синхронные генераторы постоянного тока (DC), переменного тока (AC) и асинхронные генераторы переменного тока. В принципе, каждый может работать с фиксированной или переменной скоростью.Из-за изменчивого характера энергии ветра выгодно использовать WTG с переменной скоростью, что снижает физическую нагрузку на лопатки турбины и привод, а также улучшает аэродинамическую эффективность системы и переходные характеристики крутящего момента.

(a) Технологии генерации постоянного тока

В обычных машинах постоянного тока поле находится на статоре, а якорь — на роторе. Статор состоит из нескольких полюсов, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо обмотками постоянного тока.Если машина находится в электрическом возбуждении, она обычно работает по принципу генератора постоянного тока с шунтирующей обмоткой.

Рисунок 5.

Технологии трансмиссии системного уровня [24].

Пример системы ветрогенератора постоянного тока показан на рис. 6. Он состоит из ветряной турбины, генератора постоянного тока, инвертора на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), контроллера, трансформатора и электросети. Для генераторов постоянного тока с шунтирующей обмоткой ток возбуждения (и, следовательно, магнитное поле) увеличивается с рабочей скоростью, в то время как фактическая скорость ветряной турбины определяется балансом между крутящим моментом привода WT и крутящим моментом нагрузки.Ротор включает в себя намотанные на якорь проводники, которые соединены с комментатором с разъемным контактным кольцом. Электроэнергия извлекается через щетки, соединяющие комментатор, который используется для преобразования генерируемой мощности переменного тока в выход постоянного тока. Очевидно, что они требуют регулярного обслуживания и относительно дороги из-за использования коммутаторов и щеток.

В общем, эти WTG постоянного тока необычны для ветряных турбин, за исключением ситуаций с низким потреблением энергии [47; 23; 33; 54], где нагрузка физически близка к ветряной турбине, в системах отопления или при зарядке аккумулятора.

Рисунок 6.

Схема системы генератора постоянного тока [33].

(b) Технологии синхронных генераторов переменного тока

С самого начала разработки ветряных турбин значительные усилия были предприняты для использования трехфазных синхронных машин. Синхронные WTG переменного тока могут принимать постоянное или постоянное возбуждение от постоянных магнитов или электромагнитов и поэтому называются синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и синхронными генераторами с электрическим возбуждением (EESG) соответственно.Когда ротор приводится в движение ветряной турбиной, трехфазная энергия генерируется в обмотках статора, которые подключены к сети через трансформаторы и преобразователи энергии. Для синхронных генераторов с фиксированной скоростью частота вращения ротора должна поддерживаться точно на уровне синхронной скорости. Иначе синхронизация будет потеряна.

Синхронные генераторы — это хорошо зарекомендовавшая себя машинная технология, поскольку их характеристики для выработки электроэнергии уже давно изучаются и широко применяются. Схема обычного синхронного генератора в разрезе показана на рис.7. Теоретически характеристиками реактивной мощности синхронных WTG можно легко управлять с помощью цепи возбуждения для электрического возбуждения. Тем не менее, при использовании синхронных генераторов с фиксированной скоростью случайные колебания скорости ветра и периодические возмущения, вызванные эффектами затенения башни и естественными резонансами компонентов, будут передаваться в электросеть. Кроме того, синхронные WTG имеют тенденцию к низкому демпфирующему эффекту, поэтому они не позволяют электрически поглощать переходные процессы трансмиссии.Как следствие, они требуют дополнительного демпфирующего элемента (например, гибкой муфты в трансмиссии) или узла коробки передач, установленного на пружинах и амортизаторах. Когда они интегрированы в электрическую сеть, синхронизация их частоты с частотой сети требует деликатной операции. Кроме того, они, как правило, более сложные, дорогостоящие и более подвержены отказу, чем индукционные генераторы. В случае использования электромагнитов в синхронных машинах управление напряжением происходит в синхронной машине, тогда как в машинах с возбуждением от постоянных магнитов управление напряжением достигается в цепи преобразователя.

Рисунок 7.

Разрез синхронного генератора [22].

В последние десятилетия генераторы PM постепенно используются в ветряных турбинах из-за их высокой плотности мощности и малой массы [39]. Часто эти машины называются синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и считаются предпочтительными машинами в небольших ветряных генераторах. Структура генератора относительно проста. Как показано на рис. 8. Прочные PM устанавливаются на ротор для создания постоянного магнитного поля, а генерируемое электричество отбирается от якоря (статора) с помощью коммутатора, контактных колец или щеток.Иногда PM могут быть встроены в цилиндрический литой алюминиевый ротор для снижения затрат [35]. Принцип работы генераторов PM аналогичен принципу работы синхронных генераторов, за исключением того, что генераторы PM могут работать асинхронно. Преимущества PMSG включают отсутствие коммутатора, контактных колец и щеток, что делает машины прочными, надежными и простыми. Использование PM устраняет обмотку возбуждения (и связанные с ней потери мощности), но делает невозможным управление полем, а стоимость PM может быть непомерно высокой для больших машин.

Поскольку фактическая скорость ветра переменная, PMSG не могут вырабатывать электроэнергию с фиксированной частотой. В результате они должны быть подключены к электросети путем преобразования переменного тока в постоянный ток преобразователями мощности. То есть генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в фиксированный постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Также очень привлекательно использовать эти машины с постоянными магнитами для прямого привода.Очевидно, что в этом случае они могут устранить неисправные редукторы, которые вызывают большинство отказов ветряных турбин. Машины должны иметь большое число полюсов и быть физически большими, чем редукторные машины аналогичного номинала.

Рисунок 8.

Разрез синхронного генератора с постоянными магнитами [18].

Потенциальным вариантом синхронных генераторов является высокотемпературный сверхпроводящий генератор [31; 27; 49; 55]. См. Рис. 9 для низкоскоростной синхронной системы генератора HTS мощностью несколько МВт.Машина содержит статор железо, медь статора обмотку, HTS полевых катушки, сердечник ротора, опорную конструкцию ротора, ротор систему охлаждения, криостат и внешний холодильник, электромагнитный экран и заслонку, подшипник, вал и корпус. В конструкции машины компоновка статора, ротора, охлаждения и редуктора может создавать особые проблемы для поддержания катушек HTS в условиях эксплуатации при низких температурах.

Рисунок 9.

Схема системы синхронного генератора HTS [11].

Сверхпроводящие катушки могут пропускать в 10 раз больше тока, чем обычные медные провода, с незначительным сопротивлением и потерями в проводнике. Без сомнения, использование сверхпроводников устранит все потери мощности в цепи возбуждения, а способность сверхпроводимости увеличивать плотность тока позволяет создавать сильные магнитные поля, что приводит к значительному уменьшению массы и размеров генераторов ветряных турбин. Таким образом, сверхпроводящие генераторы являются многообещающими в плане высокой мощности и снижения веса, возможно, лучше подходят для ветряных турбин мощностью 10 МВт или более.В 2005 году компания «Сименс» успешно запустила в производство первый в мире сверхпроводящий ветрогенератор, представляющий собой синхронный генератор мощностью 4 МВт. Тем не менее, существует множество технических проблем, с которыми приходится сталкиваться, особенно в отношении долговечных ветряных турбин, не требующих особого обслуживания. Например, всегда существует необходимость в обслуживании криогенных систем, чтобы время для охлаждения и восстановления работы после остановки было дополнительной проблемой.

(c) Асинхронные генераторы переменного тока

В то время как обычная электроэнергетика использует синхронные машины, современные ветроэнергетические системы широко используют индукционные машины в ветряных турбинах.Эти индукционные генераторы делятся на два типа: индукционные генераторы с фиксированной скоростью (FSIG) с роторами с короткозамкнутым ротором (иногда называемые индукционными генераторами с короткозамкнутым ротором — SQIG) [40; 1] и индукционные генераторы с двойным питанием (ДФИГ) с намотанными роторами [9; 29; 19; 32, 43; 13; 34]. Схемы в разрезе индукционного генератора с короткозамкнутым ротором и индукционного генератора с двойным питанием представлены на рисунках 10 и 11 соответственно, а их топология системы дополнительно проиллюстрирована на рисунке 12.

При питании от трехфазного переменного тока При подаче питания на статор через воздушный зазор создается вращающееся магнитное поле.Если ротор вращается со скоростью, отличной от синхронной, возникает проскальзывание, и в цепь ротора подается питание. В целом индукционные машины просты, надежны, недороги и хорошо разработаны. Они обладают высокой степенью демпфирования и способны поглощать колебания скорости ротора и переходные процессы трансмиссии (т. Е. Отказоустойчивые). Однако асинхронные машины потребляют реактивную мощность от сети, и поэтому требуется некоторая форма компенсации реактивной мощности, такая как использование конденсаторов или преобразователей мощности.В асинхронных генераторах с фиксированной частотой вращения статор подключается к сети через трансформатор, а ротор подключается к ветряной турбине через редуктор. Скорость ротора считается фиксированной (фактически, варьирующейся в узком диапазоне). Вплоть до 1998 года большинство производителей ветряных турбин производили индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения мощностью 1,5 МВт и ниже. Эти генераторы обычно работали со скоростью 1500 оборотов в минуту (об / мин) для сети 50 Гц [37] с трехступенчатой ​​коробкой передач.

Рисунок 10.

Разрез индукционного генератора с короткозамкнутым ротором [22].

Рисунок 11.

Разрез индукционного генератора с двойным питанием и вращающимся трансформатором [43].

SCIG могут использоваться в ветряных турбинах с регулируемой скоростью, а также в управлении синхронными машинами. Однако выходное напряжение нельзя контролировать, и реактивная мощность должна подаваться извне. Очевидно, что индукционные генераторы с фиксированной скоростью могут работать только в очень узком диапазоне дискретных скоростей.Другие недостатки машин связаны с размерами машины, шумом, низкой эффективностью и надежностью. Доказано, что эти машины вызывают серьезные сбои в обслуживании и последующее техническое обслуживание.

Рис. 12.

Схема двух систем индукционных генераторов.

SCIG лидировали на рынке ветряных турбин до последнего тысячелетия [16; 26], уступив место широкому распространению DFIG. В настоящее время более 85% установленных ветряных турбин используют DFIG [41], а самая большая мощность промышленных ветряных турбин с DFIG увеличилась до 5 МВт в промышленности.В топологии DFIG статор напрямую подключен к сети через трансформаторы, а ротор подключается к сети через силовые преобразователи с ШИМ. Преобразователи могут управлять током в цепи ротора, частотой и сдвигом фазового угла. Такие индукционные генераторы могут работать в широком диапазоне скольжения (обычно ± 30% от синхронной скорости). В результате они предлагают множество преимуществ, таких как высокий выход энергии, снижение механических напряжений и колебаний мощности, а также возможность управления реактивной мощностью.

Для индукционных генераторов вся реактивная мощность, возбуждающая магнитные цепи, должна поступать от сети или местных конденсаторов. Индукционные генераторы подвержены нестабильности напряжения. Когда конденсаторы используются для компенсации коэффициента мощности, существует риск самовозбуждения. Кроме того, эффект демпфирования может привести к потерям мощности в роторе. Нет прямого контроля ни напряжения на клеммах (а значит, реактивной мощности), ни устойчивых токов короткого замыкания.

Как показано на рис.12 (b), ротор DFIG механически связан с ветряной турбиной через систему привода, которая может содержать высокоскоростные и низкоскоростные валы, подшипники и коробку передач. Ротор питается от двунаправленных преобразователей напряжения. Таким образом, скорость и крутящий момент DFIG можно регулировать, управляя преобразователем на стороне ротора (RSC). Другая особенность заключается в том, что DFIG могут работать как в подсинхронных, так и в суперсинхронных условиях. Статор всегда передает мощность в сеть, а ротор может передавать мощность в обоих направлениях.Последнее связано с тем, что преобразователи ШИМ способны подавать напряжение и ток с разными фазовыми углами. В подсинхронном режиме преобразователь на стороне ротора действует как инвертор, а преобразователь на стороне сети (GSC) — как выпрямитель. В этом случае активная мощность течет от сети к ротору. В суперсинхронном режиме RSC работает как выпрямитель, а GSC как инвертор. Следовательно, активная мощность течет от статора, а также от ротора к электросети.

Рисунок 13.

Пофазная эквивалентная схема DFIG.

Чтобы проанализировать характеристики DFIG, всегда необходимо использовать его пофазную эквивалентную схему, как показано на рисунке 13. Из этого рисунка можно увидеть, что DFIG отличается от обычной индукционной машины в цепи ротора, где Источник напряжения добавлен для подачи напряжения в цепь ротора. Фактическое управление DFIG d — q аналогично регулированию величины и фазы подаваемого напряжения в цепи.

Матричная форма уравнения для этой схемы:

[VsVr / s] = [Rs + j (Xs + Xm) −jXm − jXmRr / s + j (Xr + Xm)] [IsIr] E1

Входная мощность P _в можно суммировать из выходной мощности P _из и общей потери P _потерь . Последние включают потери в проводнике статора P _cu1 , потери в проводнике ротора P _cu2 , потери в сердечнике P _{сердечника} , потери на ветер и трение P _wf и потеря паразитной нагрузки P _{паразитная} .Среди этих потерь предполагается, что P _cu1 зависит от квадрата тока статора I _s , а P _cu2 изменяется в зависимости от квадрата тока ротора I _р . Потери паразитной нагрузки можно разделить на две части: основной компонент P _fun , возникающий на стороне статора, и P _har на стороне ротора.Таким образом, P _{удовольствие} пропорционально I _s ² , а P _har пропорционально I _r ² .

Суммарные потери тогда определяются как

Ploss = 3Is2 (Rs + Rfun) + 3Ir2 (Rr ‘+ Rhar) + Pcore + PwfE2

Эффективность DFIG составляет

η = PoutPin = 3Voutcosφr6Is (Rs + Rfun + Rr’ + Rhar) + 3VoutcosφrE3

КПД можно выразить как функцию тока нагрузки I _s , и эта функция является непрерывной и монотонной.Следовательно, максимальный КПД может быть найден, когда

То есть условием максимальной эффективности для DFIG является

Индукционный генератор в ветроэнергетических системах

1. Введение

Основным компонентом современной ветроэнергетической системы с индукционным генератором является гондола турбины, в которой обычно размещаются механизмы, генератор, силовая электроника и шкаф управления. Механизмы, включая системы рыскания, вал, коробку передач и т.д., обеспечивают необходимую механическую поддержку различного динамического поведения турбины.Генератор предназначен для преобразования механической энергии, которая улавливается ротором турбины, в электрическую энергию. Затем генерируемую электрическую энергию необходимо регулировать и настраивать для подключения к электросети для использования. В этом разделе сначала вводятся компоновка и классификация ветроэнергетической системы, за которой следует описание возможного интерфейса силового электронного преобразователя между генераторами и нагрузками. Наконец, схема управления кратко рассматривается и подробно обсуждается в разделе 2.

1.1. Обзор ветроэнергетических систем

На рисунке 1 показан общий вид гондолы ветряной турбины. Генератор либо приводится в движение (в режиме генерации), либо приводит в движение (в режиме двигателя) лопатки турбины через вал. Коробку передач можно использовать для облегчения разницы скоростей между турбиной и генератором. Механизмы остановки и наклона лопастей также задействованы для ограничения мощности, а также отклонения и наклона плоскости турбины. Таким образом можно управлять эффективным поперечным сечением крыла лопасти и, следовательно, взаимодействием с давлением ветра.Коэффициенты эффективности, реагирующие на различный угол рыскания и угол тангажа, значительно варьируются [1-3]. Кроме того, как наиболее динамически эффективный вариант, три лопасти, соединенные через ступицу с фланцами, являются обычно используемой топологией в передней части гондолы. Фланцы предназначены для регулировки угла наклона. В большинстве ветряных систем с регулируемой скоростью работа с высоким КПД всегда зависит от информации о скорости ветра. В результате анемометр можно использовать как одно из решений.Основная функция башни — подняться на более высокую позицию, чтобы получить больший воздушный поток и скорость ветра. Башня может быть как мягкой, так и жесткой. У жесткой башни собственная частота выше частоты прохождения лопасти. Мягкие башни легче и дешевле, но должны выдерживать большее количество движений и, следовательно, испытывать более высокие нагрузки [2].

Рис. 1.

Гондола ветроэнергетической системы [8]

Существует ряд классификаций, которые группируют ветроэнергетические системы по различным категориям.В соответствии с нагрузками, интегрированная энергосистема и изолированная система используются для питания энергосистемы и изолированной нагрузки соответственно. В зависимости от используемых генераторов, популярными вариантами являются ветровая система SCIG, ветровая система DFIG и ветровая система с синхронным генератором на постоянных магнитах (PMSG). В литературе также упоминаются другие альтернативные генераторные системы, такие как бесщеточная система DFIG (BDFIG) [5,6], система синхронного генератора с прямым приводом (DDSG) [7,9], система импульсного генератора реактивного сопротивления (SRG) [10] , многоступенчатая зубчатая система SCIG [10] и системы генерации радиальных / осевых / поперечных магнитных импульсов [7,12-14].Эти решения обычно требуют относительно сложного принципа работы и сборки оборудования. В соответствии с наличием коробки передач, есть многоступенчатая ветровая система с редуктором, одноступенчатая ветровая система с редуктором и ветровая система с прямым приводом (без редуктора), в которых синхронный генератор (SG) квалифицирует систему как более простую. и более надежная трансмиссия. Однако более низкая скорость генератора и, следовательно, больший крутящий момент требуют большего количества полюсов, большего диаметра и объема, а следовательно, более высокой стоимости.

Наиболее многообещающими классификациями ветровых систем с индукционным генератором являются ветровые системы с фиксированной скоростью, с ограничением с переменной скоростью и с переменной скоростью, в зависимости от операций скорости индукционного генератора. Сравнения между этими ветроэнергетическими системами проводились интенсивно на основе различных уровней изменения скорости [12,15-19]. Сводка их преимуществ и недостатков представлена ​​в таблице 1. Концепция фиксированной скорости успешно применялась в ветровых системах SCIG. В трансмиссии используется многоступенчатая коробка передач, а SCIG напрямую подключается к сети через трансформатор.Для поддержки сети необходимы внешняя компенсация реактивной мощности и устройство плавного пуска [5,6]. Система с ограничением регулируемой скорости является улучшенной версией типа SCIG, но вместо этого в ней используется индукционный генератор с обмоткой ротора, который позволяет статору подключаться к сети, а ротор имеет переменное сопротивление, управляемое преобразователем мощности. За счет управления сопротивлением ротора изменяется скольжение генератора. Система переменной скорости — это концепция, обычно используемая в приложениях с большой номинальной мощностью (> 1.5 МВт). Различные комбинации DFIG, SCIG, частичных или полных преобразователей могут привести к созданию операционных систем с регулируемой скоростью. Система управления поддерживает оптимальную скорость генератора и, следовательно, оптимальную выходную мощность, контролируя токи и напряжения генератора. Благодаря высокой эффективности и способности преодолевать неисправности (FRT), этот тип ветроэнергетической системы сегодня доминирует на рынке мощной энергии.

	Преимущества	Недостатки
Система с фиксированной скоростью	a.Простая конструкция и надежность b. Низкая стоимость и обслуживание c. Простое управление	а. Неоптимальная работа, поэтому низкая эффективность b. Легкое колебание мощности, вызванное скоростью ветра и давлением башни c. Требуется внешняя компенсация реактивной мощности d. Слабые возможности FRT
Ограниченная скорость	a. Реализовано ограниченное изменение скорости b. Контактное кольцо может быть заменено оптической муфтой	a. Диапазон изменения скорости зависит от величины переменного сопротивления ротора (<10%) b.Управляемая мощность ротора должна рассеиваться за счет тепла в резисторе c. По-прежнему требуется компенсация реактивной мощности и не может поддерживать только сеть
Система с регулируемой скоростью	a. Большой диапазон изменения скорости b. Соответствующий контроль обеспечивает оптимальную работу для максимального извлечения мощности c. Никакая внешняя компенсация мощности не требуется и может поддерживать сеть d. Высокая способность FRT e. Подходит и обычно используется для крупных ветряных электростанций	a.Сравнительно сложная система управления б. Более высокие затраты на преобразователи и управление c. Может потребоваться многоступенчатый редуктор и контактное кольцо в системе DFIG d. Может потребоваться дорогостоящий PM материал и конструкция большого диаметра в прямом приводе

Таблица 1.

Сравнение различных ветроэнергетических систем

1.2. Топологии интерфейсов силовой электроники в ветроэнергетических системах

Силовая электроника является ключевым элементом, позволяющим регулировать и согласовывать мощность, напряжение и частоту с высокой эффективностью и гибкостью.Кроме того, более широкое вовлечение распределенных энергосистем в настоящее время подчеркивает решающую роль интерфейса силовой электроники при производстве, хранении и передаче энергии.

В связи с разработкой полупроводниковых переключателей и микропроцессоров за последние десятилетия было разработано множество методов силовой электроники [20,21]. Помимо диодных преобразователей, в ветроэнергетических установках применяются тиристорные преобразователи с линейной коммутацией и самокоммутируемые преобразователи IGBT / MOSFET.Преобразователи с линейной коммутацией обычно используются в приложениях с большой мощностью, но они не могут управлять реактивной мощностью. Самокоммутируемые преобразователи могут передавать и контролировать мощность в двух направлениях благодаря возможности управляемого выключения выключателя. В настоящее время ветроэнергетические системы, особенно ветроэнергетические системы с регулируемой скоростью, в основном полагаются на преобразователи, которые реализуют полный контроль мощности. В этой области успешно используются различные топологии и комбинации преобразователей, как показано на Рисунке 2.

Рис. 2.

Обычно используемые топологии преобразователей силовой электроники для ветроэнергетических систем ((a) диодный и линейно-коммутируемый преобразователь в сочетании с компенсацией реактивной мощности; (b) диодный и ШИМ-преобразователь VSI; (c) диодный и DC / Прерыватель постоянного тока и преобразователь PWM VSI; (d) встречный преобразователь PWM VSI; (e) матричный преобразователь)

Из-за использования диодного выпрямителя топология на рисунке 2 (a) неуправляема, а тиристорный инвертор используется для регулирования скорости генератора с помощью напряжения постоянного тока для получения команд угла зажигания.Очевидно, что эта схема проста в управлении и стоит дешевле самокоммутируемого преобразователя. Что еще более важно, он подходит для приложений с высокой номинальной мощностью. Однако недостатком является то, что требуется дополнительная компенсация реактивной мощности, которая содержит преобразователь источника напряжения (VSC). Напряжение сетки может регулироваться для получения эталонного тока для компенсатора и управляющий сигнал поступает из регулирования тока компенсатора [22,23]. Чтобы удалить компенсатор, вместо тиристорного инвертора можно использовать самокоммутируемый преобразователь, как показано на рисунке 2 (b).Опять же, регулирование напряжения в звене постоянного тока может обеспечить опорный ток, которым управляют для генерации управляющих сигналов для инвертора PWM [24]. Два самокоммутируемых преобразователя, подключенных через линию постоянного тока, как показано на Рисунке 2 (d), обеспечивают двунаправленный поток мощности, что является ключом к обеспечению высокой эффективности работы генератора в двигательном режиме. ВОК наносится на обеих сторонах преобразователей на основе дк отсчета [23,25]. Преобразователь на стороне сети поддерживает постоянное напряжение в звене постоянного тока, а преобразователь на стороне генератора отвечает за управление как активной, так и реактивной мощностью [23].При управлении преобразователем на стороне генератора ток оси d может быть установлен равным нулю для максимизации крутящего момента, в то время как ток оси q выводится из регулирования мощности [26,27]. Альтернативная топология рисунка 2 (d) показана на рисунке 2 (c), где самокоммутируемый преобразователь на стороне генератора заменен диодным выпрямителем, подключенным к промежуточному прерывателю [28]. Такая конфигурация невозможна для двунаправленного потока мощности, вызванного диодным выпрямителем. Но он может достигать такого же широкого диапазона изменения скорости, как два самокоммутирующихся преобразователя.Сетки на сторону преобразователь управляет напряжением звена постоянного тока для D -Axis текущего задания и управления реактивной мощности для ц -Axis текущей ссылки. Активное регулирование мощности и, таким образом, контроль скорости осуществляется для генерации опорного звена постоянного тока тока. Рабочий цикл переключателя прерывателя можно получить с помощью регулирования тока. Обсуждаемые конфигурации преобразователя фактически представляют собой многоступенчатую реализацию преобразования переменного тока. Промежуточный каскад постоянного тока необходим для содействия преобразованию и соответствующему управлению.В последние годы такая процедура была исследована с помощью одноступенчатого преобразователя, матричного преобразователя, который выполняет преобразование энергии без помощи громоздкого накопителя. Управляемые переключатели расположены таким образом, что любая входная фаза может быть подключена к любой выходной фазе в любое время. Матричный преобразователь может быть применен к системе DFIG, как топология на Рисунке 2 (e) [29,30]. В соответствии с потоком статора FOC, реактивная и активная мощность может регулироваться с помощью d — и q — тока оси соответственно [30].Альтернативная стратегия управления заключается в регулировании напряжения обмотки ротора для управления коэффициентом мощности (PF) и применении метода ШИМ с двойным пространственным вектором [29]. Стоит отметить, что система SCIG имеет высокие пусковые токи. Одним из эффективных способов ограничения пускового тока является использование устройства плавного пуска, в котором используются тиристоры для ограничения среднеквадратичного значения пускового тока ниже номинального. При достижении полной нагрузки стартер закорачивает. Пик крутящего момента также может быть уменьшен, что снижает давление в редукторе [9,10].

Высокоэффективное преобразование энергии и полный контроль мощности зависят исключительно от силового электронного преобразователя и применяемой схемы управления. Следовательно, широко распространенные общие топологии ветроэнергетических систем с учетом вышеупомянутой силовой электроники рассматриваются следующим образом. Поскольку основное внимание уделяется высокоэффективным системам с регулируемой скоростью, на рисунке 3 обобщены возможные топологии систем с регулируемой скоростью для систем индукционных генераторов, а также систем синхронных генераторов для систематизированных целей.Из-за низкого спроса на номинальную мощность преобразователя, составляющую примерно 30% от общей номинальной мощности, DFIG с частичным преобразователем, показанный на рисунке 3 (a), является широко распространенной топологией для ветроэнергетических систем. Кроме того, из-за наличия преобразователя на стороне ротора мощность ротора возвращается в сеть без рассеивания в резисторе. Вместо частичного преобразователя PMSG или SCIG можно подключить к преобразователю с полным номиналом, как показано на Рисунке 3 (b). Эта топология имеет лучшую возможность FRT сети, потому что сторона генератора полностью независима от стороны сети.Однако номинал преобразователя и потери высоки. На рисунке 3 (c) показана система прямого привода, предназначенная для удаления коробки передач и связанных с ней потерь [16]. Ротор генератора соединен с валом турбины напрямую и вращается с такой же очень низкой скоростью. Следовательно, для передачи такого же количества мощности требуются высокий крутящий момент и большой радиус машины. Меньшее количество компонентов обеспечивает меньшие потери и, следовательно, более надежную работу в системе этого типа. Чтобы найти компромисс между размером машины и скоростью прядения, применяется одноступенчатая коробка передач, показанная на рисунке 3 (d) [15].На рисунке 3 (e) показана система синхронного генератора с электрическим возбуждением (EESG), которая имеет преобразователь на стороне ротора для обеспечения возбуждения постоянного тока, в то время как статор подключен к полному преобразователю, как в случае на рисунке 3 (c). Хотя существует увеличение стоимости из-за дополнительной обмотки для возбуждения, а также требует большего обслуживания, EESG может минимизировать потери за счет управления потоком через преобразователь ротора [7,11,12].

Рисунок 3.

Часто используемые топологии ветроэнергетических систем ((a) DFIG с частичным / матричным преобразователем; (b) PMSG / SCIG с полным преобразователем; (c) прямой привод; (d) PMSG с полным преобразователем и без ступени коробка передач; (e) прямой привод EESG)

1.3. Схемы управления генератором в ветроэнергетических системах

SCIG и DFIG используются почти исключительно на этапе преобразования энергии ветроэнергетической системы с индукционным генератором. Наиболее часто используемые топологии системы — это SCIG, напрямую подключенный к электросети, и DFIG, запитанный через встречно-обратный преобразователь (Рисунок 3 (a) и Рисунок 3 (d)). Первая топология подразумевает постоянную частоту и напряжение SCIG, что обеспечивает работу с фиксированной скоростью. В такой системе SCIG полагается на сеть (или батарею конденсаторов) для обеспечения реактивной мощности, которая необходима для создания электромагнитного возбуждения для вращающегося поля.Генерирующий режим SCIG запускается крутящим моментом, который действует противоположно скорости генератора в рабочей области сверхсинхронной скорости. Из-за отсутствия интерфейса силовой электроники такая система может обслуживать только приложения поддержки сети, в которых может применяться только ограниченное управление (управление углом наклона).

Система DFIG, с другой стороны, обеспечивает гибкие и эффективные операции с FOC, подключенным к интерфейсу силовой электроники на стороне обмотки ротора.FOC — это мгновенное управление, которое эффективно управляет зависимыми от положения переменными, такими как крутящий момент и мощность, в ветроэнергетических системах с индукционным генератором. Выравнивая конкретную пространственную переменную с осью d , токи статора можно разделить на составляющую магнитного потока и составляющую момента во вращающейся раме dq . Таким образом, токи можно регулировать отдельно, как в приводе постоянного тока. Для аппаратной реализации управления обычно используется метод ШИМ на основе пространственно-векторной модуляции (SVM).СВМ основан на пространственном векторе опорного напряжения и связанные с коммутационными логиками. Любой пространственный вектор может состоять из векторной суммы двух соседних векторов напряжения, а рабочие циклы трехфазных напряжений вычисляются на основе времени задержки двух векторов напряжения. Этот метод широко используется в стандартных промышленных приложениях.

В следующем разделе подробно рассматриваются стратегии моделирования и управления обеих систем.

2. Модель и управление индукционным генератором в ветроэнергетических установках

2.1. Модель энергии ветра и ветряной турбины

Как типичная кинетическая энергия, энергия ветра извлекается через лопасти ветряной турбины и затем передается редуктором и ступицей ротора механической энергии в валу. Вал приводит в действие генератор для преобразования механической энергии в электрическую. Согласно закону Ньютона, кинетическая энергия ветра при определенной скорости ветра V _w описывается как:

, где m представляет собой массу ветра, а его мощность может быть записана как:

Pw = ∂ Ek∂t = 12∂m∂tVw2 = 12 (ρAVw) Vw2 = 12ρAVw3E2

, где ρ и A — плотность воздуха и площадь смещения ротора турбины соответственно.Таким образом, извлеченная механическая мощность может быть выражена как:

Pm = Cp (λ, β) Pw = Cp (λ, β) 12ρAVw3E3

, где P _m — механическая выходная мощность в ваттах, которая зависит от коэффициента полезного действия . C _p ( λ , β ), C _p зависит от передаточного отношения вершины λ и угла наклона лопасти β , и определяет, сколько кинетической энергии ветра может быть захвачено система ветряных турбин. Нелинейная модель описывает C _p ( λ , β ) как [3]:

Cp (λ, β) = c1 (c2 − c3β − c4β2 − c5) e − c6E4

где, c ₁ = 0.5, c ₂ = 116 / λ _i , c ₃ = 0,4, c ₄ = 0, c ₅ = 5, c ₆ = 21 / λ _i и

λi = 1λ + 0,08β − 0,035β3 + 1E5

В зависимости от значений λ и β максимальное значение C _p может быть достигнуто и поддержано посредством управления углом тангажа и скоростью генератора при определенной скорости ветра. Группа типичных кривых C _p — λ для различных β показана на рисунке 4, и всегда существует максимальное значение для C _p при одной конкретной скорости ветра.Соответственно, выходная мощность определяется разными значениями C _p , а также скоростью генератора при различной скорости ветра, как показано на рисунке 5, где всегда существует одно максимальное значение мощности для каждой скорости ветра, что является целью MPPT контроль.

Рисунок 4.

Кривая зависимости Cp от λ для ветряной турбины (β — угол наклона) [23]

Строительство ветряного генератора на заднем дворе

Для многих энтузиастов окружающей среды ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT), похожие на ветряные мельницы, медленно вращающиеся вдалеке, являются довольно привычным зрелищем.К сожалению, есть немало предостережений, из-за которых их труднее принять, несмотря на тот факт, что использование возобновляемых источников энергии более устойчиво, чем использование природного газа и топлива, которые могут быть исчерпаны. Поскольку они обращены на одной оси, им необходимо иметь возможность отслеживать ветер, или же они должны иметь возможность получить максимальную отдачу энергии. Кроме того, в турбулентных и порывистых условиях HAWT сталкиваются с повышенной утомляемостью при уборке урожая.

Разработка ветряной турбины с вертикальной осью (VAWT) решает несколько из этих проблем.Кроме того, турбины обычно располагаются ближе к земле, а замена коробки передач проще и эффективнее. Техническое обслуживание более доступно из-за размера турбин, поэтому для доступа к важным компонентам на месте обычно не требуется тяжелая техника. Кроме того, редуктор по характеру своей работы снижает утомляемость и способен работать в условиях турбулентного ветра, что снижает вероятность отказов.

Для простой версии VAWT, которую вы можете построить самостоятельно, [BlueFlower] опубликовал несколько механических чертежей, которые подробно описывают схему конструкции.В ветроэнергетическом генераторе используются 24 магнита, медный провод, скрученный в катушки, и металлическая пластина для основного генератора. Катушки расположены в форме круга на неподвижной пластине, в то время как магниты равномерно разнесены на движущейся круглой пластине. Когда магниты проходят по катушкам, поток индуцирует ток, который увеличивается по мере ускорения вращения пластин.

Лопасти генератора изготовлены из синей пены с металлической планкой, проходящей через нее для структуры. Три лезвия прикреплены треугольными стержнями к центральному стержню, который также удерживает вращающуюся магнитную пластину.

В первоначальных испытаниях [BlueFlower] с использованием VAWT для зарядки аккумулятора они смогли выработать максимальную мощность 15 Вт в режиме ускорения и 30-70 Вт при зарядке в режиме ШИМ. Неплохо для самодельного ветрогенератора!

Однако в дизайне есть не только плюсы. Хотя VAWT могут быть дешевле, более мобильными и более устойчивыми к износу, есть некоторые конструктивные особенности, которые препятствуют работе генераторов, а также HAWT при сборе энергии. Лезвия не создают крутящий момент одновременно, некоторые из них просто толкаются.Это увеличивает сопротивление лопастей при их вращении, ограничивая эффективность всей системы. Кроме того, более высокие скорости ветра обычно наблюдаются на больших высотах, поэтому VAWT будут работать лучше, если будут установлены на возвышающейся конструкции. Силы вибрации вблизи земли также могут привести к износу подшипников, что приведет к увеличению затрат на обслуживание и увеличению затрат.

Лучшая цена на ветрогенератор мощностью 100 Вт — Выгодные предложения на ветрогенератор мощностью 100 Вт от мировых продавцов ветряных генераторов мощностью 100 Вт

Отличные новости !!! Вы находитесь в нужном месте для ветряного генератора мощностью 100 Вт.К настоящему времени вы уже знаете, что что бы вы ни искали, вы обязательно найдете это на AliExpress. У нас буквально тысячи отличных продуктов во всех товарных категориях. Ищете ли вы товары высокого класса или дешевые и недорогие оптовые закупки, мы гарантируем, что он есть на AliExpress.

Вы найдете официальные магазины торговых марок и небольших независимых продавцов со скидками, которые предлагают быструю доставку, надежные, а также удобные и безопасные способы оплаты, независимо от того, сколько вы решите потратить.

AliExpress никогда не уступит по выбору, качеству и цене. Каждый день вы будете находить новые онлайн-предложения, скидки в магазинах и возможность сэкономить еще больше, собирая купоны. Но вам, возможно, придется действовать быстро, поскольку этот лучший ветрогенератор мощностью 100 Вт вскоре станет одним из самых востребованных бестселлеров. Подумайте, как вам будут завидовать друзья, когда вы скажете им, что приобрели свой ветряк мощностью 100 Вт на AliExpress.Благодаря самым низким ценам в Интернете, дешевым тарифам на доставку и возможности получения на месте вы можете еще больше сэкономить.

Если вы все еще не уверены в ветряке мощностью 100 Вт и думаете о выборе аналогичного товара, AliExpress — отличное место для сравнения цен и продавцов. Мы поможем вам решить, стоит ли доплачивать за высококлассную версию или вы получаете столь же выгодную сделку, приобретая более дешевую вещь.И, если вы просто хотите побаловать себя и потратиться на самую дорогую версию, AliExpress всегда позаботится о том, чтобы вы могли получить лучшую цену за свои деньги, даже сообщая вам, когда вам будет лучше дождаться начала рекламной акции. и ожидаемая экономия.AliExpress гордится тем, что у вас всегда есть осознанный выбор при покупке в одном из сотен магазинов и продавцов на нашей платформе. Реальные покупатели оценивают качество обслуживания, цену и качество каждого магазина и продавца.Кроме того, вы можете узнать рейтинги магазина или отдельных продавцов, а также сравнить цены, доставку и скидки на один и тот же продукт, прочитав комментарии и отзывы, оставленные пользователями. Каждая покупка имеет звездный рейтинг и часто имеет комментарии, оставленные предыдущими клиентами, описывающими их опыт транзакций, поэтому вы можете покупать с уверенностью каждый раз. Короче говоря, вам не нужно верить нам на слово — просто слушайте миллионы наших довольных клиентов.

И, если вы новичок на AliExpress, мы откроем вам секрет.Непосредственно перед тем, как вы нажмете «купить сейчас» в процессе транзакции, найдите время, чтобы проверить купоны — и вы сэкономите еще больше. Вы можете найти купоны магазина, купоны AliExpress или собирать купоны каждый день, играя в игры в приложении AliExpress. Вместе с бесплатной доставкой, которую предлагают большинство продавцов на нашем сайте, вы сможете приобрести wind power generator 100w по самой выгодной цене.

У нас всегда есть новейшие технологии, новейшие тенденции и самые обсуждаемые лейблы.На AliExpress отличное качество, цена и сервис всегда в стандартной комплектации. Начните самый лучший шоппинг прямо здесь.

.