Що таке вітрогенератори? Принцип роботи
Вітрогенератор (вітроелектрична установка, ВЕУ, вітряк) – це пристрій, що дозволяє перетворити механічну енергію вітру на електрику. Вітряна електростанція – це система з кількох вітрогенераторів, які об'єднані за допомогою спеціального обладнання в одну мережу.
У спрощеному вигляді принцип роботи вітрогенератора можна наступним чином. Сила вітру надає руху лопаті, які через спеціальний привід змушують обертатися ротор. Завдяки наявності обмотки статора, механічна енергія перетворюється на електричний струм. Аеродинамічні особливості гвинтів дозволяють швидко крутити турбіну генератора. Далі сила обертання перетворюється на електрику, що акумулюється в батареї. Чим сильніший потік повітря, тим швидше крутяться лопаті, виробляючи більше енергії. Щоб установка не вийшла з ладу при сильному тиску повітря, вона забезпечена спеціальною системою гальмування. При вітрі більше 50 км/год гальма автоматично уповільнюють обертання ротора. Якщо швидкість руху повітря сягає 80 км/год, гальмівна система повністю зупиняє лопаті. Усі частини турбіни сконструйовані так, щоб максимально використовувалась повітряна енергія.
Типи вітрогенераторів
Існують два основні типи вітротурбін:
З вертикальною віссю обертання або «карусельні»: ротор Савоніуса або ротор Братів Вороніних, ротор Дар'є - турбіна розташована вертикально до землі і працює навіть за невеликого вітру. Часто використовується задля забезпечення електрикою одного домогосподарства, будівлі. Прості в обслуговуванні, тому що всі важливі технічні вузли знаходяться внизу, у зоні доступності.
З горизонтальною віссю круглого обертання або крильчасті вітрогенератори – ротор обертається паралельно землі, а лопаті – перпендикулярно. Для їхньої роботи потрібні сильні пориви вітру, їх встановлюють на щоглу. Мають більшу потужність порівняно з вертикальними.
Також існують барабанні та роторні вітротурбіни.
Усі вітрогенератори - горизонтальні та вертикальні працюють за однаковою схемою. Спочатку отримана від тиску вітру змінна напруга перетворюється на постійний струм. Завдяки цьому заряджається акумулятор. Потім інвертор знову проводить змінний струм. Це потрібно для того, щоб світилися лампочки, працював холодильник, телевізор тощо. Завдяки акумуляторній батареї можна користуватися електроприладами в безвітряну погоду. Крім того, під час сильних поривів вітру напруга в мережі залишається стабільною.
Ефективність вітрогенераторів
Потужність вітрогенератора залежить від потужності повітряного потоку (N), що визначається швидкістю вітру і площею, що омітається N = p S V 5 / 4,
де: V — швидкість вітру, p — щільність повітря, S — площа, що омітається.
Закон Беца передбачає, що коефіцієнт використання енергії вітру (КВЕВ) горизонтальних, пропелерних та вертикально-осьових установок обмежений константою 0,593. На цей час досягнутий на горизонтальних пропелерних ВЕУ коефіцієнт використання енергії вітру становить 0,4. На даний момент цей коефіцієнт у вітрогенераторів (вітроустановок) ГРЦ-вертикаль становить 0,38. Таким чином коефіцієнти використання енергії вітру горизонтально-осьових пропелерних та вертикально-осьових ВЕУ близькі.
Типовий склад системи енергозабезпечення на базі вітрогенератора
Вітроелектрична установка (вітрогенератор, ВЕУ) – виробляє електроенергію з нестабільними параметрами, що залежать від швидкості вітру.
Щогла — служить для встановлення ВЕУ на такій висоті, де вітровий потік не перекривається перешкодами та має достатню швидкість.
Акумуляторна батарея (АКБ) – це буфер, який узгоджує графіки вироблення та споживання енергії.
Контролер заряду АКБ – захищає АКБ від перезаряду, обмежуючи зарядний струм та напругу.
Інвертор — перетворює постійну напругу на змінну ~220В.
Зарядний пристрій — за потреби заряджає АКБ від зовнішньої мережі ~220В.
Мережева автоматика — стежить за станом мережі і за заданим алгоритмом підключає навантаження до мережі або до інвертора.
Промислові та побутові вітрогенератори
Вітрогенератори великої потужності встановлюються державою або великими енергетичними корпораціями. Вітрогенератори промислового призначення мають досить велику потужність, а в одному вітропарку можуть встановлюватися кілька сотень вітряків. Найпотужніша вітряна турбіна у світі - 14-222 DD компанії Siemens Gamesa (довжина її лопаті досягає 108 м, а діаметр - 222 м), рекордсмен з максимального вироблення електроенергії за добу: 359 мегават-годин; 60 таких турбін встановлені на вітряній електростанції Moray West у затоці Морі-Ферт у Шотландії.
Вітрові електростанції потужністю менше 100 кВт відносяться до малої вітроенергетики. Вони застосовуються для заміських будинків, сільськогосподарських ферм, для водопостачання і т. д. Дані пристрої виявляються дуже корисними в екстремальних умовах відсутності централізованого електропостачання та у повсякденному житті. Досить часто системи вітрогенераторів застосовуються на дачах або в населених пунктах, де регулярні перебої з подачею електроенергії. Для побутового використання, як правило, встановлюється один вітрогенератор, підключений до системи домашнього електропостачання, яка включає також накопичувальні акумулятори. Автономне джерело електрики побутової вітроелектричної установки має такі переваги:
установка екологічно чиста;
відсутня потреба її заправлення паливом;
не накопичуються будь-які відходи;
пристрій працює дуже тихо;
має великий термін експлуатації.
Переваги та недоліки застосування вітрогенераторів для побуту
Вважається, що застосування малих автономних вітрогенераторів у побуті малодоцільне через:
високої вартості акумуляторних батарей: ~ 25 % вартості установки (використовується як джерело безперебійного живлення за відсутності або зникнення зовнішньої мережі);
досить високої вартості інвертора (застосовується для перетворення змінного або постійного струму одержуваного від вітрогенератора змінну напругу стандарту побутової електромережі (220 В, 50 Гц).
нерідкою необхідності додавати до нього дизель-генератор, який можна порівняти за вартістю з усією установкою.
Однак, за наявності загальної електромережі та сучасного ДБЖ із подвійним перетворенням ці фактори стають неактуальними.
Економічно доцільним є отримання за допомогою вітрогенераторів не електричної енергії промислової якості, а постійного або змінного струму з подальшим перетворенням його в тепло за допомогою теплових насосів для обігріву житла та отримання гарячої води.
Ця схема має кілька переваг:
Опалення є найенерговитратнішим практично для будь-якого будинку.
Схема вітрогенератора та автоматики, що управляє, кардинально спрощується.
Схема автоматики може бути побудована на кількох теплових реле.
Як акумулятор енергії можна використовувати звичайний бойлер з водою для опалення та гарячого водопостачання.
Споживання тепла не таке вимогливе до якості та безперебійності електроенергії, температуру повітря в приміщенні можна підтримувати в комфортному діапазоні: 19-25 °С; температуру у бойлері гарячого водопостачання: 40-97 °С.
Вітрогенератор для заміського будинку
Індустрія домашніх вітрогенераторів активно розвивається, і за помірні гроші вже зараз можна придбати вітрову установку і на довгі роки забезпечити енергонезалежність своєму заміському будинку. Зазвичай забезпечення електроенергією невеликого будинку цілком достатньо установки номінальною потужністю 1 кВт при швидкості вітру 8 м/с.
Часто для забезпечення енергією та теплом для домашнього господарства комбінують сонячні та вітрові електростанції. У багатьох регіонах сонячні електростанції взимку виробляють набагато менше енергії, ніж улітку, а вітрові, навпаки, продуктивніше функціонують узимку. Тобто комбінація дозволяє згладжувати добові та сезонні коливання, підвищити надійність системи та знизити потребу в системах накопичення енергії та балансувальних потужностей для інтеграції змінних ВДЕ.
Головною перевагою вітроелектричної установки є її незалежність від магістральних енергетичних мереж, автономність виробництва та споживання електроенергії. Відносна простота пристрою, універсальність обладнання, доступність транспортування та монтажу дозволяють зводити вітроенергетичні станції в недоступних, віддалених від енергопостачання районах.
Comments