Естественной реакцией атмосферы на неравный прогрев разных ее слоев является ветер. Возникающие перепады давления в атмосфере заставляют ветер дуть из областей высокого давления в области низкого давления, и чем больше разница давлений, тем сильнее ветер - тем выше его скорость. Теоретически считается, что до 2% солнечной радиации преобразуются в механическую энергию ветра, благодаря естественному движению воздуха в атмосфере.
Известно, что рельеф той или иной местности может либо усилить ветер, либо ограничить воздушный поток. Так, в районах горных хребтов, перевалов, вблизи речных каньонов, - условия для установки ветряных турбин поистине идеальны. И если вспомнить, что мощность, которую можно получить от ветра, пропорциональна массе проходящего через турбину воздуха и кубу его скорости, то легко понять перспективы, которые стремительно открываются на данном направлении.
Ветер, безусловно, является одним из перспективнейших возобновляемых источников природной энергии. Не зря во многих странах год за годом сооружается все больше ветропарков, ветряных ферм, в частности — на прибрежных частях морей, океанов, и на равнинах.
Порывистый характер ветра не способствует стабильному питанию электрических сетей, поэтому важной задачей становится накопление энергии с целью дальнейшего ее использования. Но эта задача решается — возводятся промышленные и частные аккумуляторные системы хранения электроэнергии, принимаются меры по обеспечению бесперебойного электроснабжения.
И уже сейчас можно уверенно говорить о том, что мощный промышленный ветрогенератор (как например Enercon E-126), мощностью 6-8 МВт, будучи интегрирован в систему электроснабжения небольшого городка, сможет обеспечить нужды его жителей и потребности электрифицированной инфраструктуры.
Давайте, однако, обратимся к сути, и рассмотрим устройство промышленного ветрогенератора. Ведь любой ветрогенератор является продуктом щепетильной инженерной мысли, результатом точных расчетов и долгого проектирования, с целью получить эффективный и надежный преобразователь энергии ветра в электрическую энергию, поэтому каждая деталь огромной конструкции отнюдь не случайна. Для примера будем обращаться к конструкции ветрогенератора Enercon E-126, и рассмотрим основные его части.
Башня
Башня (7) высотой в десятки метров является опорой промышленного ветрогенератора. Она изготавливается сплошь из железобетона путем последовательной заливки в опалубку или собирается из коротких железобетонных колец, которые устанавливают последовательно одно на другое, и соединяют, протягивая через них каркасные тросы. Армированный бетон обладает достаточной прочностью, чтобы удержать на высоте тяжелую турбину и гондолу, а также противостоять нагрузке, возникающей при работе ветрогенератора, препятствуя опрокидыванию сооружения.
Основание башни покоится на железобетонном фундаменте (8), вес которого соизмерим с весом самой башни. Для примера, ветрогенератор Enercon E-126 обладает общим весом около 6000 тонн. Опора по форме не является цилиндром, она имеет форму ближе к усеченному конусу, чем к цилиндру. Расширенная у основания, башня надежно удерживает всю конструкцию в правильном положении.
Лопасти и ротор
Лопасти (6) и ротор (5) промышленного ветрогенератора изготавливают из особого композитного волокна на основе стали. Лопасти ветрогенератора набираются из отдельных сегментов, либо изготавливаются как монолит, в зависимости от их размаха. Для крепления лопастей к ротору применяют, как правило, болты и хаб. Сами лопасти крепятся к хабу, а хаб — непосредственно к ротору генератора.
Вращение турбины вокруг башни
Для вращения турбины вокруг башни применяется асинхронный двигатель (3), соединенный зубчатой передачей с кольцом у основания гондолы. Таких двигателей может быть от одного до трех, в зависимости от размера ветрогенератора и от его мощности.
Электрогенератор
Если раньше в качестве генераторов для ветряков применялись агрегаты близкие по конструкции к стандартным синхронным генераторам, то в начале 2000-х появилось такое новшество, как кольцевой генератор (1). Здесь ротор турбины, соединенный с хабом, является одновременно и ротором генератора.
На кольцевом роторе расположены обмотки независимого возбуждения, формирующие магнитные полюсы, а на статоре, соответственно, - обмотка статора. Обмотка статора разделена на части (в случае Enercon E-126 — на четыре части), каждая из которых подключена к индивидуальному выпрямительному блоку. Контроллер генератора расположен в машинном отделении (2) гондолы.
Инвертор
После выпрямления, постоянное напряжение номиналом в 400 вольт подается на инвертор (4), установленный в основании башни, где энергия преобразуется в переменный ток, и после трансформации подается на ЛЭП.
Мы рассмотрели ключевые составные части современного промышленного ветрогенератора на примере модели Enercon E-126, впервые установленной вблизи немецкого города Эмден в 2007 году. Мощность генератора на данный момент составляет 7,58 МВт, чего достаточно для круглогодичного обеспечения электроэнергией 4500 коттеджей.
На сегодняшний день компанией Enercon возведено более 13000 подобных ветрогенераторов по всему миру, их суммарная установленная мощность уже в 2010 году превышала 2846 МВт.