Kinetinis vėjo generatorius: sandara, veikimo principas, taikymas

Šiuolaikinis kinetinis vėjo generatorius leidžia pasinaudoti oro srautų jėga, paverčiant ją elektra. Šiam tikslui yra sukurti gamykliniai ir savadarbiai įrenginių modeliai, kurie naudojami tiek pramonėje, tiek privačiuose ūkiuose.

Papasakosime, kaip veikia šio tipo vėjo jėgainės, supažindinsime su įrenginio ypatumais ir konstrukciniais variantais. Mūsų siūlomame straipsnyje pateikiami vėjo energijos įrenginio privalumai ir trūkumai. Savadarbiai meistrai čia ras naudingų schemų ir surinkimo rekomendacijų.

Vėjo generatoriaus veikimo principas

Vėjo generatoriaus veikimo pagrindas yra vėjo kinetinės energijos transformavimas į mechaninę rotoriaus energiją, kuri vėliau paverčiama elektros energija.

Darbo principas yra gana paprastas: ant prietaiso ašies pritvirtintų menčių sukimasis sukelia rotoriaus generatoriaus sukamuosius judesius, dėl ko gaminama elektros energija.

Vėjo energetika yra viena perspektyviausių atsinaujinančios energetikos šakų. Šiuolaikinės konstrukcijos leidžia ekonomiškai efektyviai naudoti oro srautų jėgą, naudojant ją elektros gamybai.

Gautas nestabilus kintamasis srovė „nuteka“ į valdiklį, kur jis paverčiamas pastovia įtampa, galinčia įkrauti baterijas. Iš ten maitinimas patenka į inverterį, kur jis transformuojamas į kintamąją įtampą 220/380 V, kuri ir tiekiama vartotojams.

Vėjo generatoriaus galia tiesiogiai priklauso nuo oro srauto galios (N), apskaičiuojama pagal formulę N=pSV³/2, kur V – vėjo greitis, S – darbinis plotas, p – oro tankis.

Vėjo generatoriaus sandara

Įvairūs vėjo generatorių variantai žymiai skiriasi vienas nuo kito.

Pateiktoje schemoje parodyta klasikinio horizontalaus vėjo generatoriaus vidinė struktūra. Tokie modeliai dažniausiai naudojami tiek pramonėje, tiek buityje.

Pramoniniai įrenginiai yra sudėtinga kelių metrų konstrukcija, kuriai įrengti reikalingas pamatas, tuo tarpu buitinis modelis gali susidėti iš minimalaus komponentų skaičiaus (nuolatinės srovės elektros variklio 3-12V, elektros kondensatoriaus 1000 µF 6V, silicio lygintuvo diodo).

Tipinė instaliacija apima šias sudedamąsias dalis:

• kintamosios srovės generatorius (galia priklauso nuo vėjo srautų greičio);
• mentės, kurios perduoda sukimąsi generatoriaus velenui (dažnai jos papildomai turi reduktorius, rotoriaus sukimosi greičio stabilizatorius);
• vėjo jėgainės stiebas, prie kurio tvirtinamos mentės (kuo aukščiau yra šie elementai, tuo daugiau vėjo energijos jie gali gauti);
• akumuliatoriai, kaupiantys energiją, kas leidžia ją naudoti esant silpnam vėjo srautui arba jo visiškai nesant. Baterija taip pat atlieka elektros energijos, gautos iš generatoriaus, stabilizavimo funkciją;
• valdiklis – kintamosios įtampos, gautos iš generatoriaus, keitiklis į pastoviąją, kuri naudojama baterijai įkrauti. Valdiklis valdomas sukant mentes, kas leidžia atsižvelgti, kur juda oro srautai;
• AĮP – automatinio perjungimo įrenginys, jungiantis vėjo generatorių su kitais energijos šaltiniais (saulės baterijomis, elektros tinklu);
• vėjo krypties jutiklis – prietaisas, palengvinantis menčių vėjo srauto paiešką;
• inverteris, skirtas paversti nuolatinę srovę iš akumuliatorių į kintamąją įtampą, kuri naudojama elektros komunikacijose.

Siekiant pilniau patenkinti vartotojų poreikius, prietaisas gali būti aprūpintas įvairių tipų keitikliais:

• Prietaisai su modifikuotos sinusoidės keitikliu, išduodančiu kvadratinę bangą. Tokio tipo įrenginiai tinka šildymo elementams, kaitrinėms lempoms ir kitiems prietaisams, nereikalaujantiems aukštos tinklo kokybės;
• Trifazio įtampos keitikliai, skirti trifaziams elektros tinklams;
• Įrenginiai su grynąja sinusoidė, gaminantys energiją jautresnei technikai;
• Tinkliniai keitikliai, galintys veikti be baterijų. Tokie įrenginiai skirti schemoms, kuriose elektros energija patenka tiesiai į bendrą tinklą.

Renkantis modelius būtina atkreipti dėmesį į keitiklio tipą.

Vėjo generatorių tipai

Klasifikuojant vėjo turbinas gali būti atsižvelgiama į tokias charakteristikas kaip:

• paskirtis;
• konstrukcinės ypatybės;
• menčių skaičius;
• medžiagos, iš kurių jos pagamintos;
• sukimosi ašis;
• sraigto žingsnis.

Detaliau panagrinėkime dvi dažniausiai naudojamas klasifikacijas.

Vėjo generatorių klasifikacija pagal paskirtį

Išskiriamos vėjo jėgainių rūšys, besiskiriančios paskirtimi. Nuo to priklauso ir pagrindinės įrenginių charakteristikos, pavyzdžiui, galia.

Pramoninės vėjo turbinos

Tokius įrenginius įrengia didelės energijos bendrovės arba valstybė, siekdamos tiekti elektrą pramoniniams objektams. Turbinos, kurių galia siekia dešimtis megavatų, paprastai išdėstomos vėjo ruožuose (atvirose aukštumose, pakrantėse).

Vėjo parkai, kuriuose įrengiama dešimtys vėjo turbinų, steigiami ne tik sausumoje, bet ir seklumose. Gaunama elektra paprastai naudojama pramoniniais tikslais.

Pagaminta elektros energija paprastai patenka tiesiai į tinklą, o siekiant stabilumo ir menčių sukimosi dažnio reguliavimo, vėjo turbinos aprūpinamos papildomais mechanizmais.

Komerciniai vėjo generatoriai

Tokie įrenginiai naudojami elektros energijai gaminti pardavimui arba elektra aprūpinti gamybas regionuose su silpnu elektros tinklu (arba visai be jo). Tokios vėjo jėgainės susideda iš elektros generatorių sankaupos, kurie gali turėti skirtingą galią.

Komercinių įrenginių energija gali patekti tiesiai į elektros komunikacijas arba būti naudojama didelio baterijų masyvo įkrovimui, kur ji kaupiama ir transformuojama tiekimui į energijos sistemą.

Buitiniai vėjo įrenginiai

Mažos galios agregatai naudojami privačiam naudojimui. Pagal taisykles, vėjo jėgainės su žemesniais nei 25 metrų stiebais gali būti įrengiamos sklypų savininkų be derinimo su valdžia, o aukštesniems stiebams reikia gauti specialų leidimą.

Vėjo jėgainės, turinčios mažą ir vidutinę galią, gali būti elektros energijos šaltinis kotedžams, vasarnamiams, užmiesčio namams, ūkiams

Buitiniai vėjo generatoriai tinka įkrauti 12/24/48 V įtampos baterijas, iš kurių energija transformuojama į 220 voltų įtampą. Tokie įrenginiai leidžia visiškai arba iš dalies išspręsti elektros energijos tiekimo problemą nedideliems objektams, esantiems toli nuo centralizuoto elektros tinklo.

Su vėjo generatoriaus pasirinkimo gairėmis, kad aprūpintumėte energija privatų namą, supažindins straipsnis, skirtas šiam įdomiam klausimui.

Vėjo jėgainių konstrukcijų atmainos

Pagal konstrukcines ypatybes įrenginius taip pat galima suskirstyti į keletą kategorijų, nors visos rūšys susiveda į du pagrindinius tipus: vertikalius ir horizontalius.

Klasikiniai horizontalūs vėjo generatoriai

Tokie įrenginiai (dar vadinami propeleriniais arba sparniniais) paprastai turi 3-5 mentes, sumontuotas ant horizontalios ašies. Sukdamiesi dideliu greičiu, tokie elementai leidžia gauti maksimalų energijos kiekį (KIEV iki 0,4).

Be to, pagamintos elektros energijos kiekis labai priklauso nuo įrenginio aukščio (kuo jis aukštesnis, tuo didesnis rezultatas).

Horizontalus vėjo generatorius naudoja kėlimo jėgą, kuri atsiranda didėjant slėgiui taške, kur tiesioginis oro srautas praeina pro mentes, atsispindėdamas nuo šių elementų

Tokie įrenginiai paprastai įrengiami vėjo parkuose, kur gaminama energija pramoniniam ir komerciniam naudojimui, tačiau jie tinka ir buitiniam naudojimui.

Įdomus horizontalaus vėjo jėgainės sprendimas yra modelis su viena mente, su jo ypatybėmis supažindins ši nuotraukų rinktinė:

Vertikaliosios vėjo turbinos

Tokių įrenginių veikiančiu elementu yra besisukantis vėjo ratas. Dėl konstrukcinių ypatumų tokios konstrukcijos skiriasi tipais („Statinaitė“, „Savonijus“).

Su vertikalaus Savonijaus generatoriaus turbinos įrenginio principu supažindins ši nuotraukų rinktinė:

Nepaisant žemo KIEV rodiklio (0,1–0,2), jie gana plačiai taikomi: vertikalieji įrenginiai veikia turbulentiniuose oro srautuose, todėl juos galima statyti net rajonuose, kur retai pučia stiprūs vėjai.

Vertikalių vėjo generatorių darbas nepriklauso nuo vėjų krypties. Jie yra paprasti montuoti ir eksploatuoti, be to, tokius įrenginius galima statyti arti žemės.

Siekiant padidinti vertikalių vėjo jėgainių efektyvumą, gamintojai dažnai didina jų matmenų parametrus, o tai lemia reikšmingą sąnaudų padidėjimą. Kadangi tokie įrenginiai yra gana trapūs, jiems reikalinga didesnė apsauga nuo uraganų ir kitų gamtos reiškinių.

Vėjo generatoriai „Darjė rotorius“

Tokie įrenginiai priskiriami vertikalių vėjo turbinų kategorijai, tačiau jų konstrukcija turi ryškių skirtumų. Dėl šių ypatumų pasiekiamas mažesnis triukšmas, o taip pat padidėja KIEV, kuris artėja prie horizontalių modelių rodiklių.

1931 metais prancūzų aviakonstruktoriaus Georges Darjė pasiūlyta žemo slėgio turbina, kurios sukimosi ašis statmena oro srautui, plačiai pritaikyta vėjo energetikoje.

Tokių konstrukcijų trūkumas yra mažas startinis momentas (dėl tik dviejų menčių įrenginiui sunku pradėti suktis savarankiškai). Problemai spręsti dažnai naudojamas hibridas „Savonijus + Darjė“.

Burinės vėjo jėgainės

Tokioms jėgainėms gali būti taikomas tiek vertikalių, tiek horizontalių vėjo turbinų principas. Pagrindinis konstrukcijos bruožas yra vėjo ratas, padengtas daugybe menčių ar burių, be aerodinaminio profilio.

Egzistuoja daugybė burinių vėjo generatorių modelių, kurie skiriasi menčių skaičiumi, svoriu, galia. Visus šiuos parametrus reikėtų įvertinti renkantis įrenginį.

Nors burinės jėgainės pasižymi lėtaeigiškumu ir nedideliu efektyvumu, jos dažnai naudojamos ūkyje. Tokios konstrukcijos yra lengvai montuojamos ir eksploatuojamos, o didelio sukimo momento derinys su mažais sūkiais leidžia tiesiogiai varyti įvairius naudingus mechanizmus, pavyzdžiui, vandens siurblius.

Su vienu iš praktiškai įgyvendintų burinių vėjo turbinų modelių supažindins ši galerija:

Generatorius vėjo turbinai

Vėjo malūnų veikimui reikalingi įprasti trifaziai generatoriai. Tokių įrenginių konstrukcija panaši į automobiliuose naudojamus modelius, tačiau turi didesnius parametrus.

Vėjo turbinų prietaisuose numatyta trifazė statoriaus apvija („žvaigždės“ tipo jungtis), iš kurios išeina trys laidai, einantys į valdiklį, kur kintamoji įtampa transformuojama į pastoviąją.

Vėjo turbinos generatoriaus rotorius gaminamas ant neodimio magnetų: tokiose konstrukcijose nėra tikslinga naudoti elektrinį sužadinimą, nes ritė sunaudoja daug energijos.

Norint padidinti apsisukimus, dažnai naudojamas multiplikatorius. Toks prietaisas leidžia padidinti esamo generatoriaus galią arba naudoti mažesnį įrenginį, taip sumažinant įrengimo kainą.

Multiplikatoriai dažniau naudojami vertikaliuose vėjo generatoriuose, kuriuose vėjo rato sukimosi procesas vyksta lėčiau. Horizontaliesiems įrenginiams su dideliu menčių sukimosi greičiu multiplikatoriai nereikalingi, o tai supaprastina ir atpigina konstrukciją.

Vėjo generatoriaus surinkimo ir montavimo specifika iš skalbimo mašinos ir vėjo įrenginio iš automobilinio generatoriaus išsamiai aprašyta mūsų rekomenduojamuose straipsniuose.

Vėjo generatoriaus privalumai ir trūkumai

Išsamiai aptarsime vėjo turbinų privalumus ir trūkumus, nes būtent nuo jų priklauso sprendimas įsigyti vėjo jėgainę ar jos atsisakyti.

Vėjo įrenginių pranašumai

Prie vėjo energiją naudojančių įrenginių privalumų priskiriami:

• Ekologiškumas. Įrenginiai naudoja atsinaujinančios energijos šaltinį, kuriuo galima naudotis nuolat, nekenkdami aplinkai. Vėjo generatorių pagaminta elektra pakeičia šiluminių elektrinių energiją, sumažindama šiltnamio dujų išmetimą.
• Universalumas. Vėjo elektrines galima statyti beveik visur: lygumose, kalnuose, laukuose, salose ir net sekliuose vandenyse. Vėjo energija ypač vertinama atokiose vietose, kur sunku nutiesti įprastas elektros komunikacijas. Tokiu atveju vėjo generatoriai leidžia organizuoti objektų energijos tiekimą, užtikrinant jo nepriklausomybę nuo atsitiktinių veiksnių (pavyzdžiui, nuo laiku nepristatyto kuro).
• Naudojimo efektyvumas. Šiuolaikiniai modeliai perdirba net silpnų vėjų energiją – minimali riba yra 3,5 m/s. Tokiu būdu galima tiekti papildomą elektros energiją į centralizuotą tinklą, taip pat organizuoti atskirų objektų (salinių ar vietinių) elektros tiekimą, nepriklausomai nuo jų galios.
• Vertinga alternatyva tradiciniams šaltiniams. Stacionarios vėjo elektrinės gali visiškai aprūpinti elektra gyvenamąjį namą ar net nedidelį gamybinį objektą. Tokiu atveju turbina akumuliatoriuose kaups reikiamą elektros energijos atsargą, skirtą naudoti bevėjais laikotarpiais.
• Ekonomiškumas. Palyginti su tradiciniais elektros energijos šaltiniais (dujos, durpės, akmens anglis, nafta), vėjo turbinos leidžia žymiai sumažinti energijos sąnaudas. Daugeliu atvejų vėjo elektrinės statyba yra pigesnė nei prisijungimas prie esamų energetinių sistemų.

Vėjo jėgainių naudojimas gali būti alternatyva brangiems dyzeliniams generatoriams, papildomai sumažinant degalų transportavimo ir saugojimo išlaidas iki 80%.

Vėjo turbinos vidutinė galia daug kartų skiriasi nuo didžiausios apkrovos rodiklio. Vėjo generatorius atsako tik už energijos gamybos kiekį per tam tikrą laiko tarpą esant vidutiniam mėnesio vėjo greičiui, būdingam tai vietovei.

Norint tiksliau įvertinti vėjo išteklius, galima naudoti specialiai išvestus duomenis (Veibulo parametrus). Šie rodikliai atspindi konkrečiai vietovei būdingą skirtingo stiprumo vėjų pasiskirstymą. Panašią informaciją svarbu atsižvelgti rengiant vėjo parkų projektus, kurių galia siekia dešimtis MW.

Vėjo turbinos gaminama galia yra proporcinga trigubai vėjo greičiui. Vadinasi, šis rodiklis yra labai mažas esant silpniems vėjo srautams, tačiau jiems stiprėjant – staigiai išauga. Dėl vėjo krypties ir greičio nepastovumo, projektuojant vėjo turbiną, būtina numatyti stabilizuojančius komponentus.

Vėjo generatoriaus galios skaičiavimo taisyklės ir formulės pateikiamos čia, rekomenduojame susipažinti su labai naudinga informacija.

Mažose autonominėse sistemose jų funkciją atlieka baterijos, kurių įkrovimas pradeda didėti, kai tik vėjo generatoriaus galia viršija apkrovos rodiklį.

Didėjant apkrovai, baterija gali išsikrauti. Šią darbo ypatybę svarbu įvertinti renkantis buitinį agregatą, jo galia turi atitikti mėnesio ar metinę elektros energijos suvartojimo normą.

Reikia pažymėti, kad efektyvų vėjo srautų naudojimą skatina vėjo generatorių konstrukcijų įvairovė.

Horizontalios turbinos duoda aukštus rodiklius lygumų vietose, kur daug vėjų, o vertikalios turbinos geriau veikia regionuose su turbulentiniais srautais, stebimais žemai nuo žemės (kalvų viršutinėje dalyje, kalnų grandinėse).

Pagrindiniai vėjo jėgainių trūkumai

Tuo pačiu metu vėjo jėgainės turi ir savo neigiamų pusių:

• Vėjo jėgos dydį sunku iš anksto nuspėti, nes ji dažnai keičiasi. Dėl to pageidautina apgalvoti atsarginį planą, numatant dubliuojantį energijos šaltinį (saulės baterijas, prijungimą prie elektros tinklo).
• Vertikalūs įrenginiai yra pavojuje, kad sraigto mentės sunaikinamos dėl išcentrinių jėgų poveikio mentėms sukantis aplink pagrindinę ašį. Dėl tokio poveikio svarbūs konstrukcijos elementai laikui bėgant deformuojasi ir sunaikinami, o mechanizmas sugenda.
• Vėjo jėgaines geriau montuoti atviroje erdvėje, nes šalia esantys pastatai gali „gesinti“ vėją, sudarydami „negyvą“ oro zoną.
• Norint išsaugoti perteklinę vėjo turbinų energiją, konstrukcijoje būtina numatyti akumuliatorių ir kitų papildomų prietaisų, skirtų gautai elektrai paversti tinkamomis vartotojų charakteristikomis srove, naudojimą.
• Vėjo generatoriai darbo metu skleidžia triukšmą, kuris gali sukelti diskomfortą žmonėms, baidyti gyvūnus. Įrenginių mentės taip pat gali tapti priežastimi, dėl kurios žūsta prie jų prisiartinę paukščiai.
• Kai kurių specialistų nuomone, vėjo turbinos gali pabloginti radijo ir televizijos laidų priėmimą.

Prie neigiamų aspektų taip pat galima priskirti gana aukštą tokių agregatų kainą, tačiau energijos šaltinio pigumas iš esmės neutralizuoja šį veiksnį.

Prijungimo schemos ir būdai

Nors vėjo įrenginys gali veikti ir autonomiškai, žymiai geresnio rezultato pavyksta pasiekti naudojant kombinuotas schemas, numatančias vėjo įrenginio derinimą su saulės baterijomis, centralizuotu elektros tinklu, dyzeliniais ar dujiniais energijos šaltiniais.

Autonominis darbas. Šiuo atveju įrengiamas vienas įrenginys, kuriuo sugaunama ir kaupiama vėjo energija, kuri vėliau paverčiama vartotojams reikalinga elektros srove.

Schemoje pademonstruotas paprasčiausias vėjo generatoriaus naudojimo būdas, kurį tikslinga taikyti regionuose, kur nuolat pučia stiprūs vėjai.

Vėjo generatoriaus derinimas su saulės baterijomis. Kombinuotas variantas laikomas patikimu ir efektyviu elektros tiekimo būdu. Esant vėjo nebuvimui, akumuliatorius veikia iš saulės baterijų, o debesuotu oru ir naktį įkrovimas vyksta iš vėjo įrenginio.

Idealus variantas privačiam namui ar ūkiui, esančiam toli nuo centralizuoto elektros tinklo. Tokia kombinuota schema leidžia naudoti du atsinaujinančios energijos tipus.

Vėjo generatoriaus ir elektros tinklo kombinuotas darbas. Vėjo turbiną galima derinti su elektros komunikacijomis.

Tokia schema būdinga pramoniniams ir komerciniams įrenginiams. Prijungimą prie elektros komunikacijų numato ir kai kurie buitinių vėjo generatorių modeliai.

Esant pagamintos elektros pertekliui, ji patenka į centralizuotą tinklą, o esant jos trūkumui, yra galimybė naudotis elektros srove iš bendros energijos sistemos.

Vėjo generatorių naudojimo niuansai

Šiuo metu vėjo turbinos naudojamos įvairiose ūkio srityse. Skirtingos galios pramoniniai modeliai naudojami naftos ir dujų, telekomunikacijų bendrovių, gręžimo ir geologinių tyrinėjimo stočių, gamybos objektų ir valstybės įstaigų.

Vėjo jėgainė gali būti naudojama kaip papildomas energijos šaltinis ligoninėse ir kitose įstaigose, kad avarinėse situacijose būtų užtikrintas nepertraukiamas elektros energijos tiekimas.

Ypač reikėtų pažymėti vėjo jėgainių svarbą greitai atkurti sutrikusį elektros tiekimą kataklizmų ir stichinių nelaimių metu. Šiuo tikslu vėjo generatorius dažnai naudoja Ekstremalių situacijų ministerijos padaliniai.

Buitinės vėjo turbinos puikiai tinka apšvietimo ir šildymo organizavimui kotedžų gyvenvietėse ir privačiuose namuose, taip pat ūkiniams tikslams fermose.

Taip pat reikėtų atsižvelgti į keletą momentų:

• Prietaisai iki 1 kW gali duoti pakankamą elektros energijos kiekį tik vėjuotose vietose. Paprastai jų pagamintos energijos pakanka tik LED apšvietimui ir mažų elektroninių prietaisų maitinimui.
• Norint visiškai aprūpinti elektrą sodybą (kaimo namą), reikės vėjo generatoriaus, kurio galia viršija 1 kW. Tokio rodiklio pakanka apšvietimo prietaisams, taip pat kompiuteriui ir televizoriui maitinti, tačiau jo galios nepakanka, kad aprūpintų elektrą visą parą veikiantį modernų šaldytuvą.
• Norint aprūpinti energija kotedžą, reikės vėjo jėgainės, kurios galia 3–5 kW, tačiau net tokio rodiklio nepakaks namų šildymui. Norint pasinaudoti tokia funkcija, reikia galingo varianto, pradedant nuo 10 kW.

Renkantis modelį reikėtų atsižvelgti, kad įrenginyje nurodyta galia pasiekiama tik esant maksimaliam vėjo greičiui. Pavyzdžiui, 300 W galios įrenginys gamins nurodytą energijos kiekį tik esant 10–12 m/s oro srautų greičiui.

Norintiems pasigaminti vėjo generatorių savo rankomis siūlome šį straipsnį, kuriame išsamiai pateikta naudinga informacija.

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Toliau pateiktame vaizdo įraše pateikiama išsami informacija apie buitinio vėjo generatoriaus modelio veikimo principą ir įrenginį:

Vėjo generatorius yra puikus elektros energijos gamybos šaltinis, kurį ypač įvertins atokių vietovių gyventojai. Įvairios Rusijos ir užsienio įmonės siūlo platų vėjo konstrukcijų asortimentą, be to, buitinius modelius galima pasigaminti ir savo rankomis.

Rašykite komentarus žemiau esančiame bloke. Papasakokite, kaip statėte vėjo generatorių savo sklype, arba kaip veikia vėjo jėgainė pas jūsų kaimynus. Užduokite klausimų, dalinkitės naudinga informacija ir nuotraukomis šia tema.