Kinetisk vindgenerator: enhet, funktionsprincip, tillämpning

En modern kinetisk vindgenerator låter dig dra fördel av kraften i luftströmmar och omvandla den till elektricitet.För detta ändamål finns det fabrikstillverkade och hemgjorda modeller av enheter som används både inom industrin och i privata hushåll.

Vi kommer att berätta hur vindturbiner av denna typ är designade och introducerar dig för funktionerna hos enheten och designalternativ. Artikeln vi har föreslagit visar styrkorna och svagheterna hos ett vindkraftverk. Gör-det-själv-are hittar användbara diagram och monteringsrekommendationer här.

Vindgeneratorns funktionsprincip

Driften av en vindgenerator baseras på omvandlingen av vindens kinetiska energi till rotorns mekaniska energi, som sedan omvandlas till elektricitet.

Funktionsprincipen är ganska enkel: rotationen av bladen som är fästa vid enhetens axel leder till cirkulära rörelser hos rotorgeneratorn, vilket genererar elektricitet.

Vindenergi är en av de mest lovande sektorerna för förnybar energi. Modern design gör det möjligt att kostnadseffektivt utnyttja kraften från luftströmmar och använda den för att generera elektricitet

Den resulterande instabila växelströmmen "töms" in i styrenheten, där den omvandlas till likspänning som kan ladda batterierna. Därifrån tillförs strömmen till växelriktaren, där den omvandlas till en växelspänning med en indikator på 220/380 V, som tillförs konsumenterna.

Effekten hos en vindgenerator beror direkt på kraften hos luftflödet (N), beräknat enligt formeln N=pSV³/2, där V är vindhastigheten, S är arbetsytan, p är luftdensiteten.

Vindgeneratoranordning

Olika versioner av vindgeneratorer skiljer sig avsevärt från varandra.

Diagrammet nedan visar den interna strukturen hos en klassisk horisontell vindgenerator. Sådana modeller används oftast både i industrin och i vardagen.

Industriella enheter är en komplex multimeterstruktur, vars installation kräver en grund, medan en hushållsmodell kan bestå av ett minimum av komponenter (DC elmotor 3-12V, elektrisk kondensator 1000 uF 6V, kisellikriktardiod).

En typisk installation innehåller följande komponenter:

• växelströmsgenerator (kraften beror på vindflödenas hastighet);
• blad som överför rotation till generatoraxeln (ofta är de dessutom utrustade med växellådor och rotorhastighetsstabilisatorer);
• väderkvarnsmasten som bladen är fästa vid (ju högre dessa element är, desto mer vindenergi kan de ta emot);
• batterier som lagrar energi, vilket gör att den kan användas när det är lite eller inget vindflöde. Batteriet utför också funktionen att stabilisera den elektriska energin som tillförs från generatorn;
• controller - omvandlare av växelspänning mottagen från generatorn till likspänning, som används för att ladda batteriet. Regulatorn styrs genom att vrida bladen, vilket gör att du kan ta hänsyn till var luftflödena rör sig;
• AVR är en automatisk omkopplingsenhet som ansluter vindgeneratorn med andra energikällor (solpaneler, elnät);
• vindriktningssensor - en anordning som gör det lättare för bladen att hitta vindflödet;
• en växelriktare för omvandling av likström från batterier till växelspänning, som används i elektrisk kommunikation.

För att bättre möta användarnas behov kan enheten utrustas med olika typer av växelriktare:

• enheter med en invertermodifierad sinusvåg som producerar en fyrkantssinusvåg. Enheter av denna typ är lämpliga för värmeelement, glödlampor och andra enheter som inte kräver nätverkskvalitet;
• trefas spänningsomvandlare designade för trefasiga elektriska nätverk;
• rena sinusvågsenheter som producerar energi för känsligare utrustning;
• nätverksomriktare som kan fungera utan batterier. Sådana enheter är utformade för kretsar som involverar elektrisk energi som kommer in direkt i det allmänna nätverket.

När du väljer modeller, se till att vara uppmärksam på typen av växelriktare.

Typer av vindgeneratorer

Vid klassificering av vindkraftverk kan följande egenskaper beaktas:

• utnämning;
• design egenskaper;
• antal blad;
• de material som de är gjorda av;
• rotationsaxel;
• propellerstigning.

Låt oss ta en närmare titt på de två vanligaste klassificeringarna.

Klassificering av vindkraftverk efter ändamål

Det finns typer av vindkraftverk som skiljer sig åt i syfte. Huvudegenskaperna hos enheter, till exempel kraft, beror på detta.

Industriella vindkraftverk

Sådana enheter installeras av stora energiföretag eller staten för att leverera el till industrianläggningar.Turbiner, med en kapacitet på tiotals megawatt, är vanligtvis placerade i vindområden (öppna kullar, kuster).

Vindkraftsparker, där dussintals vindkraftverk är installerade, ligger inte bara på land utan också på grunt vatten. Den resulterande elektriciteten används vanligtvis för industriella ändamål

Den genererade elektriciteten går som regel direkt in i nätverket, medan vindkraftverken är utrustade med ytterligare mekanismer för stabilitet och reglering av bladens rotationshastighet.

Kommersiella vindgeneratorer

Sådana installationer används för att generera el för försäljning eller för att tillhandahålla el till produktion i regioner med ett elnät med låg effekt (eller inget elnät alls). Sådana vindkraftverk består av ett kluster av elektriska generatorer, som kan ha olika kapacitet.

Energi från kommersiella installationer kan matas direkt till elverk eller användas för att ladda ett stort antal batterier, där den lagras och omvandlas för att mata nätet.

Vindapparater för hushåll

Lågeffektenheter används för privat bruk. Enligt reglerna får vindkraftverk med master mindre än 25 meter höga installeras av markägare utan godkännande från myndigheterna, för högre master måste särskilt tillstånd inhämtas.

Väderkvarnar med låg och medelhög effekt kan fungera som en källa till elektrisk energi för stugor, dachas, hus på landet och gårdar

Hushållsvindgeneratorer är lämpliga för laddning av batterier med en spänning på 12/24/48V, vars energi omvandlas till en spänning på 220 volt.Sådana enheter gör det möjligt att helt eller delvis lösa problemet med strömförsörjning till små föremål som är belägna långt från det centraliserade elnätet.

Med riktlinjer för att välja en vindgenerator för att ge energi till ett privat hem Läs artikelntillägnad denna intressanta fråga.

Typer av vindturbinkonstruktioner

Baserat på deras designfunktioner kan enheter också delas in i ett antal kategorier, även om alla sorter kommer ner till två huvudtyper: vertikal och horisontellt.

Klassiska horisontella vindkraftverk

Sådana installationer (de kallas även propeller eller vinge) har vanligtvis 3-5 blad monterade på en horisontell axel. Genom att rotera med hög hastighet låter sådana element dig få den maximala mängden energi (KIEV upp till 0,4).

Dessutom beror mängden el som genereras till stor del på enhetens höjd (ju högre den är, desto större blir resultatet).

En horisontell vindturbin använder lyft, vilket uppstår när trycket ökar vid den punkt där direkt luftflöde passerar genom bladen och reflekteras från dessa element.

Dessa enheter installeras vanligtvis i vindkraftsparker där energi genereras för industriell och kommersiell användning, men de är också lämpliga för hushållsbruk.

En intressant lösning för en horisontell väderkvarn är en modell med ett blad; följande urval av bilder kommer att bekanta dig med dess funktioner:

Vertikala vindkraftverk

Driftselementet för sådana installationer är ett roterande vindhjul. På grund av deras designegenskaper skiljer sig sådana strukturer efter typ ("Barrel", "Savonius").

Följande bildval introducerar dig till principen för Savonius vertikalgeneratorturbin:

Trots det låga KIEV-indexet (0,1-0,2) används de i stor utsträckning: vertikala installationer arbetar på turbulenta luftflöden, så de kan placeras även i områden där starka vindar sällan blåser.

Driften av vertikala vindgeneratorer beror inte på vindriktningen. De är lätta att installera och använda, och sådana enheter kan installeras nära marken

För att förbättra effektiviteten hos vertikala vindturbiner ökar tillverkarna ofta sina dimensionella parametrar, vilket leder till en betydande kostnadsökning. Eftersom sådana installationer är ganska ömtåliga kräver de ökat skydd mot orkaner och andra naturfenomen.

Vindgeneratorer "Rotor Daria"

Sådana enheter tillhör kategorin vertikala vindturbiner, men har uttalade skillnader i design. Tack vare sådana funktioner uppnås brusreducering, och KIEV ökar också, vilket närmar sig prestanda hos horisontella modeller.

En lågtrycksturbin med en rotationsaxel vinkelrät mot luften, som föreslogs 1931 av den franske flygplansdesignern Georges Darrieus, har fått bred användning inom vindenergi.

Nackdelen med sådana konstruktioner är det låga startmomentet (på grund av närvaron av endast två blad är det svårt för enheten att starta på egen hand). För att lösa problemet används ofta hybriden "Savonius + Darier".

Segelvindsanläggningar

För sådana installationer kan principen att bygga både vertikala och horisontella vindkraftverk användas. Den huvudsakliga designfunktionen är ett vindhjul täckt med många blad eller segel, medan sådana modeller inte har en aerodynamisk profil.

Det finns många modeller av vindkraftsgeneratorer som skiljer sig åt i antal blad, vikt och effekt. Alla dessa parametrar bör beaktas när du väljer en enhet

Trots att segelanläggningar kännetecknas av låg hastighet och låg effektivitet, används de ofta i samhällsekonomin.Sådana konstruktioner är lätta att installera och använda, och kombinationen av högt vridmoment och låg hastighet gör att du direkt kan driva olika användbara mekanismer, till exempel en pump för att pumpa ut vatten.

Följande galleri kommer att introducera dig till en av modellerna av seglande vindturbiner som implementeras i praktiken:

Generator för vindkraftverk

Vindkraftverk kräver konventionella trefasgeneratorer för att fungera. Utformningen av sådana enheter liknar modeller som används på bilar, men har större parametrar.

Vindturbininstrument har en trefas statorlindning (stjärnanslutning), från vilken tre ledningar kommer ut och går till styrenheten, där växelspänningen omvandlas till likspänning.

Generatorrotorn för en vindturbin är gjord av neodymmagneter: i sådana konstruktioner är det olämpligt att använda elektrisk excitation, eftersom spolen förbrukar mycket energi

En multiplikator används ofta för att öka omsättningen.Denna enhet låter dig öka kraften hos den befintliga generatorn eller använda en mindre enhet, vilket minskar installationskostnaderna.

Multiplikatorer används oftare i vertikala vindgeneratorer, där processen att rotera vindhjulet är långsammare. För horisontella enheter med höga bladrotationshastigheter krävs inte multiplikatorer, vilket förenklar och minskar kostnaden för designen.

Specifikationer för montering och installation av vindgeneratorer från tvättmaskinen och vindkraftverk från en bilgenerator beskrivs i detalj i de artiklar som vi rekommenderar.

För- och nackdelar med en vindgenerator

Låt oss överväga i detalj fördelarna och nackdelarna med vindkraftverk, eftersom beslutet att köpa ett vindturbin eller överge det beror på dem.

Fördelar med vindanordningar

Fördelarna med enheter som använder vindenergi inkluderar:

• Miljövänlighet. Anläggningarna använder en förnybar energikälla som kan användas kontinuerligt utan att skada miljön. El som genereras av vindkraftverk ersätter energin från värmekraftverk, vilket minskar utsläppen av växthusgaser.
• Mångsidighet. Vindkraftverk kan byggas nästan överallt: på slätter, i berg, på fält, på öar och till och med i grunt vatten. Vindenergi är särskilt värdefull på avlägsna platser där det är svårt att utöka konventionell elektrisk kommunikation. Vindgeneratorer i detta fall gör det möjligt att upprätta en energiförsörjning för objekt, vilket säkerställer dess oberoende från slumpmässiga faktorer (till exempel bränsle som inte levereras i tid).
• Användningseffektivitet. Moderna modeller bearbetar energin från även svaga vindar - minimigränsen är 3,5 m/s.På detta sätt är det möjligt att leverera ytterligare el till det centraliserade nätet, samt organisera strömförsörjning till enskilda objekt (ö eller lokal) oavsett deras ström.
• Ett värdigt alternativ till traditionella källor. Stationära vindkraftverk kan helt och hållet ge el till ett bostadshus eller till och med en liten industrianläggning. I detta fall kommer turbinen att ackumulera den nödvändiga tillgången på el i batterier, avsedda för användning under lugna perioder.
• Ekonomisk. Jämfört med traditionella källor för elektrisk energi (gas, torv, kol, olja) kan cykelturbiner minska energikostnaderna avsevärt. I många fall är det billigare att bygga en vindkraftspark än att ansluta till befintliga kraftsystem.

Användningen av vindkraftverk kan vara ett alternativ till användningen av dyra dieselgeneratorer, vilket ytterligare minskar kostnaderna för transport och lagring av bränsle med upp till 80 %.

Medeleffekten för ett vindturbin skiljer sig flera gånger från topplasten. En vindgenerator ansvarar endast för mängden energi som produceras under en viss tidsperiod vid den genomsnittliga månatliga vindhastigheten som är karakteristisk för ett givet område.

För en mer exakt bedömning av vindresurserna kan du använda speciellt härledda data (Weibull-parametrar). Dessa indikatorer återspeglar fördelningen av vindar med olika styrkor som är karakteristiska för ett visst område. Det är viktigt att ta hänsyn till sådan information när man utvecklar vindkraftsprojekt med en kapacitet på tiotals MW.

Effekten som genereras av ett vindturbin är proportionell mot tredubbla vindhastigheten.Följaktligen är denna indikator mycket liten när vindflödena är svaga, men när de intensifieras ökar den kraftigt. På grund av variationen i vindriktning och hastighet måste stabiliserande komponenter ingå i konstruktionen av ett vindturbin.

Regler och formler för beräkning av vindkraft ges här, rekommenderar vi att du bekantar dig med den mycket användbara informationen.

I små autonoma system utförs deras funktion av batterier, vars laddning börjar öka så snart vindgeneratorns kraft överstiger belastningen.

När belastningen ökar kan batteriet laddas ur. Det är viktigt att ta hänsyn till denna funktion när du väljer en hushållsenhet; dess effekt måste matcha den månatliga eller årliga elförbrukningen

Det bör noteras att den effektiva användningen av vindflöden underlättas av en mängd olika vindgeneratorkonstruktioner.

Horisontella turbiner fungerar bra i platta områden där det blåser mycket, medan vertikala turbiner fungerar bättre i regioner med turbulenta flöden som finns lågt till marken (övre kullar, bergskedjor).

De största nackdelarna med vindkraftverk

Samtidigt har vindkraftverk också sina negativa sidor:

• Storleken på vindstyrkan är svår att förutsäga i förväg, eftersom den ändras ofta. På grund av detta är det tillrådligt att överväga ett skyddsnät genom att tillhandahålla en reservenergikälla (solpaneler, anslutning till det elektriska nätverket).
• Vertikala enheter riskerar att förstöra propellerbladen på grund av effekterna av centrifugalkrafter när bladen roterar runt huvudaxeln. Som ett resultat av denna effekt deformeras och förstörs viktiga strukturella element med tiden, och mekanismen misslyckas.
• Det är bättre att installera vindkraftverk i ledigt utrymme, eftersom närliggande byggnader kan "dämpa" vinden och bilda en "död" luftzon.
• För att spara överskottsenergi från vindkraftverk är det nödvändigt att i konstruktionen inkludera användningen av batterier och andra ytterligare enheter som tjänar till att omvandla den genererade elektriciteten till ström med lämpliga konsumentegenskaper.
• Vid drift avger vindkraftverk buller som kan orsaka obehag för människor och skrämma bort djur. Anläggningarnas blad kan också orsaka dödsfall för fåglar som flyger mot dem.
• Enligt vissa experter kan vindkraftverk försämra mottagningen av radio- och tv-sändningar.

Negativa aspekter kan också inkludera den ganska höga kostnaden för sådana enheter, men den låga kostnaden för energikällan uppväger till stor del denna faktor.

Kopplingsscheman och metoder

Även om ett vindkraftverk kan fungera autonomt, kan mycket bättre resultat uppnås med kombinerade system som kombinerar ett vindturbin med solpaneler, ett centraliserat kraftnät, diesel- eller gasenergikällor.

Autonom drift. I det här fallet installeras en enda installation, med hjälp av vilken vindenergi fångas upp och ackumuleras, som sedan omvandlas till den elektriska ström som konsumenterna behöver.

Diagrammet visar det enklaste sättet att använda en vindgenerator, som är tillrådlig att använda i regioner där starka vindar ständigt blåser

Kombinera en vindgenerator med solpaneler. Det kombinerade alternativet anses vara en pålitlig och effektiv metod för strömförsörjning. Om det inte blåser går batteriet på solpaneler, och i molnigt väder och under natten sker laddning från ett vindkraftverk.

Ett idealiskt alternativ för ett privat hem eller en gård som ligger långt från ett centraliserat elnät. Detta kombinerade system tillåter användning av två typer av förnybar energi

Kombinerad drift av en vindgenerator och elnät. Ett vindkraftverk kan kombineras med elektrisk kommunikation.

Detta arrangemang är typiskt för industriella och kommersiella anordningar. Anslutning till elektrisk kommunikation tillhandahålls också för vissa modeller av hushållsvindgeneratorer

Om det finns ett överskott av producerad el går den till det centraliserade nätet och om det blir brist går det att använda elektrisk ström från det allmänna energisystemet.

Nyanser av att använda vindgeneratorer

För närvarande används vindkraftverk inom olika sektorer av den nationella ekonomin. Industriella modeller med varierande kapacitet används av olja och gas, telekommunikationsföretag, borr- och geologiska prospekteringsstationer, produktionsanläggningar och statliga myndigheter.

Vindkraftverket kan användas som en extra energikälla på sjukhus och andra institutioner för att säkerställa kontinuerlig strömförsörjning i nödsituationer

Särskilt anmärkningsvärt är vikten av att använda vindkraftverk för att snabbt återställa skadad elektricitet under katastrofer och naturkatastrofer. För detta ändamål används ofta vindgeneratorer av enheter inom ministeriet för nödsituationer.

Hushållsvindkraftverk är perfekta för att organisera belysning och värme i stugsamhällen och privata hus, samt för ekonomiska ändamål på gårdar.

Det finns några punkter att tänka på:

• Enheter upp till 1 kW kan ge en tillräcklig mängd el endast på blåsiga platser.Normalt räcker energin de genererar bara för att driva LED-belysning och driva små elektroniska enheter.
• För att fullt ut tillhandahålla el till en dacha (lantgård) behöver du en vindgenerator med en effekt på över 1 kW. Denna indikator räcker för att driva belysningsarmaturer, såväl som en dator och en TV, men dess kraft räcker inte för att leverera el till ett modernt kylskåp som fungerar dygnet runt.
• För att ge energi till en stuga behöver du ett vindkraftverk med en kapacitet på 3-5 kW, men även denna siffra räcker inte för att värma hus. För att använda denna funktion behöver du ett kraftfullt alternativ, från 10 kW.

När du väljer en modell bör du ta hänsyn till att effektindikatorn som anges på enheten endast uppnås vid maximal vindhastighet. Således kommer en 300V installation att producera den specificerade mängden energi endast vid en luftflödeshastighet på 10-12 m/s.

För dem som vill bygga en vindgenerator med egna händer erbjuder vi nästa artikel, som ger användbar information i detalj.

Slutsatser och användbar video om ämnet

Videon nedan ger detaljerad information om funktionsprincipen och designen av en hushållsmodell av en vindgenerator:

En vindgenerator är en utmärkt källa till elektrisk energiproduktion, vilket kommer att uppskattas särskilt av invånare i avlägsna områden. Olika ryska och utländska företag erbjuder ett brett utbud av vindstrukturer; dessutom kan hushållsmodeller göras med dina egna händer.

Skriv gärna kommentarer i blocket nedan. Berätta om hur du byggde ett vindkraftverk på din fastighet, eller om hur dina grannars vindkraftverk fungerar.Ställ frågor, dela användbar information och bilder om ämnet.