Современные кинетические ветрогенераторы используют энергию ветра для производства электричества. Существуют как заводские, так и самостоятельно собранные модели данных устройств, которые находят применение как в промышленности, так и в частных хозяйствах.

В нашей статье мы рассмотрим, как устроены такие ветряные установки, обсудим их особенности и конструктивные виды. Мы также проанализируем преимущества и недостатки ветряных электростанций. Для энтузиастов предложим полезные схемы и советы по сборке.

Работа ветрогенератора

Работа ветрогенератора основывается на преобразовании кинетической энергии ветра в механическую энергию вращающегося ротора, которая затем преобразуется в электрическую энергию.

Суть работы заключается в следующем: движение лопастей, прикрепленных к оси устройства, инициирует вращение ротора генератора, благодаря чему производится электроэнергия.

Ветроэнергетика является одной из самых многообещающих направлений среди возобновляемых источников энергии. Современные конструкции позволяют эффективно использовать силу ветра для генерации электрической энергии.

Полученный нестабильный переменный ток поступает в контроллер, где он преобразуется в постоянное напряжение, которое может быть использовано для зарядки аккумуляторов. Далее это напряжение передается на инвертор, который преобразует его в переменный ток с показателями 220/380 В для нужд потребителей.

Мощность ветрогенератора зависит от силы ветра (N), которая рассчитывается по формуле N = pSV³/2, где V – скорость ветра, S – площадь под захватом, p – плотность воздуха.

Структура ветряного генератора

Различные ветрогенераторы могут значительно отличаться по своему устройству.

На представленном рисунке изображена внутренняя структура классического горизонтального ветрогенератора. Такие типы чаще всего используются как в промышленных масштабах, так и в быту.

Промышленные модели составляют сложные конструкции, требующие фундамента для установки, в то время как бытовые устройства могут состоять из минимального набора компонентов (например, электродвигателя постоянного тока 3-12В, конденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Типичный ветрогенератор состоит из следующих компонентов:

• генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветра);
• лопасти, передающие вращение на вал генератора (часто дополнительно оснащены редукторами и стабилизаторами скорости);
• мачта, на которой укреплены лопасти (удаление от земли позволяет получать больше энергии);
• аккумуляторы, которые накапливают энергию для употребления при низком уровне ветра или его отсутствии; также они стабилизируют электрическую энергию от генератора;
• контроллер, который превращает переменное напряжение из генератора в постоянное для зарядки аккумуляторов, управляя ориентацией лопастей для работы с воздушными потоками;
• АВР – автоматическое устройство переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (например, солнечными панелями или электросетью);
• датчик направления ветра, помогающий лопастям ориентироваться на поток;
• инвертор для преобразования постоянного тока из батарей в переменное напряжение для использования в электрических системах.

Для улучшения работы устройства могут использоваться различные виды инверторов:

• инверторы с модифицированной синусоидой, производящие квадратную синусоиду, которые подойдут для таких приборов, как ТЭНы и лампы накаливания;
• инверторы для трехфазного напряжения, предназначенные для трехфазных электрических сетей;
• установки с чистой синусоидой, производящие ток для чувствительной электроники;
• сетевые инверторы, которые могут работать без батарей и предназначены для соединения с широкой сетью.

При выборе моделей важно обратить внимание на тип инвертора.

Классификация ветряных генераторов

Ветрогенераторы можно классифицировать по нескольким критериям:

• назначение;
• конструктивные особенности;
• количество лопастей;
• материалы, используемые в производстве;
• осевая конфигурация;
• шаг винтов.

Рассмотрим подробнее две наиболее распространенные классификации.

Классификация по назначению

Выделяются типы ветряных установок в зависимости от их назначения, что влияет на основные характеристики, такие как мощность.

Промышленные ветрогенераторы

Эти установки устанавливаются крупными энергетическими компаниями или государственными организациями с целью электроснабжения промышленных объектов. Турбины мощностью в десятки мегаватт обычно располагаются на специально отведенных участках (открытые возвышенности, береговая линия).

Ветропарки, состоящие из множества ветрогенераторов, располагаются как на земле, так и на мелководье. Производимая электроэнергия, как правило, используется для промышленных нужд.

Электрическая энергия, получаемая от таких установок, обычно напрямую подключается к электрической сети. Для обеспечения стабильного функционирования и контроля за частотой вращения лопастей ветрогенераторы снабжаются дополнительными механизмами.

Коммерческие ветрогенераторы

Эти установки служат для производства электроэнергии с целью ее продажи или для обеспечения электроэнергией производств, расположенных в регионах с недостаточным или отсутствующим электроснабжением. Коммерческие ветряные установки представляют собой скопления генераторов с различной мощностью.

Энергия от таких установок может поступать непосредственно в электрическую сеть или использоваться для зарядки группы аккумуляторов, где она сохраняется и преобразуется для подачи в электросистему.

Бытовые ветряные установки

Устройства с небольшой мощностью предназначены для личного использования. В соответствии с действующим законодательством, ветряки с мачтами высотой менее 25 метров могут устанавливаться частными лицами без предварительного согласования, тогда как для более высоких конструкций требуется специальное разрешение.

Ветрогенераторы небольшой и средней мощности могут быть использованы в качестве источника электричества для частных домов, дач и фермерских хозяйств.

Такие устройства подходят для зарядки аккумуляторов напряжением 12/24/48В, энергия из которых преобразуется в 220 Вольт. Они позволяют частично или полностью решить задачу электроснабжения удаленных объектов, не подключенных к централизованной электросети.

С рекомендациями по выбору ветрогенератора для частного сектора можно ознакомиться в статье, посвященной данному вопросу.

Разновидности конструкций ветряков

По конструктивным особенностям ветряные установки можно разделить на несколько категорий, однако все они в конечном итоге попадают в две главные группы: вертикальные и горизонтальные.

Классические горизонтальные ветрогенераторы

Эти установки (также известные как пропеллерные или лопаточные) обычно имеют 3-5 лопастей, размещенных на горизонтальной оси. Их быстрая скорость вращения позволяет получить максимальную энергию (КИЭВ до 0.4).

Объем выработки электроэнергии во многом зависит от высоты генератора: чем выше он установлен, тем лучше результаты.

Горизонтальный ветрогенератор использует подъемную силу, возникающую при увеличении давления на лопастях от прямого потока воздуха, который проходит через них.

Эти устройства активно используются в ветропарках для выработки энергии как для коммерческих, так и для повседневных нужд.

Интересным примером является горизонтальный ветрогенератор с одной лопастью, который далее будет рассмотрен в фотографии:

Галерея изображений

Сложность создания однолопастного ветряка заключается в необходимости точного балансирования конструкции. Даже небольшие ошибки в этом процессе могут привести к сильной вибрации и разрушению устройства.

Для установки автомобильного или тракторного генератора в ветряке потребуется произвести его перемотку, добавив витки для снижения напряжения или изменив конструкцию на более низкие обороты.

Лопасть фиксируется на штоке с помощью двух металлических уголков, которые соединены между собой и с мачтой болтом М6. Аналогичные крепления используются для ограничения движения лопасти за пределами допустимой траектории.

Вращающаяся часть конструкции должна позволять свободное отклонение лопасти во время работы ветряка, это помогает минимизировать возникновение вибрации.

Генератор фиксируется в установке и обеспечивает потребителю постоянный ток, и такая модель оказывается почти в три раза эффективнее трехлопастного аналога.

На противоложной стороне трубки, к которой закреплена лопасть, прикреплены шайбы, чтобы выступать противовесом для необходимой регулировки веса.

Лопасть в рассматриваемой модели изготовлена из дюралюминиевой трубы диаметром 110 мм, и перед установкой её немного выпрямляют с помощью раскатки.

Мачта для однолопастного устройства сконструирована так, чтобы узел соединения не влиял на траекторию винта при любых его отклонениях.

Однолопастной ветрогенератор

Модернизация генератора для установки

При разработке ветрогенераторов с одной лопастью важна тщательная проработка узла крепления лопасти и противовеса, чтобы добиться эффективной работы установки.

Специфика конструкции

• Уникальная вращающаяся система
• Надежная фиксация генератора
• Противовес для лопасти ветрогенератора
• Лопасть однотолщинной модели
• Мачта для установки ветряка с одной лопастью

Вертикальные ветровые турбины

Основным элементом таких установок является ветроколесо, которое вращается. В зависимости от конструкции, эти системы могут делиться на типы, такие как «Бочка» и «Савониус».

Иллюстрации помогут вам лучше понять принцип работы вертикальной турбины Савониуса:

Лопасти ветряной турбины крепятся к вращающемуся корпусу, сделанному из древесины и фанеры, состоящему из трех дисков.

Для изготовления лопастей чаще всего используют металлический кровельный лист или алюминий. Их число может варьироваться от 3 до 7 и более.

Крепление лопастей осуществляется с помощью обычных саморезов с гайками, которые рекомендуется дополнительно фиксировать с помощью пайки или аналогичных методов.

Монтаж вертикальной турбины требует создания неподвижной базы из фанеры. В верхней части этой базы необходимо сделать отверстие для подключения генератора.

Высота стен базы для Савониуса составляет 14-15 см, их можно изготовить из древесины, МДФ или толстого листа фанеры.

В корпус ветряка установливается бокс для генератора с теплоизолирующими свойствами, чтобы предотвратить его перегрев при работе.

Для сохранения баланса при вращении лопастей из металлического листа изготавливается дефлектор, который предотвращает перегрев.

Вертикальная ветряная турбина начинает вращаться даже при легком ветре и способна вырабатывать электрическую энергию в условиях слабого ветра.

Несмотря на низкий коэффициент полезного использования (КПД) в диапазоне 0.1-0.2, вертикальные установки находят широкое применение, так как работают даже на турбулентных потоках, что позволяет размещать их в регионах с минимальным уровнем ветра.

Кроме того, работа вертикальных ветрогенераторов не зависит от направления ветра. Они просты в установке и обслуживании и могут располагаться близко к земле.

Для улучшения эффективности вертикальных ветряков производители часто увеличивают их размеры, что приводит к росту стоимости. Такие конструкции требуют надежной защиты от сильных ветров и других неблагоприятных природных явлений из-за своей хрупкости.

Ветрогенераторы «Ротор Дарье»

Эти установки также относят к вертикальным ветряным турбинам, но имеют ряд отличий в конструкции. Это позволяет уменьшить уровень шума и повысить КПД, который близок к показателям горизонтальных моделей.

Созданная в 1931 году французским конструктором Жоржем Дарье низконапорная турбина с осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку, активно используется в ветроэнергетике.

Недостаток таких систем заключается в том, что низкий стартовый момент делает запуск устройства затруднительным из-за всего двух лопастей. Для решения этой проблемы часто применяются гибридные модели «Савониус + Дарье».

Парусные ветровые установки

В таких системах может быть реализован принцип как вертикальных, так и горизонтальных ветряков. Основной конструктивной особенностью является наличие ветроколеса, состоящего из множества лопастей или парусов, без четко выраженного аэродинамического профиля.

Существует множество вариантов парусных ветряных генераторов, которые различаются по количеству лопастей, весу и мощности. Эти параметры следует учитывать при выборе устройства.

Несмотря на то, что парусные установки характеризуются сравнительно низкой эффективностью и медленной работой, они часто используются в сельском хозяйстве. Их легкость в установке и эксплуатации, а также способность передавать высокий крутящий момент при низких оборотах делают их идеальными для прямого привода различных механизмов, таких как насосы для воды.

С одним из реализованных примеров парусного ветряка можно ознакомиться в следующей галерее:

Генератор для ветровой турбины

Для работы ветряков необходимы трехфазные генераторы, чья конструкция похожа на автомобильные аналоги, но с увеличенными параметрами.

В таких устройствах имеется трехфазная обмотка статора, соединенная по типу «звезда», из которой выходят три провода к контроллеру, где происходит преобразование переменного напряжения в постоянное.

Ротор генератора изготавливается на неодимовых магнитах, так как электровозбуждение в этом случае нецелесообразно: катушка потребляет большое количество энергии.

Для повышения оборотов часто устанавливают мультипликаторы, что позволяет увеличить мощность генератора или использовать устройство меньшего размера, тем самым снижая стоимость системы.

Мультипликаторы чаще встречаются в вертикальных ветрогенераторах, где ветроколесо вращается медленнее. Напротив, в горизонтальных моделях с высокой скорость вращения лопастей такие дополнения не нужны, что облегчает конструкцию и уменьшает ее стоимость.

Подробная информация о сборке и установке ветрогенератора, созданного на базе стиральной машины или автомобильного генератора, представлена в рекомендованных статьях.

Плюсы и минусы ветрогенератора

Рассмотрим детально преимущества и недостатки ветряных турбин, так как они могут повлиять на выбор – покупать ветряк или отказаться от него.

Преимущества ветряных установок

Положительные аспекты использования ветровой энергии включают в себя:

• Экологичность. Ветрогенераторы используют возобновляемый источник энергии, который доступен постоянно и не наносит вреда экологии. Электричество, производимое такими установками, может заменить энергию тепловых электростанций, уменьшив выбросы парниковых газов.
• Универсальность. Ветровые электростанции можно устанавливать в самых различных местах: на равнинах, в горах, на полях, на островах и даже в мелководных зонах. Ветроэнергия особенно ценна в удаленных местах, где сложно протянуть электрические сети, позволяя обеспечить надежное энергоснабжение.
• Эффективность использования. Современные модели в состоянии использовать энергией даже слабых ветров, минимальная скорость которых составляет 3,5 м/с. Это позволяет как производить дополнительное количество электроэнергии для централизованной сети, так и организовать электроснабжение отдельных объектов в удаленных местах.
• Достойная альтернатива традиционным источникам. Стационарные ветряные электростанции способны полностью удовлетворить потребности в электричестве жилых домов или небольших производственных объектов, аккумулируя необходимую электроэнергию на время безветрия.
• Экономия. В отличие от традиционных способов производства электроэнергии (например, газ, нефть, уголь), ветровые установки способны значительно снизить затраты. Постройка ветровой электростанции часто оказывается дешевле, чем подключение к существующим электросетям.

Использование ветряков может выступать экономичной альтернативой дорогим дизельным генераторам, позволяя сократить затраты на транспортировку и хранение топлива до 80%.

Следует отметить, что усредненная мощность ветрогенератора значительно отличается от показателя максимальной нагрузки. Ветрогенератор отвечает только за общей выработку энергии за определенный промежуток, основываясь на среднемесячной скорости ветра в данном регионе.

Для более точной оценки ветровых ресурсов можно полагаться на специальные параметры Вейбулла, которые показывают распределение ветров различной силы в конкретном регионе. Эти данные имеют критическое значение при проектировании ветропарков с мощностью в десятки мегаватт.

Выработка электроэнергии ветряной турбиной пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому мощности остаются минимальными на фоне слабых ветров, а с их увеличением достигают значительно более высоких значений. Из-за вариативности направления и силы ветра конструкция ветрогенератора должна включать стабилизирующие элементы.

Правила и формулы для расчета мощности ветрогенератора приведены в наших статьях, которые могут оказаться весьма полезными.

В малых автономных системах функцию накопления энергии исполняют аккумуляторы, которые начинают заряжаться в тот момент, когда выходная мощность ветрогенератора превышает уровень потребления.

Если нагрузка увеличивается, то батареи могут оказаться разряженными. Эту особенность следует учитывать при выборе домашнего агрегата, так как мощность должна соответствовать месячным или годовым потребностям в электроэнергии.

Важно отметить, что эффективность использования ветровых потоков сильно зависит от разнообразия конструкций ветряных установок.

Горизонтальные турбины демонстрируют хорошие результаты в равнинных местностях с частыми сильными ветрами, тогда как вертикальные конструкции более эффективны в условиях турбулентных потоков, характерных для горных районов и возвышенностей.

Основные недостатки ветряных турбин

Однако у ветряков есть и свои недостатки:

• Предсказать силу ветра заранее достаточно сложно, так как она постоянно варьируется. Поэтому важно продумать резервные источники энергии, такие как солнечные панели или подключение к центральной сети.
• Вертикальные установки могут быть подвержены разрушению лопастей из-за центробежных сил, что со временем может привести к деформации компонентов и поломке устройства.
• Ветряки лучше всего размещать на открытых пространствах, поскольку здания рядом могут создавать «мертвую» зону, затормаживая ветер.
• Чтобы аккумулировать избыточную энергию ветряных установок, нужно включить в конструкцию аккумуляторы и другие устройства для трансформации электроэнергии в нужный формат.
• Работа генераторов сопровождается шумом, который может вызывать дискомфорт у людей и пугать животных. Лопасти тоже представляют опасность для пролетающих птиц.
• По мнению ряда экспертов, ветрогенераторы могут ухудшать качество радио- и телевизионных сигналов.

Критическим аспектом также остается высокая стоимость такого оборудования, хотя низкие затраты на электроэнергию могут частично компенсировать этот недостаток.

Способы и схемы подключения

Хотя ветряные установки могут работать в автономном режиме, значительно более эффективные результаты достигаются при использовании комбинированных схем, которые включают в себя сочетание ветряных установок с солнечными панелями, централизованными электросетями или дизельными и газовыми генераторами.

Автономный режим. В этом случае устанавливается индивидуальная установка для улавливания и аккумулирования энергии ветра, которую затем преобразуют в необходимый вам электрический ток.

На приведенной схеме показан наиболее простой метод использования ветрогенератора, подходящий для регионов с постоянными сильными ветрами.

Сочетание ветряного генератора и солнечных панелей. Такой комбинированный вариант считается надежным и эффективным для производcтва электроэнергии. При отсутствии ветра аккумулятор работает на солнечной энергии, а в пасмурные дни и ночью зарядка осуществляется за счет ветряного генератора.

Это идеальное решение для загородных домов и участков, находящихся вдали от централизованной электросети. Данная схема позволяет использовать два типа возобновляемой энергии.

Синергия ветрогенератора и электросети. Возможна также интеграция ветряной турбины с электресурсами.

Эта схема чаще встречается в промышленных и коммерческих установках. Некоторые модели бытовых ветряков также предполагают подключение к электросетям.

При избытке выработанного электричества оно поступает в общую сеть, а в случае нехватки можно воспользоваться электроэнергией из основной энергосистемы.

Особенности использования ветрогенераторов

На сегодняшний день ветряные турбины активно применяются в различных отраслях. Модели с различной мощностью используются нефтегазовыми и телекоммуникационными компаниями, буровыми и геологоразведочными станциями, а также на промышленных предприятиях и в государственных учреждениях.

Ветрогенераторы могут служить дополнительным источником электроэнергии для больниц и других учреждений, обеспечивая надежную подачу энергии в критических ситуациях.

Также стоит отметить их значение в восстановлении электричества в условиях стихийных бедствий. Для этой цели ветряные установки нередко применяются подразделениями МЧС.

Бытовые ветряки прекрасно подходят для освещения и отопления загородных домов и дачных участков, а также для нужд в фермерских хозяйствах.

Однако следует учитывать некоторые нюансы:

• Установки мощностью до 1 кВт могут быть эффективны только в местах с сильными ветрами. Обычно их мощности хватает для питания светодиодных ламп и мелких электроустройств.
• Для полной электрификации дачи нужен ветрогенератор мощностью свыше 1 кВт. Этого достаточно для питания осветительных приборов и работы компьютера, но его недостаточно для питания современного холодильника с круглосуточной работой.
• Для коттеджа потребуется ветряная установка мощностью 3-5 кВт, однако даже этого может быть недостаточно для обеспечения дома отоплением – для этого понадобится агрегат на уровне 10 кВт.

При выборе модели важно учесть, что заявленная мощность достигается только при максимальной скорости ветра. Например, установка на 300 Вт будет обеспечивать такую мощность лишь при скорости потока воздуха 10-12 м/с.

Тем, кто намерен самостоятельно создать ветрогенератор, рекомендую ознакомиться с нашей следующей статьей, в которой представлена подробная информация по данной теме.

Итоги и полезное видео

На нижеприведенном видео подробно рассказано о принципах работы и устройстве бытового ветряного генератора:

Ветрогенератор – это замечательный источник электрической энергии, особенно для жителей удаленных районов. Имеется множество предложений как от российских, так и от зарубежных производителей, а также возможность изготовить бытовую модель самостоятельно.

Пожалуйста, оставляйте комментарии в блоке ниже. Делитесь своим опытом создания ветряного генератора на своем участке или расскажите о работе устройства у ваших соседей. Задавайте вопросы, делитесь полезной информацией и фотографиями на эту тему.