В статье рассмотрено принцип работы и конструктивные особенности исполнения современных ветрогенераторов для промышленности и частного сектора.
С давних времен человечество старается укротить ветер, поставив его себе на службу. Сначала были корабли парусники, использующие для своего движения энергию ветра, далее в быту началось использование ветряных мельниц, ну а сейчас пришло время использования энергии ветра в ветровых электрогенераторах для выработки электрической энергии, служащей людям.
За рубежом достаточно большая часть электричества вырабатывается ветровыми электрическими станциями (ВЭС), чего, что греха таить, не скажешь о России и странах постсоветского пространства. Здесь явно – мы среди отстающих.
Использование ВЭС в развитых странах мира, позволяет решать не лишь проблемы автономного энергоснабжения коттеджей, загородных домов, дачных сообществ, но и проблемы экологические, поскольку загрязнения окружающей среды при выработке электроэнергии современными ветроэлектростанциями вообще нет.
Рассмотрим принцип работы и более подробно основные типы современных ветровых электрических станций.
Принцип работы ветровых электрогенераторов
Принцип работы любой ветроэнергетической установки (ВЭУ) состоит в преобразовании кинетической энергии воздушного потока, движущегося через плоскость лопастей или турбин в энергию электрическую – посредством использования электрогенераторов. Наиболее распространенным типом современной ветроэлектростанции являются крыльчатые ВЭС, объединяющие в себе крыльчатые ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и ветрогенераторы карусельные, у которых – ось вращения расположена вертикально. Эти то типы ветрогенераторов мы и рассмотрим ниже более подробно.
Конструктивное исполнение основных типов ветрогенераторов
Любой ветроэлектрогенератор конструктивно состоит из основания, иначе называемого мачтой, поворотного устройства с вращающимися на нем лопастями или ветровой турбиной, генератора – вырабатываемого электроэнергию и блока аккумуляторных батарей. Также в любой ВЭС, обязательно наличие блока управления и преобразования.
Относительно количества лопастей, то турбины ВЭС могут быть двух, трех и многолопастными. Наибольшее распространение получили трехлопастные турбины. Для предотвращения преждевременного выхода со строя турбин ветрогенераторов, установки ВЭС оснащаются системой аэромеханической стабилизации частоты вращения их лопастей.
Электрогенератор, вырабатывающий в ВЭС электроэнергию – соединен с ее турбиной напрямую, когда ось вращения ветровой турбины и генератора одна, или же посредством механической трансмиссии, передающей вращательные движения лопастей турбины на электрогенератор. В современных ветроэлектростанциях, преимущественно используют синхронные многополюсные, бесщеточные генераторы с постоянными магнитами, которые конструктивно выполнены в полностью закрытом корпусе, и из стандартных элементов.
В зависимости от направления и «напора» воздушного потока на лопасти турбины, она может посредством поворотного механизма установки, переориентироваться в оптимальном для ее эффективной работы, направлении.
Функционально, блок управления и преобразования электроэнергии предназначен для накопления выработанной ветровой электроустановкой электрической энергии в ее аккумуляторных батареях с последующим ее преобразованием из напряжения 12В постоянного тока, в напряжение переменного тока 220В – посредством «инвертора».
Блок управления, также дает возможность контролировать и управлять процессом зарядки батарей, мощностью электрогенератора и пр.
Разнообразные варианты комплектаций современных ВЭС, как промышленного использования, так и применяемых в частном секторе – позволяют подобрать любой, наиболее оптимальный вариант любому пользователю.
В настоящий момент наибольшее распространение в мире получили ветрогенераторы крыльчатые, ось вращения лопастей которых, параллельна или горизонтальна направлению потока воздуха. В основном об этих ветроустановках – мы и поговорим далее.
Крыльчатая ВЭС с горизонтальной осью вращения
Коэффициент полезного действия по использованию энергии ветра у данного типа ветрогенераторов достигает 48%, что намного выше, нежели у генераторов карусельного типа. Этот тип ветровых электрогенераторов бывает двух и трехлопастным.
Здесь наибольшая эффективность работы устройства достигается тогда, когда ветер направлен перпендикулярно плоскости вращения лопастей генератора. Поэтому, даже конструктивно – у этого типа «ветряков» предусмотрено устройство, позволяющее в автоматическом режиме поворачивать крыльчатку генератора перпендикулярно направлению ветра. Мощность выработки электроэнергии данного типа ВЭС зависит напрямую от скорости ветра (его напора), а также диаметра и площади лопастей самого ветроагрегата.
Карусельные или роторные ВЭС
У этого типа ветрогенераторов, ось вращения вертикальная, с насаженным на нее колесом и закрепленными на нем, приемными поверхностями для ветра. Существенным преимуществом данного типа ВЭС является то, что работать они могут, не меняя своего положения – при любом направлении потока воздуха. Данный тип ветрогенераторов тихоходен и бесшумен, а в качестве генераторов по выработке энергии здесь используют низкооборотистые, многополюсные электрогенераторы.
Современные ВЭС с горизонтальной и вертикальной осью вращения
Другие типы современных ВЭС
Кроме того, совсем недавно появились новейшие разработки ветрогенераторов принципиально новых конструкций, которые конструктивно состоят из несущего трехопорного основания, располагающегося на мощном фундаменте. На основании монтируется кольцеобразный генератор, с встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо такого генератора в диаметре может достигать размеров более 100 метров. Используются такие ВЭС для промышленной выработки электроэнергии.
Есть также действующие ВЭС, состоящие из нескольких десятков малых ветроагрегатов-модулей, объединенных конструктивно, в единую – отлаженную систему по выработке электроэнергии.
Совсем недавно американскими специалистами разработана и внедрена в промышленное производство малая турбинная ВЭС «Windgate», предназначенная для частного сектора. Колесо турбины в диаметре достигает 1,8 метра и вращается на горизонтальной оси. Концы лопастей такой турбинной установки имеют постоянные магниты, вследствие чего, фактически мы имеем ротор больших размеров – вращающийся в целостном корпусе-статоре установки. Такие ветроустановки Windgate, могут даже монтироваться на крыше частного дома или коттеджа, и есть очень высокоэффективными, а их цена составляет примерно 4,5-5 тысяч долларов США.
Заключение
Необходимо отметить, что конструктивно ветроэлектростанции совершенствуются постоянно, а соответственно и улучшаются их технологические параметры, аэродинамика, а самое главное – становится менее «кусачей» для простого потребителя цена этих, экологически чистых энергетических агрегатов будущего.