Ветрогенераторы. Виды и устройство. Работа и применение

Современные ветрогенераторы относятся к одной из разновидностей источников альтернативной энергии и уступают по своей эффективности только солнечным концентраторам. Чтобы получить электроэнергию с помощью этих устройств – потребуется целый ряд преобразований, реализуемых посредством специальных генераторных установок. Для рядового пользователя важно определиться с тем, можно ли с их помощью обеспечить электропитанием, например, загородный частный дом.

Области применения

Кроме того, они востребованы на объектах, испытывающих затруднения с централизованным энергоснабжением. Производительность бытовых моделей достаточна для того, чтобы полностью обеспечить частный жилой дом электроэнергией. При этом установка всего лишь одного ветрового агрегата позволяет существенно снизить расходы на коммунальные нужды (в части энергоснабжения).

Ветрогенераторы представляют собой современные устройства, в которых реализуется принцип преобразования механической энергии вращения в электрический ток. В качестве привода, формирующего импульс движения, используются ветряные лопасти с валом, который механически связан с ротором генераторного устройства.

При воздействии направленного потока ветра на лопасти такого агрегата вал начинает вращаться, передавая импульс движения ротору электрогенератора. В катушках последнего за счет вращающегося электромагнитного поля наводится переменная ЭДС, используемая в качестве питающего напряжения. Мощности, развиваемой такой генераторной установкой, достаточно для того, чтобы обеспечить электроэнергией небольшое частное хозяйство.

При рассмотрении принципа работы использовался общий подход к описанию его функционирования, без указания всех задействованных элементов.

• Регулятор скорости вращения лопастей, необходимый для предотвращения их поломки при сильном ветре.
• Электронное выпрямительное устройство, преобразующее переменный ток в постоянное напряжение, удобное для аккумулирования энергии.
• Батарейный узел, необходимый для хранения выработанной энергии и использования ее в периоды безветрия.

Помимо этого, в сложные системы преобразования входит электронная система контроля работы узлов, исключающая аварийные ситуации.

• С горизонтальным расположением оси вращения.
• Вертикальные конструкции.
• Со спиральными турбинами.

Ветряки с горизонтальным расположением оси представлены несколькими известными видами с роторным колесом (двух, трех или четырех- лопастными образцами). КПД таких малогабаритных устройств редко превышает 20%. Эффективность работы напрямую зависит от варианта исполнения роторного привода. Последнее может быть тихоходным, предназначенным для эксплуатации при малых скоростях с низким КПД и обычным, работающим при ветре не менее 5-7 м в секунду.

Агрегаты вертикальных конструкций оснащаются «генератором Савониуса» со специальным карусельным колесом. Ось вращения в этих устройствах располагается вертикально, что избавляет от необходимости регулирования угла атаки лопастей, как это делается у типовых горизонтальных моделей.

Кроме того, вертикальные конструкции более компактны и удобны в обслуживании. Несмотря на это, они не пользуются большим спросом у потребителя из-за низкого КПД (этот показатель у них редко превышает 20%). Разработчики ветряных генераторов постоянно работают над улучшением дизайна и усовершенствованием конструкции этих агрегатов применительно к различным целям.

В качестве примера можно привести компактные ветрогенераторы типа «Медуза», которые при общей высоте не более 40 см способны генерировать до 40 кВт в месяц. Эта модель считается самой привлекательной для потребителя, если рассматривать ее с точки зрения соотношения габаритов и мощности.

К типичным представителям ветрогенераторов со спиральными турбинами относятся конструкции под названием «Тихая революция» и «Flower Plants». Они обеспечены надежной защитой от случайного попадания птиц в приводной механизм, а показатель шумности у них вдвое ниже, чем у моделей других типов. Еще одна модель со спиральной турбиной под названием «Liam F1» имеет диаметр в поперечнике порядка 1,5 метра и может обеспечить энергией небольшое строение. Показатель шумности у такого агрегата не превышает 45 Дб.

• Лопасти (основные и резервные).
• Турбину с генератором, преобразующим механическое вращение в электрический ток.
• Систему торможения и выпрямитель.
• Аккумулятор, используемый для накопления выработанной и неизрасходованной энергии и контроллер к нему.
• Электронный модуль преобразования постоянного тока в переменный (инвертор).

Система торможения позволяет стабилизировать преобразовательный процесс при резком изменении скорости ветра. Выпрямитель необходим для получения постоянного напряжения из переменного тока (с его помощью удается накапливать энергию в аккумуляторных батареях). К бытовому генератору обычно подключается один или два аккумулятора, которых достаточно для непродолжительного электропитания небольшого домика во время отсутствия ветра.

Контроллер заряда обеспечивает корректную работу накопительного модуля. С его помощью удается направлять полученную энергию в аккумулятор, а также отключать его в нужный момент (например, по окончании зарядки). К тому же контроллер позволяет не допустить полного разряда батарей при возросшем потреблении тока в нагрузке.

Инвертор необходим для обратного преобразования – получения переменного напряжения из постоянного. Без него невозможно полноценное питание бытовых приборов в частном жилье, рассчитанных на 220 В 50 герц. Рабочая мощность всего генераторного комплекса зависит от характеристик инвертора, поскольку он является последним звеном в цепочке электрических преобразований.

• Рассчитать энергопотребление дома в целом, просуммировав мощности всех установленных в нем приборов и агрегатов (включая сам «ветряк»).
• Узнать в характеристиках приобретаемого ветрогенератора мощность, развиваемую его турбиной.
• По результатам сравнения этих двух параметров определиться с нужным количеством однотипных «ветряков».

Реальная или фактическая мощность, которую способны развить ветрогенераторы, может заметно отличаться от ее номинального значения. Этот показатель в значительной мере зависит от скорости и направления ветров в каждой конкретной местности.

Мощность типового «ветряка», используемого для бытовых нужд, обычно не превышает 500 Вт. По этой причине для энергообеспечения частного дома может потребоваться установить несколько ветрогенераторов.

• Абсолютная экологичность процесса выработки энергии.
• Автономность (независимость от централизованных источников питания).
• Возможность самостоятельного обустройства ветряной станции.
• Простота обслуживания.

При этом нельзя забывать и о недостатках ветряных установок, проявляющихся в сложности схемы преобразования и в сравнительно низком КПД. Также важно помнить о том, что применять ветрогенераторы имеет смысл только в местностях с подходящей ветровой обстановкой.