Kinetický větrný generátor: zařízení, princip činnosti, použití

Moderní kinetický větrný generátor umožňuje využít sílu proudů vzduchu a přeměnit ji na elektřinu.Pro tento účel existují tovární a domácí modely zařízení, které se používají jak v průmyslu, tak v soukromých domácnostech.

Prozradíme vám, jak jsou větrné turbíny tohoto typu navrženy, a seznámíme vás s vlastnostmi zařízení a možnostmi designu. Článek, který jsme navrhli, ukazuje silné a slabé stránky větrné elektrárny. Kutilové zde najdou užitečná schémata a doporučení k montáži.

Princip činnosti větrného generátoru

Provoz větrného generátoru je založen na přeměně kinetické energie větru na mechanickou energii rotoru, která se následně přeměňuje na elektřinu.

Princip činnosti je poměrně jednoduchý: otáčení lopatek upevněných k ose zařízení vede ke kruhovým pohybům rotorového generátoru, čímž se vyrábí elektřina.

Větrná energie je jedním z nejslibnějších odvětví obnovitelné energie. Moderní konstrukce umožňují hospodárně využít sílu proudů vzduchu a využít ji k výrobě elektřiny

Vzniklý nestabilní střídavý proud „odtéká“ do ovladače, kde se přeměňuje na stejnosměrné napětí, které může nabíjet baterie. Odtud je proud přiváděn do střídače, kde je transformován na střídavé napětí s indikátorem 220/380 V, které je dodáváno spotřebitelům.

Výkon větrného generátoru přímo závisí na výkonu proudění vzduchu (N), vypočteném podle vzorce N=pSV³/2, kde V je rychlost větru, S je pracovní plocha, p je hustota vzduchu.

Zařízení větrného generátoru

Různé verze větrných generátorů se od sebe výrazně liší.

Níže uvedený diagram ukazuje vnitřní strukturu klasického horizontálního větrného generátoru. Takové modely se nejčastěji používají jak v průmyslu, tak v každodenním životě.

Průmyslová zařízení jsou složitá multimetrová struktura, jejíž instalace vyžaduje základ, zatímco model pro domácnost se může skládat z minima komponent (stejnosměrný elektromotor 3-12V, elektrický kondenzátor 1000 uF 6V, křemíková usměrňovací dioda).

Typická instalace obsahuje následující součásti:

• generátor střídavého proudu (výkon závisí na rychlosti proudění větru);
• lopatky, které přenášejí rotaci na hřídel generátoru (často jsou navíc vybaveny převodovkami a stabilizátory otáček rotoru);
• stožár větrného mlýna, ke kterému jsou připevněny lopatky (čím jsou tyto prvky vyšší, tím více energie větru mohou přijímat);
• baterie, které ukládají energii, což umožňuje její použití, když je malý nebo žádný vítr. Baterie také plní funkci stabilizace elektrické energie dodávané z generátoru;
• regulátor - převodník střídavého napětí přijímaného z generátoru na stejnosměrné napětí, které slouží k nabíjení baterie. Ovladač se ovládá otáčením lopatek, což umožňuje vzít v úvahu, kde se pohybují proudy vzduchu;
• AVR je automatické spínací zařízení, které propojuje větrný generátor s jinými zdroji energie (solární panely, rozvodná síť);
• snímač směru větru - zařízení, které usnadňuje lopatkám najít proudění větru;
• invertor pro přeměnu stejnosměrného proudu z baterií na střídavé napětí, který se používá v elektrických komunikacích.

Pro lepší uspokojení potřeb uživatelů může být zařízení vybaveno různými typy měničů:

• zařízení s invertorem modifikovanou sinusovou vlnou, která vytváří obdélníkovou sinusovou vlnu. Zařízení tohoto typu jsou vhodná pro topná tělesa, žárovky a další zařízení nenáročná na kvalitu sítě;
• třífázové střídače napětí určené pro třífázové elektrické sítě;
• čisté sinusové jednotky, které vyrábějí energii pro citlivější zařízení;
• síťové měniče, které mohou fungovat bez baterií. Taková zařízení jsou navržena pro obvody, které zahrnují elektrickou energii vstupující přímo do obecné sítě.

Při výběru modelů nezapomeňte věnovat pozornost typu měniče.

Typy větrných generátorů

Při klasifikaci větrných turbín lze vzít v úvahu následující charakteristiky:

• jmenování;
• Designové vlastnosti;
• počet lopatek;
• materiály, ze kterých jsou vyrobeny;
• osa otáčení;
• stoupání vrtule.

Podívejme se blíže na dvě nejpoužívanější klasifikace.

Klasifikace větrných generátorů podle účelu

Existují typy větrných turbín, které se liší účelem. Na tom závisí hlavní charakteristiky zařízení, například výkon.

Průmyslové větrné turbíny

Taková zařízení instalují velké energetické společnosti nebo stát, aby dodávaly elektřinu průmyslovým zařízením.Turbíny o výkonu desítek megawattů jsou obvykle umístěny ve větrných oblastech (otevřené kopce, pobřeží).

Větrné elektrárny, kde jsou instalovány desítky větrných turbín, se nacházejí nejen na souši, ale i v mělké vodě. Výsledná elektřina se obvykle používá pro průmyslové účely

Vyrobená elektřina jde zpravidla přímo do sítě, zatímco pro stabilitu a regulaci rychlosti otáčení lopatek jsou větrné turbíny vybaveny dalšími mechanismy.

Komerční větrné generátory

Taková zařízení se používají k výrobě elektřiny na prodej nebo k poskytování elektřiny do výroby v regionech s nízkoenergetickou elektrickou sítí (nebo žádnou elektrickou sítí). Takové větrné elektrárny se skládají ze shluku elektrických generátorů, které mohou mít různé kapacity.

Energie z komerčních instalací může být dodávána přímo do elektrických sítí nebo použita k nabíjení velkého množství baterií, kde je uložena a přeměněna na napájení sítě.

Větrná zařízení pro domácnost

Nízkoenergetické jednotky se používají pro soukromé použití. Větrné turbíny se stožáry nižšími než 25 metrů mohou podle pravidel instalovat majitelé pozemků bez souhlasu úřadů, pro vyšší stožáry je třeba získat zvláštní povolení.

Větrné mlýny nízkého a středního výkonu mohou sloužit jako zdroj elektrické energie pro chaty, chalupy, venkovské domy a farmy

Větrné generátory pro domácnost jsou vhodné pro nabíjení baterií o napětí 12/24/48V, z nichž se energie transformuje na napětí 220 Voltů.Taková zařízení umožňují zcela nebo částečně vyřešit problém napájení malých objektů, které se nacházejí daleko od centralizované energetické sítě.

S pokyny pro výběr větrného generátoru pro dodávku energie do soukromého domu přečíst článekvěnované této zajímavé problematice.

Typy konstrukcí větrných turbín

Na základě jejich konstrukčních prvků lze zařízení také rozdělit do několika kategorií, ačkoli všechny odrůdy se dělí na dva hlavní typy: vertikální a horizontální.

Klasické horizontální větrné turbíny

Takové instalace (nazývají se také vrtule nebo křídlo) mají obvykle 3-5 listů namontovaných na vodorovné ose. Tyto prvky rotující vysokou rychlostí umožňují získat maximální množství energie (KIEV až 0,4).

Navíc množství vyrobené elektřiny do značné míry závisí na výšce zařízení (čím je vyšší, tím je výsledek lepší).

Horizontální větrná turbína využívá vztlak, ke kterému dochází při zvýšení tlaku v místě, kde přímý proud vzduchu prochází lopatkami a odráží se od těchto prvků.

Tato zařízení jsou obvykle instalována ve větrných elektrárnách, kde se vyrábí energie pro průmyslové a komerční využití, ale jsou vhodná i pro domácí použití.

Zajímavým řešením pro horizontální větrný mlýn je model s jednou lopatkou, s jeho vlastnostmi vás seznámí následující výběr fotografií:

Vertikální větrné turbíny

Ovládacím prvkem takových instalací je rotující větrné kolo. Vzhledem ke svým konstrukčním vlastnostem se tyto konstrukce liší podle typu („Barrel“, „Savonius“).

Následující výběr fotografií vám představí princip vertikální generátorové turbíny Savonius:

Navzdory nízkému indexu KIEV (0,1-0,2) jsou široce používány: vertikální instalace fungují na turbulentním proudění vzduchu, takže je lze umístit i v oblastech, kde silný vítr fouká jen zřídka.

Provoz vertikálních větrných generátorů nezávisí na směru větrů. Snadno se instalují a obsluhují a taková zařízení lze instalovat blízko země

Pro zlepšení účinnosti vertikálních větrných turbín výrobci často zvyšují jejich rozměrové parametry, což vede k výraznému nárůstu nákladů. Protože jsou taková zařízení poměrně křehká, vyžadují zvýšenou ochranu před hurikány a jinými přírodními jevy.

Větrné generátory "Rotor Daria"

Taková zařízení patří do kategorie vertikálních větrných turbín, ale mají výrazné rozdíly v designu. Díky takovým vlastnostem je dosaženo snížení hluku a také se zvyšuje KIEV, což se blíží výkonu horizontálních modelů.

Nízkotlaká turbína s osou rotace kolmou na vzduch, kterou v roce 1931 navrhl francouzský letecký konstruktér Georges Darrieus, našla široké uplatnění ve větrné energetice.

Nevýhodou takových konstrukcí je nízký rozběhový moment (kvůli přítomnosti pouze dvou lopatek je obtížné, aby se zařízení samo nastartovalo). K vyřešení problému se často používá hybrid „Savonius + Darier“.

Instalace větrných plachetnic

Pro takové instalace lze využít princip konstrukce jak vertikálních, tak horizontálních větrných turbín. Hlavním designovým prvkem je větrné kolo pokryté mnoha listy nebo plachtami, přičemž takové modely nemají aerodynamický profil.

Existuje mnoho modelů plachetních větrných generátorů, které se liší počtem lopatek, hmotností a výkonem. Všechny tyto parametry je třeba vzít v úvahu při výběru zařízení

Navzdory skutečnosti, že plachetní zařízení se vyznačují nízkou rychlostí a nízkou účinností, jsou často používány v národním hospodářství.Takové konstrukce se snadno instalují a obsluhují a kombinace vysokého točivého momentu a nízké rychlosti umožňuje přímo řídit různé užitečné mechanismy, například čerpadlo pro čerpání vody.

Následující galerie vám představí jeden z modelů plachetních větrných turbín realizovaných v praxi:

Generátor pro větrnou turbínu

Větrné turbíny vyžadují ke svému provozu konvenční třífázové generátory. Konstrukce takových zařízení je podobná modelům používaným na automobilech, ale má větší parametry.

Přístroje větrné turbíny mají třífázové statorové vinutí (zapojení do hvězdy), ze kterého vycházejí tři vodiče a jdou do regulátoru, kde se mění střídavé napětí na stejnosměrné.

Rotor generátoru pro větrnou turbínu je vyroben z neodymových magnetů: v takových konstrukcích je nevhodné používat elektrické buzení, protože cívka spotřebovává hodně energie

Ke zvýšení obratu se často používá multiplikátor.Toto zařízení umožňuje zvýšit výkon stávajícího generátoru nebo použít menší zařízení, což snižuje náklady na instalaci.

Multiplikátory se častěji používají ve vertikálních větrných generátorech, ve kterých je proces otáčení větrného kola pomalejší. U horizontálních zařízení s vysokou rychlostí otáčení lopatek nejsou nutné násobiče, což zjednodušuje a snižuje náklady na konstrukci.

Specifika montáže a instalace větrných generátorů z pračky a větrné turbíny z generátoru auta je podrobně popsána v článcích, které doporučujeme.

Výhody a nevýhody větrného generátoru

Podívejme se podrobně na výhody a nevýhody větrných turbín, protože rozhodnutí o koupi větrné turbíny nebo opuštění závisí na nich.

Výhody větrných zařízení

Mezi výhody zařízení využívajících větrnou energii patří:

• Šetrnost k životnímu prostředí. Zařízení využívají obnovitelný zdroj energie, který lze využívat nepřetržitě, aniž by došlo k poškození životního prostředí. Elektřina vyrobená z větrných generátorů nahrazuje energii tepelných elektráren a snižuje emise skleníkových plynů.
• Všestrannost. Větrné elektrárny lze stavět téměř všude: na pláních, v horách, na polích, na ostrovech a dokonce i v mělkých vodách. Větrná energie je zvláště cenná na odlehlých místech, kde je obtížné rozšířit konvenční elektrické komunikace. Větrné generátory v tomto případě umožňují vytvořit dodávku energie pro objekty a zajišťují její nezávislost na náhodných faktorech (např. včasné dodání paliva).
• Efektivita použití. Moderní modely zpracovávají energii i slabého větru – minimální hranice je 3,5 m/s.Tímto způsobem je možné dodat další elektřinu do centralizované sítě a také organizovat napájení jednotlivých objektů (ostrovních nebo místních) bez ohledu na jejich výkon.
• Důstojná alternativa k tradičním zdrojům. Stacionární větrné elektrárny mohou kompletně zajistit elektřinu obytné budově nebo dokonce malému průmyslovému zařízení. V tomto případě bude turbína akumulovat potřebnou zásobu elektřiny v bateriích, určených pro použití v klidných obdobích.
• Hospodárný. Ve srovnání s tradičními zdroji elektrické energie (plyn, rašelina, uhlí, ropa) mohou cyklistické turbíny výrazně snížit náklady na energii. V mnoha případech je vybudování větrné farmy levnější než připojení ke stávajícím energetickým systémům.

Využití větrných turbín může být alternativou k použití drahých dieselových generátorů, což dále snižuje náklady na dopravu a skladování paliva až o 80 %.

Průměrný výkon větrné turbíny se několikrát liší od špičkového zatížení. Větrný generátor je zodpovědný pouze za množství energie vyrobené za určité časové období při průměrné měsíční rychlosti větru charakteristické pro danou oblast.

Pro přesnější posouzení zdrojů větru můžete použít speciálně odvozená data (Weibullovy parametry). Tyto ukazatele odrážejí rozložení větrů různé síly charakteristické pro určitou oblast. S takovou informací je důležité počítat při vývoji projektů větrných elektráren o výkonu desítek MW.

Výkon generovaný větrnou turbínou je úměrný trojnásobku rychlosti větru.V důsledku toho je tento ukazatel velmi malý, když jsou proudy větru slabé, ale když zesílí, prudce se zvyšuje. Vzhledem k proměnlivosti směru a rychlosti větru musí být do návrhu větrné turbíny zahrnuty stabilizační komponenty.

Pravidla a vzorce pro výpočet výkonu větrných generátorů jsou uvedeny zde, doporučujeme, abyste se seznámili s velmi užitečnými informacemi.

V malých autonomních systémech jejich funkci plní baterie, jejichž náboj se začne zvyšovat, jakmile výkon větrného generátoru překročí zátěž.

Při zvýšení zátěže se může baterie vybít. Tuto vlastnost je důležité zohlednit při výběru bytové jednotky, její výkon musí odpovídat měsíční nebo roční sazbě spotřeby elektřiny

Je třeba poznamenat, že efektivní využití proudění větru je usnadněno různými konstrukcemi větrných generátorů.

Horizontální turbíny fungují dobře v rovinatých oblastech, kde je hodně větru, zatímco vertikální turbíny fungují lépe v oblastech s turbulentním prouděním nízko u země (horní kopce, pohoří).

Hlavní nevýhody větrných turbín

Současně mají větrné turbíny také své negativní stránky:

• Velikost síly větru je obtížné předem odhadnout, protože se často mění. Z tohoto důvodu je vhodné uvažovat o záchranné síti poskytnutím záložního zdroje energie (solární panely, připojení k elektrické síti).
• Vertikálním zařízením hrozí zničení listů vrtule působením odstředivých sil při otáčení listů kolem hlavní osy. V důsledku tohoto efektu se důležité konstrukční prvky časem deformují a ničí a mechanismus selže.
• Je lepší instalovat větrné turbíny ve volném prostoru, protože blízké budovy mohou „tlumit“ vítr a vytvářet „mrtvou“ vzduchovou zónu.
• Pro úsporu přebytečné energie z větrných turbín je nutné do návrhu zahrnout použití baterií a dalších doplňkových zařízení, která slouží k přeměně vyrobené elektřiny na proud s vhodnými spotřebitelskými charakteristikami.
• Při provozu větrné generátory produkují hluk, který může způsobit nepohodlí lidem a vyděsit zvířata. Čepele zařízení mohou také způsobit smrt ptáků, kteří k nim létají.
• Podle některých odborníků mohou větrné turbíny zhoršovat příjem rozhlasového a televizního vysílání.

Negativními aspekty mohou být také poměrně vysoké náklady na takové jednotky, avšak nízké náklady na zdroj energie tento faktor do značné míry kompenzují.

Schémata a metody zapojení

Přestože větrná turbína může pracovat autonomně, mnohem lepších výsledků lze dosáhnout pomocí kombinovaných schémat, která kombinují větrnou turbínu se solárními panely, centralizovanou elektrickou sítí, naftovými nebo plynovými zdroji energie.

Autonomní provoz. V tomto případě je instalována jediná instalace, pomocí které je zachycována a akumulována větrná energie, která je následně přeměňována na elektrický proud potřebný pro spotřebitele.

Diagram ukazuje nejjednodušší způsob použití větrného generátoru, který je vhodné použít v oblastech, kde neustále fouká silný vítr

Kombinace větrného generátoru se solárními panely. Kombinovaná možnost je považována za spolehlivý a účinný způsob napájení. Pokud nefouká vítr, baterie běží solární panelya za oblačného počasí a v noci dochází k nabíjení z větrné turbíny.

Ideální volba pro soukromý dům nebo farmu, která se nachází daleko od centralizované elektrické sítě. Toto kombinované schéma umožňuje využití dvou typů obnovitelné energie

Kombinovaný provoz větrného generátoru a elektrické sítě. Větrná turbína může být kombinována s elektrickou komunikací.

Toto uspořádání je typické pro průmyslová a komerční zařízení. Připojení k elektrické komunikaci je také k dispozici pro některé modely domácích větrných generátorů

Při přebytku vyrobené elektřiny jde do centralizované sítě a při nedostatku je možné využít elektrický proud z obecného energetického systému.

Nuance použití větrných generátorů

V současné době se větrné turbíny používají v různých odvětvích národního hospodářství. Průmyslové modely různých kapacit používají ropné a plynárenské společnosti, telekomunikační společnosti, vrtné a geologické průzkumné stanice, výrobní zařízení a vládní agentury.

Větrná turbína může být použita jako doplňkový zdroj energie v nemocnicích a dalších institucích pro zajištění nepřetržitého napájení v nouzových situacích

Zvláště pozoruhodný je význam používání větrných turbín pro rychlou obnovu poškozené elektřiny během kataklyzmat a přírodních katastrof. K tomuto účelu jsou větrné generátory často využívány jednotkami Ministerstva pro mimořádné situace.

Větrné turbíny pro domácnost jsou ideální pro organizaci osvětlení a vytápění v chatových komunitách a soukromých domech, stejně jako pro ekonomické účely na farmách.

Je třeba zvážit několik bodů:

• Zařízení do 1 kW mohou poskytnout dostatečné množství elektřiny pouze na větrných místech.Energie, kterou generují, obvykle stačí pouze k napájení LED osvětlení a napájení malých elektronických zařízení.
• K plnému zajištění elektrické energie pro chatu (venkovský dům) budete potřebovat větrný generátor s výkonem nad 1 kW. Tento indikátor stačí k napájení svítidel, počítače a televizoru, ale jeho výkon nestačí na dodávku elektřiny do moderní chladničky, která funguje nepřetržitě.
• Pro zajištění energie do chaty budete potřebovat větrnou turbínu o výkonu 3-5 kW, ale ani tento údaj nebude stačit na vytápění domů. Chcete-li použít tuto funkci, potřebujete výkonnou variantu s výkonem od 10 kW.

Při výběru modelu byste měli vzít v úvahu, že indikátor napájení uvedený na zařízení je dosažen pouze při maximální rychlosti větru. Instalace 300V tedy vyrobí uvedené množství energie pouze při rychlosti proudění vzduchu 10-12 m/s.

Pro ty, kteří si chtějí postavit větrný generátor vlastníma rukama, nabízíme další článek, která podrobně poskytuje užitečné informace.

Závěry a užitečné video k tématu

Níže uvedené video poskytuje podrobné informace o principu fungování a designu domácího modelu větrného generátoru:

Větrný generátor je výborným zdrojem výroby elektrické energie, což ocení zejména obyvatelé odlehlých oblastí. Různé ruské a zahraniční podniky nabízejí širokou škálu větrných struktur, modely pro domácnost lze navíc vyrobit vlastními rukama.

Komentáře pište do bloku níže. Řekněte nám o tom, jak jste na svém pozemku postavili větrný generátor, nebo o tom, jak funguje větrná turbína vašich sousedů.Ptejte se, sdílejte užitečné informace a fotografie k tématu.