Kinetisk vindgenerator: konstruktion, funktionsprincip, användning

En modern kinetisk vindgenerator gör det möjligt att utnyttja luftströmmarnas kraft och omvandla den till elektricitet. För detta ändamål finns fabrikstillverkade och egenhändigt byggda modeller som används både inom industrin och i privata hushåll.

Vi berättar hur vindkraftverk av denna typ är konstruerade, och introducerar egenskaper och konstruktionsvarianter. I vår artikel presenteras för- och nackdelar med vindkraftsanläggningen. Gör-det-själv-entusiaster hittar användbara scheman och monteringsråd.

Funktionsprincip för vindgenerator

Funktionen hos en vindgenerator bygger på omvandling av vindens kinetiska energi till mekanisk rotorenergi, som sedan omvandlas till elektrisk energi.

Principen är ganska enkel: rotationen av bladen, som är fästa på enhetens axel, leder till rotorgeneratorns cirkulära rörelser, vilket genererar elektricitet.

Vindkraft är en av de mest lovande grenarna inom förnybar energi. Moderna konstruktioner gör det möjligt att kostnadseffektivt utnyttja luftströmmarnas kraft för att generera elektricitet.

Den erhållna instabila växelströmmen "rinner" till styrenheten där den omvandlas till likspänning som kan ladda batterierna. Därifrån går strömmen till en växelriktare där den omvandlas till växelspänning på 220/380 V, som sedan levereras till konsumenterna.

Vindkraftverkets effekt beror direkt på luftflödets effekt (N), som beräknas enligt formeln N=pSV³/2, där V är vindhastigheten, S är arbetsarean och p är luftdensiteten.

Vindgeneratorns konstruktion

Olika varianter av vindkraftverk skiljer sig avsevärt från varandra.

Det visade schemat visar den interna konstruktionen av ett klassiskt horisontellt vindkraftverk. Sådana modeller används oftast både inom industrin och i hushåll.

Industriella enheter är en komplex, flera meter hög konstruktion som kräver en grund, medan en hushållsmodell kan bestå av ett minimum av komponenter (en likströmsmotor 3–12 V, en elektrolytkondensator 1000 µF 6 V, en kisellikriktardiod).

En typisk anläggning består av följande delar:

• växelströmsgenerator (effekten beror på vindhastigheterna);
• blad som överför rotationen till generatorns axel (de är ofta dessutom utrustade med växellådor, stabilisatorer för rotorvarvtalet);
• vindkraftverkets mast, på vilken bladen fästs (ju högre dessa element är placerade, desto mer vindenergi kan de fånga);
• ackumulatorer som lagrar energi, vilket gör det möjligt att använda den vid svag vind eller helt vindstilla. Batteriet fungerar också som stabilisator för den elektriska energi som kommer från generatorn;
• styrenhet – en omvandlare av växelspänning från generatorn till likspänning som används för att ladda batteriet. Styrenheten regleras genom bladvinkeljustering, vilket gör det möjligt att ta hänsyn till luftströmmarnas riktning;
• ATS – automatisk omkopplingsenhet som kopplar samman vindkraftverket med andra energikällor (solpaneler, elnätet);
• vindriktningssensor – en anordning som underlättar för bladen att hitta vindflödet;
• växelriktare för att omvandla likström från ackumulatorerna till växelspänning som används i elnätet.

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

• Apparater med modifierad sinusvåg som ger en fyrkantsvåg. Enheter av denna typ passar för värmeelement, glödlampor och andra apparater som inte kräver hög nätkvalitet;
• Trefas växelriktare avsedda för trefas elnät;
• Anordningar med ren sinusvåg som producerar energi för känsligare utrustning;
• Nätanslutna växelriktare som kan fungera utan batterier. Sådana enheter är avsedda för system där elektrisk energi matas direkt in i det allmänna elnätet.

När du väljer modell måste du vara uppmärksam på typen av växelriktare.

Typer av vindgeneratorer

Vid klassificering av vindturbiner kan följande egenskaper beaktas:

• syfte;
• konstruktionsdetaljer;
• antal blad;
• material som de är tillverkade av;
• rotationsaxel;
• propellerstigning.

Låt oss titta närmare på två av de mest använda klassificeringarna.

Klassificering av vindgeneratorer efter användningsområde

Det finns olika typer av vindkraftverk som skiljer sig åt i syfte. Detta påverkar enheternas huvudsakliga egenskaper, såsom effekt.

Industriella vindturbiner

Sådana enheter installeras av stora energiföretag eller staten för att förse industriella anläggningar med el. Turbiner med en effekt på tiotals megawatt placeras vanligtvis på vindrika platser (öppna höjder, kuster).

Vindkraftsparker med dussintals vindturbiner anläggs inte bara på land utan även på grunt vatten. Den producerade elen används vanligtvis för industriella ändamål.

Den genererade elen går vanligtvis direkt in i nätet, och för stabilitet och reglering av bladens rotationshastighet är vindturbinerna utrustade med extra mekanismer.

Kommersiella vindgeneratorer

Sådana installationer används för att producera el till försäljning eller för att förse industrier i regioner med svagt elnät (eller helt utan elnät) med el. Sådana vindkraftverk består av en grupp av elgeneratorer som kan ha olika effekt.

Energin från kommersiella anläggningar kan matas direkt in i elnätet eller användas för att ladda ett stort batterilager, där den lagras och omvandlas för leverans till elsystemet.

Hushållsvindkraftverk

Små enheter med låg effekt används för privat bruk. Enligt reglerna kan vindkraftverk med master som är mindre än 25 meter höga installeras av fastighetsägare utan myndighetstillstånd, för högre master krävs särskilt tillstånd.

Vindkraftverk med låg och medelhög effekt kan fungera som en källa till elektrisk energi för villor, fritidshus, lantställen och jordbruk.

Hushållsvindgeneratorer är lämpliga för att ladda batterier med spänning 12/24/48 V, vars energi omvandlas till 220 Volt. Sådana enheter kan helt eller delvis lösa problemet med strömförsörjning för små objekt som ligger långt från det centrala elnätet.

En artikel om detta intressanta ämne presenterar riktlinjer för att välja en vindgenerator för att förse ett privat hem med energi.

Olika konstruktionstyper för vindkraftverk

Beroende på konstruktionsegenskaper kan enheterna också delas in i flera kategorier, även om alla varianter kan sammanfattas i två huvudtyper: vertikala och horisontella.

Klassiska horisontella vindgeneratorer

Sådana anläggningar (även kallade propeller- eller bladtyp) har vanligtvis 3–5 blad monterade på en horisontell axel. När de roterar med hög hastighet gör dessa element att maximal mängd energi kan utvinnas (verkningsgrad upp till 0,4).

Mängden producerad el beror till stor del på enhetens höjd (ju högre, desto bättre resultat).

En horisontell vindgenerator använder lyftkraften som uppstår när trycket ökar vid den punkt där den direkta luftströmmen passerar genom bladen och reflekteras från dem.

Sådana enheter installeras vanligtvis i vindkraftparker där energi produceras för industriellt och kommersiellt bruk, men de passar också för hushållsbruk.

En intressant lösning för horisontella vindkraftverk är modellen med ett enda blad. Följande bildsamling presenterar dess egenskaper:

Vertikala vindturbiner

Den verksamma delen av sådana anläggningar är ett roterande vindhjul. På grund av konstruktionsskillnader skiljer sig sådana konstruktioner åt i typer (”Tunna”, ”Savonius”).

Följande bildspel introducerar principen för Savonius vertikala generators turbin:

Trots låg effektfaktor (0,1–0,2) används de ganska brett: vertikala installationer fungerar i turbulenta luftströmmar, så att de kan placeras även i områden där starka vindar sällan blåser.

Vertikala vindkraftverks drift är oberoende av vindriktning. De är enkla att montera och använda, och dessutom kan sådana enheter placeras nära marken.

För att öka effektiviteten hos vertikala vindkraftverk höjer tillverkare ofta deras dimensioner, vilket leder till betydande kostnadsökning. Eftersom sådana installationer är ganska sköra krävs extra skydd mot orkaner och andra naturfenomen.

Vindgeneratorer «Darrieusrotor»

Sådana enheter tillhör kategorin vertikala vindturbiner, men har uttalade skillnader i konstruktionen. Tack vare dessa egenskaper uppnås lägre buller, och även effektivitetskoefficienten ökar, vilket närmar sig nivåerna hos horisontella modeller.

Den 1931 av den franska flygkonstruktören Georges Darrieus föreslagna lågtrycksturbinen med en rotationsaxel vinkelrät mot luftströmmen har funnit bred användning inom vindenergiteknik.

En nackdel med sådana konstruktioner är det låga startmomentet (på grund av endast två blad har enheten svårt att starta på egen hand). För att lösa problemet används ofta en hybrid «Savonius+Darrieus».

Segelvindkraftverk

För sådana anläggningar kan principen från både vertikala och horisontella vindturbiner tillämpas. Den främsta konstruktionsegenskapen är ett vindhjul täckt med många blad eller segel, och sådana modeller har ingen aerodynamisk profil.

Det finns många modeller av segelvindgeneratorer som skiljer sig åt i antal blad, vikt och effekt. Alla dessa parametrar bör beaktas vid val av enhet.

Trots att segelanläggningar kännetecknas av låg hastighet och låg effektivitet, används de ofta i hushållsnära sammanhang. Sådana konstruktioner är lätta att installera och använda, och kombinationen av högt vridmoment med låga varv gör det möjligt att direkt driva olika användbara mekanismer, till exempel en pump för att pumpa vatten.

Ett exempel på en praktiskt realiserad segelvindturbinmodell presenteras i följande galleri:

Generator för vindturbin

För att vindturbiner ska fungera krävs vanliga trefasgeneratorer. Konstruktionen av sådana enheter liknar modeller som används i bilar men har större parametrar.

I vindturbinsapparater finns en trefas statorlindning (kopplad i stjärnkoppling), från vilken tre ledningar går till en regulator, där växelspänningen omvandlas till likspänning.

Rotorn till generatorn för vindturbinen tillverkas med neodymmagneter: i sådana konstruktioner är det inte lämpligt att använda elektrisk excitation eftersom spolen förbrukar mycket energi.

För att öka varvtalet används ofta en multiplikator. En sådan anordning gör det möjligt att öka effekten hos den befintliga generatorn eller använda en mindre enhet, vilket sänker installationskostnaden.

Multiplikatorer används oftare i vertikala vindturbiner, där rotationsprocessen för vindhjulet går långsammare. För horisontella enheter med hög bladrotationshastighet krävs inga multiplikatorer, vilket förenklar och billigar konstruktionen.

Specifikationen för montering och installation av en vindturbin från en tvättmaskin och en vindanläggning från en bilgenerator beskrivs i detalj i de artiklar vi rekommenderar.

För- och nackdelar med vindgenerator

Låt oss i detalj granska fördelarna och nackdelarna med vindturbiner, eftersom det är dessa som avgör beslutet att köpa ett vindkraftverk eller avstå från det.

Fördelar med vindkraftsanordningar

Till fördelarna med enheter som utnyttjar vindenergi hör:

• Miljövänlighet. Anläggningarna använder en förnybar energikälla som kan användas kontinuerligt utan att skada miljön. Elen som produceras av vindturbiner ersätter energi från värmekraftverk och minskar utsläppen av växthusgaser.
• Mångsidighet. Vindkraftverk kan byggas nästan överallt: på slätter, i berg, på fält, på öar och till och med på grunt vatten. Vindenergi är särskilt värdefull på avlägsna platser där det är svårt att dra fram vanliga elledningar. Vindturbiner gör det möjligt att ordna elförsörjning till objekt och göra dem oberoende av slumpmässiga faktorer (till exempel bränsle som inte levereras i tid).
• Användningseffektivitet. Moderna modeller omvandlar även svag vind – minimigränsen är 3,5 m/s. På så sätt kan man producera extra el till det centraliserade nätet, samt ordna elförsörjning till enskilda objekt (öar eller lokala) oavsett deras effekt.
• Ett värdigt alternativ till traditionella källor. Stationära vindkraftverk kan helt förse ett bostadshus eller till och med en mindre produktionsanläggning med el. I så fall lagrar turbinen den erforderliga elen i batterier för användning under vindstilla perioder.
• Ekonomi. Jämfört med traditionella elkällor (gas, torv, stenkol, olja) kan vindturbiner avsevärt minska energikostnaderna. I många fall är det billigare att bygga ett vindkraftverk än att ansluta till befintliga energisystem.

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

Den genomsnittliga effekten från en vindturbin skiljer sig markant från toppbelastningen. En vindgenerator ansvarar endast för mängden energi som produceras under en viss tidsperiod vid den genomsnittliga månadsvindhastighet som är typisk för området.

För en mer noggrann bedömning av vindresurserna kan du använda särskilt framtagna data (Weibullparametrar). Dessa indikatorer återspeglar fördelningen av vindar av olika styrka som är typisk för en viss plats. Sådan information är viktig att beakta vid utveckling av projekt för vindkraftsparker med en effekt på tiotals MW.

Den effekt som en vindturbin producerar är proportionell mot vindhastigheten i kubik. Därför är denna effekt mycket låg vid svaga vindströmmar, men ökar kraftigt när de förstärks. På grund av vindarnas växlande riktning och hastighet måste stabiliserande komponenter ingå i konstruktionen av en vindturbin.

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

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

När belastningen ökar kan batteriet laddas ur. Detta är viktigt att beakta vid val av en hushållsaggregat – dess effekt måste motsvara den månatliga eller årliga normen för elförbrukning.

Det bör noteras att ett effektivt utnyttjande av vindströmmar underlättas av mångfalden av konstruktioner hos vindgeneratorer.

Horisontella turbiner ger höga resultat på slättland där det blåser mycket, medan vertikala turbiner fungerar bättre i regioner med turbulenta vindströmmar som förekommer lågt över marken (på toppen av kullar, bergskedjor).

De främsta nackdelarna med vindkraftverk

Samtidigt har vindkraftverk sina negativa sidor:

• Det är svårt att förutsäga vindstyrkan i förväg eftersom den ofta ändras. Därför är det önskvärt att planera en säkerhetslösning genom att ha en reservenergikälla (solpaneler, anslutning till elnätet).
• Vertikala enheter riskerar att propellerns blad förstörs på grund av centrifugalkrafter när bladen roterar runt huvudaxeln. På grund av en sådan effekt deformeras och förstörs viktiga konstruktionsdelar med tiden, och mekanismen slutar fungera.
• Vindkraftverk bör helst installeras på öppen plats eftersom närliggande byggnader kan 'dämpa' vinden och skapa en 'död' luftzon.
• För att lagra överskottsenergi från vindturbiner måste konstruktionen innefatta batterier och andra extra apparater som omvandlar den erhållna elektriciteten till ström med lämpliga konsumentegenskaper.
• När vindkraftverken är i drift avger de buller som kan orsaka obehag för människor och skrämma bort djur. Rotorbladen kan även orsaka att fåglar som flyger in i dem omkommer.
• Enligt vissa experter kan vindturbiner försämra mottagningen av radio- och tv-sändningar.

Till de negativa aspekterna kan man även räkna den ganska höga kostnaden för sådana aggregat, men energikällans låga pris uppväger till stor del denna faktor.

Kopplingsscheman och anslutningsmetoder

Även om en vindkraftsanläggning kan arbeta autonomt, kan ett betydligt bättre resultat uppnås med hjälp av kombinerade system som innefattar en vindkraftsenhet tillsammans med solpaneler, ett centraliserat elnät, diesel- eller gasenergikällor.

Autonom drift. I detta fall installeras en enstaka anläggning med vars hjälp vindenergi fångas upp och lagras, som sedan omvandlas till den elektriska ström som konsumenterna behöver.

Schemat visar det enklaste sättet att använda en vindgenerator, vilket är lämpligt i regioner där det ständigt blåser starka vindar.

Kombination av vindgenerator med solpaneler. Det kombinerade alternativet anses vara ett pålitligt och effektivt sätt att försörja el. Vid avsaknad av vind drivs batteriet av solpaneler, och vid molnigt väder och under natten sker laddningen från vindkraftsanläggningen.

Ett idealiskt alternativ för ett privat hem eller hushåll som ligger långt från det centrala elnätet. Ett sådant kombinerat system gör det möjligt att använda två typer av förnybar energi.

Kombinerad drift av vindgenerator och elnät. Vindturbiner kan kombineras med elnätet.

Ett sådant schema är typiskt för industriella och kommersiella enheter. Anslutning till elnätet föreskrivs även för vissa modeller av hushållsvindgeneratorer.

Vid överskott av producerad el matas den ut i det centrala nätet, och vid brist finns möjlighet att använda elström från det allmänna energisystemet.

Nyanser i användningen av vindgeneratorer

För närvarande används vindturbiner inom olika sektorer av ekonomin. Industriella modeller med olika effekter används av olje- och gasbolag, telekommunikationsföretag, borr- och prospekteringsstationer, produktionsanläggningar och statliga institutioner.

En vindturbin kan användas som extra energikälla på sjukhus och andra institutioner för att säkerställa kontinuerlig elförsörjning i nödsituationer.

Det är särskilt viktigt att notera vikten av att använda vindkraftsanläggningar för snabb återställning av strömavbrott vid katastrofer och naturkatastrofer. För detta ändamål används vindgeneratorer ofta av räddningstjänsten (MTjS).

Hushålls-vindturbiner är utmärkta för att ordna belysning och uppvärmning av villasamhällen och privata hem, samt för hushållsändamål på gårdar.

Man bör dock tänka på följande:

• Enheter upp till 1 kW kan endast ge tillräckligt med el i blåsiga områden. Vanligtvis räcker energin de producerar endast för LED-belysning och mindre elektroniska apparater.
• För att helt förse ett sommarhus (fritidshus) med el behövs en vindgenerator med en effekt över 1 kW. Det är tillräckligt för belysning, samt dator och TV, men effekten räcker inte för att förse ett modernt kylskåp som är igång dygnet runt.
• För att förse en villa med energi behövs en vindturbin på 3-5 kW, men även en sådan effekt räcker inte för uppvärmning av hus. För att kunna använda en sådan funktion behövs en kraftfullare variant från 10 kW och uppåt.

När du väljer modell bör du beakta att den effekt som anges på enheten endast uppnås vid maximal vindhastighet. Till exempel kommer en anläggning på 300 W att producera den angivna mängden energi endast vid en vindhastighet på 10-12 m/s.

För dig som vill bygga en vindgenerator själv föreslår vi följande artikel, där användbar information beskrivs i detalj.

Slutsatser och användbar video om ämnet

I videon nedan ges detaljerad information om arbetsprincipen och konstruktionen av en hushållsmodell av en vindgenerator:

Vindgeneratorn är en utmärkt källa för elproduktion, som särskilt uppskattas av boende i avlägsna områden. Olika ryska och utländska företag erbjuder ett brett sortiment av vindkraftsanläggningar, dessutom kan hushållsmodeller göras själv.

Vänligen skriv kommentarer i blocket nedan. Berätta om hur du byggde en vindgenerator på din tomt, eller om hur en vindturbin fungerar hos dina grannar. Ställ frågor, dela användbar information och bilder om ämnet.