Для корректной работы ветряков необходимы стандартные трехфазные генераторы. Конструкция этих устройств схожа с теми, которые применяются в автомобилях, однако они имеют значительно более крупные размеры.
Кинетический ветрогенератор: устройство, принцип работы, применение
Современные кинетические ветрогенераторы открывают возможность пользоваться энергией воздушных потоков, преобразовывая их в электрическую энергию. В результате на рынке существуют как заводские, так и самодельные модели устройств, которые успешно используются как в промышленности, так и в частных хозяйствах.
В данной статье мы подробно обсудим устройство ветряков данного типа, их конструктивные особенности и варианты исполнения. Мы также выделим преимущества и недостатки ветряных энергетических установок. Для мастеров-умельцев мы предлагаем полезные схемы и рекомендации по самостоятельной сборке.
Принцип работы ветрогенератора
Основным принципом работы ветрогенератора является преобразование кинетической энергии ветра в механическую энергию ротора, которая затем преобразуется в электрическую энергетику.
Этот процесс довольно прост: вращение винтообразных лопастей, прикрепленных к оси устройства, инициирует круговые движения ротора генератора, которые приводят к выработке электрической энергии.
Ветроэнергетика представляет собой одну из самых многообещающих областей возобновляемой энергетики. Современные конструкции позволяют экономически выгодно использовать силу воздушных потоков для выработки электроэнергии.
Получаемый нестабильный переменный ток направляется в контроллер, где происходит его преобразование в постоянное напряжение, которое может служить для зарядки аккумуляторов. Далее эта энергия подается на инвертор, где она преобразуется обратно в переменное напряжение с показателями 220/380 В, которое уже может быть использовано потребителями.
Мощность ветрогенератора напрямую зависит от мощности потока воздуха (N), которая рассчитывается по формуле N=pSV³/2, где V обозначает скорость ветра, S – рабочую площадь, а p – плотность воздуха.
История возникновения
Мельницы появились в то время, когда началось массовое возделывание пшеницы и других зерновых культур. Однако использовать силу ветра для вращения конструкций удавалось не сразу. В далекие времена колеса вращались с помощью рабов или тяглового скота. Позже были созданы водяные мельницы, и в результате мы получили ветряные конструкции.
Несмотря на видимую простоту, на самом деле создание таких устройств довольно сложный процесс. Создать изделие, способное выдерживать нагрузки от ветра, можно было только правильно подбирая конструкции для выполнения конкретных задач, которые варьировались от колки дров до откачки воды. Самые ранние модели (козловки) строились по аналогичной схеме, что и деревянные постройки.
Затем на рынке появились шатровые мельницы, которые имеют неподвижное основание, в то время как верхняя часть, включая вал, вращается.
Эти модели способны приводить в движение два жернова, что делает их более производительными. Мельницы не считались просто утилитарными инструментами, их роль часто отражалась в мифах, легендах и сказках; повсюду существовали разнообразные мифические истории о таких сооружениях — от замурованных людей, замешанных в процессе их создания, до духов, обитающих в мельнице, и сокровищ, скрытых в подземных ходах.
Устройство и принцип работы
Ветряная мельница функционирует благодаря тому, что воздушные потоки воздействуют на лопасти и приводят их в движение. Этот импульс передается на редуктор, а затем — на рабочую часть мельницы. В старинных моделях лопасти могли достигать нескольких метров в длину. Это было необходимо для увеличения площади взаимодействия с воздушными потоками. Длина подбирается в зависимости от основной функции и требуемой мощности.
Если мельница оснащена большой площадью лопастей, она может использоваться для молотьбы муки. Такие решения обеспечивают эффективное вращение тяжелых жерновов. Совершенствование конструкции стало возможным благодаря развитию аэродинамических научных знаний. Высокого результата удается добиться даже при сравнительно небольшой площади взаимодействия с ветром.
Следом за лопастями в конструктивной схеме находится редуктор или аналогичный механизм передачи. В некоторых ранних моделях это был вал, на который монтировались лопасти. На другом конце вала размещался механизм, выполнявший работу. Однако вскоре от такой простой конструкции отказались, несмотря на её очевидную простоту.
Это связано с тем, что такая схема оказалась ненадежной и небезопасной, поскольку остановить работу мельницы даже в критических ситуациях становилось невозможно.
Редукторы продемонстрировали гораздо большую эффективность и элегантность. Они преобразуют импульс, получаемый от вращающихся лопастей, в полезную работу. При разделении частей редуктора работу можно быстро остановить. Это препятствует простоям механизма, а такие моменты, как резкое усиление ветра, становятся менее опасными. Важно отметить, что ныне мельницы используются исключительно для генерации электричества.
Тем не менее, даже появление первых мельниц стало настоящей технологической революцией. Безусловно, значения 5 — 10 л.с. на крыло кажутся совершенно незначительными в современности. Однако в эпоху, когда еще не было даже наполовину того, что мы используем сегодня, это явилось колоссальным достижением. С XI по XIII века человечество получало доступ к мощи, недоступной в более ранние эпохи. Энергетическая эффективность жизнедеятельности возросла, что в немалой степени способствовало стремительному росту экономики в Европе в этот период.
Новая жизнь ветряных мельниц
Появление новых технологий, казалось бы, могло предопределить судьбу ветряных мельниц как артефактов для туристов. Однако довольно быстро люди поняли, что использование таких «дедовских» технологий, то есть ветряков, всё еще актуально для выработки электричества. В июле 1887 года шотландский ученый и профессор Джеймс Блит предпринял попытку создания ветровой установки для получения электричества. В 1891 году он получил патент на свое изобретение. Ветряк высотой 10 метров с лопастями из ткани был установлен в шотландском городе Мэрикирк и служил для освещения. Однако коммерческого успеха он так и не достиг. Зимой 1887-1888 годов в Соединенных Штатах Чарльз Ф. Браш разработал ветряную турбину, которая обеспечивала электроэнергией его дом и лабораторию до 1900 года.
В 1890 году датский ученый и изобретатель Поль Ля Кур сконструировал ветряную электроустановку для получения водорода, которая считается первым современным электроветряком. В первой половине XX века ветрогенераторы начали устанавливать в регионах, куда обычным образом электричество было невозможно доставить. С 1920-х годов ветрогенераторы начали появляться в США и Австралии. В России в 1918 году профессор В. Залевский стал интересоваться использованием ветра для получения электричества. Он разработал теорию ветряной мельницы и сформулировал ключевые принципы, которым должен соответствовать ветрогенератор. В 1925 году профессор Н. Жуковский учредил отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. В 1930-х годах руководство Советского Союза всерьез занялось вопросом использования ветровой энергии. Было организовано серийное производство ветроустановок мощностью 3-4 кВт, первая из которых была установлена в 1930 году в городе Курск, её мощность составила 8 кВт. В 1931 году в СССР заработала самая мощная на тот момент Ялтинская ВЭС мощностью 100 кВт. Разработка и установка ветрогенераторов продолжали активно развиваться до начала 1960-х годов. Для примера, в период с 1950 по 1955 годы в Союзе выпускали до 9 тысяч ветроустановок ежегодно. При освоении целины в Казахстане советские специалисты создали первую многоагрегатную ВЭС мощностью 400 кВт, которая работала совместно с дизельной установкой; такая система стала основой для современных «ветро-дизель» установок. Однако к концу 1960-х годов ветроэнергетика СССР потеряла свою актуальность на фоне широкомасштабного перехода на крупные ТЭС, ГЭС и АЭС, и серийное производство «ветряков» было прекращено. К ветряным электростанциям вернулись лишь в 1990-х годах, что не сравнимо с тем, что происходило в США и Европе. Начало современного этапа ветроэнергетики считают 1979 годом.
Современное состояние ветроэнергетики
Интересный факт: до середины 1990-х годов по совокупной мощности ветроэнергетических установок лидирующую позицию занимали Соединенные Штаты. Однако в 1996 году в Западной Европе оказалось уже 55% мировых мощностей ветроэлектростанций. Сами электроветряки тоже изменились. До середины 1990-х в мире производились в основном ветрогенераторы мощностью от 100 до 500 кВт, а затем появилась тенденция к созданию установок мощностью до 2000 кВт. Эти ветряки, высота которых превышает 100 метров, стали настоящими гигантами. Несмотря на постоянный рост числа установок, доля электроэнергии, вырабатываемой благодаря ветру, составляет всего чуть более 1% от общего объема производства электроэнергии в мире. Однако в некоторых странах этот показатель значительно выше. Например, в Дании эта доля составляет более 20%, в Германии — 14,3% (по данным на 2007 год), а в Индии — около 3% (по данным на 2005 год). Потенциал ветровой энергии в Российской Федерации превышает 50 000 миллиардов кВт·ч в год. Переведя эту цифру на экономический язык, это соответствует приблизительно 260 миллиардов кВт·ч в год, что составляет около 30% от общего объема электроэнергии, вырабатываемой всеми российскими электростанциями. На 2006 год установленная мощность ветровых электростанций в России составила примерно 15 МВт.
Одной из самых мощных российских ветроэлектростанций является станция, расположенная в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области. Её мощность составляет 5,1 МВт, а ветропарк включает 21 ветроэнергетическую установку, занимая площадь примерно 20 гектаров. Эта электростанция может обеспечить электроэнергией порядка 145 квартир, а среднегодовая выработка электроэнергии составляет около 6 миллионов кВт·ч в год. Также стоит отметить Анадырскую ВЭС мощностью 2,5 МВт на Чукотке. В ближайшие годы в разных странах планируется значительно увеличить объём электроэнергии, получаемой с помощью ветряков. Однако распространение ветряных электростанций может столкнуться с рядом препятствий, о которых мы поговорим ниже.
Быстрее
Чем быстрее вращается ротор с лопастями, тем больше механической энергии передается генератору, что увеличивает силу тока и количество произведенной электроэнергии. Однако с увеличением количества лопастей и их длины возникает вопрос: становится ли ротор тяжелее, что затрудняет его вращение под воздействием ветра.
Инженеры, работающие над разработкой ветроэнергетических установок, пришли к сбалансированному решению — использование ротора с тремя лопастями. Ветряки с двумя лопастями имеют высокую скорость вращения, но создают малый крутящий момент, что снижает их эффективность в производстве электроэнергии. Вертолет с четырьмя лопастями повышает крутящий момент по сравнению с трехлопастным, но это происходит несущественно, тем не менее скорость вращения уменьшается, и, в конечном итоге, производительность установки не улучшается.
При проектировании ветрогенератора инженеры учитывают множество конструктивных параметров: длину лопастей, угол их наклона, форму, материалы, и многое другое. Также важным фактором являются климатические условия региона, особенно типов ветров и силы ветра. Существуют ограничения по высоте мачты, мощности установки, размерам лопастей и другим параметрам.
Андрей Бритвин
Эксперт по технологическому развитию в сфере энергетики Газпром нефти
Существует одно ограничение, которое на первый взгляд может показаться парадоксальным: ветряные установки обязательно должны защищаться от… ветра. Если ветер слишком сильный, он может опрокинуть установку, так как давление ветра пропорционально площади, которую лопасти ветряка охватывают при вращении. Поэтому в случае очень сильных порывов необходимо остановить ветряк. В этом случае давление ветра падает в десятки раз, поскольку оно действует на площадь, равную сумме площадей всех лопастей, что значительно меньше, чем площадь описываемого круга.
Пороговостью для ветряных установок считается скорость ветра в 25 метров в секунду. По шкале Бофорта это соответствует 10 баллам, что означает сильный шторм. Следуют только более сильные явления: жестокий шторм (11 баллов, скорость от 26 до 32 метров в секунду) и ураган (12 баллов, скорость свыше 33 метров в секунду). Когда скорость ветра достигает 25 метров в секунду, активируется автоматическая система защиты ветрогенератора, и вращение лопастей останавливается.
Как рассчитать крылья мельницы
Первое, что необходимо сделать — определиться с целью и местом установки мельницы. Чаще всего ветровая машина интегрируется на открытых пространствах, например, на дачных участках. Если в окрестности расположены деревья или плотные заборы, возможно, придется построить высокое основание для ветряка, которое обязательно требует создания фундамента.
Фундамент необходим не только для высоких конструкций, но и для низких, но тяжелых. Для дачных нужд достаточно уложить по периметру будущей установки бетоном или плотными рядами кирпичей на глубину до 0,7 метра. Для более декоративных объектов будет достаточно одного слоя кирпичей, которые служат изоляцией от влаги.
Теперь необходимо разобраться с тем, для каких целей стоит строить мельницу. Варианты применения могут быть самыми различными:
- для подъема воды из скважины;
- для генерации электричества;
- для отпугивания вредителей, таких как кроты;
- для хранения садовых инструментов;
- в качестве декоративного элемента.
Перечисленные варианты расположены в порядке убывания требований к мощности устройства, то есть от более сложных механизмов к простым. Определение требований к дизайну зависит от владельца.
Следует учесть, что реальная мощность бытового ветряка не превышает 500 Вт при скорости ветра в 5-8 м/с. Тем не менее, электрическую энергию можно накапливать, включая мощные потребители на короткий срок, например, насос для подъема воды.
Основным элементом в ветряке являются лопасти. Для проектирования лопастей важно учитывать, что с увеличением мощности необходима большая проекционная площадь на плоскость вращения. Это достигается увеличением длины, количества лопастей, а также углом их наклона.
Для расчета средней мощности конструкции необходимо знать силу ветра, характерного для данной местности. Также размещение лопастей должно быть перпендикулярно преобладающим направлениям ветра. Эти данные можно найти в Интернете с запросами «статистика скорости ветра» и «роза ветров» для вашего региона.
Теперь можно подсчитать размер лопастей. Например, если средняя скорость ветра составляет 5 м/с, а потребляемая мощность электроприбора — 100 Вт. Потери на преобразование кинетической энергии в электрическую могут составлять от 20% до 40%.
Коэффициент полезного действия можно рассчитать, учитывая точные паспортные значения КПД генератора на оси, выпрямителя, стабилизатора и преобразователя постоянного тока в переменный на 220 В. При расчете проценты потерь не суммируются, их следует последовательно перемножить, чтобы получить общий КПД системы преобразования вращения в электрическую энергию. Кроме того, около половины мощности ветра теряется на лопастях.
Снизить потери преобразования возможно, исключив, к примеру, преобразователь постоянного тока в переменный, если исполнительное устройство может функционировать от аккумулятора. Также это возможно при условии, что напряжение и ток не играют критической роли для работы устройства — например, для небольшой лампы накаливания или ещё лучше — светодиода.
Разновидности лопастей ветряков
Конструкции лопастей могут быть как с вертикальным, так и с горизонтальным вращением. Лопасти могут быть выполнены в винтовой конфигурации и могут изменять свою парусность. Мельницы строились так, чтобы каждая конструкция была уникальна и служила долго. Современные решения также радуют разнообразием.
В конце XIX века в России функционировало около 200 000 мукомольных мельниц. Обычный ветряк мог вырабатывать мощность до 3,5 кВт, тогда как крупные с диаметром лопастей в 24 метра — до 15 кВт. Общая вырабатываемая мощность составляла до 750 МВт. В настоящее время используются лишь несколько единиц ветряных электростанций и мельниц другого назначения, и суммарная вырабатываемая ими мощность составляет лишь 15 МВт, что в 50 раз меньше по сравнению с 100 лет назад. Тем не менее, планы по развитию остаются, так как ветровой ресурс в России достигает десятков миллиардов киловатт.
Пока цифры реализации остаются на уровне замысла, можно применить знаменитую фразу Владимира Маяковского и сказать: «Если мельницы строят, значит, это нужно кому-то? Значит, кто-то хочет, чтобы они были?» Эстетика работающих мельниц вдохновляет многих умельцев на создание уникальных шедевров в своих дворах и на дачных участках.
