Вітрогенератори з горизонтальною віссю обертання
Вітрогенератори з горизонтальною віссю обертання можуть використовувати для перетворення енергії вітру підйомну силу чи силу опору. Пристрої, що використовують підйомну силу, переважніше, оскільки вони можуть розвинути в кілька разів більшу силу, ніж пристрої з безпосередньою дією сили опору. Останні, крім того, не можуть переміщатися зі швидкістю, що перевищує швидкість вітру. Внаслідок цього лопаті, на які діє підйомна сила (вітроколеса), можуть бути більш швидкохідними (швидкохідність-відношення окружної швидкості елемента поверхні до швидкості вітру) і мати краще співвідношення потужності і маси при меншій вартості одиниці встановленої потужності[20, с.61].
Вітроколесо може бути виконано з різною кількістю лопатей; від однолопастний вітрогенераторів з контрвантажами до вбагатолопатеву (з числом лопатей до 50 і більше). Вітроколеса з горизонтальною віссю обертання виконують іноді фіксованими за напрямом, тобто вони не можуть обертатися щодо вертикальної осі, перпендикулярної напрямку вітру. Такий тип вітрогенераторів використовується лише при наявності однієї, пануючого напрямку вітру. У більшості ж випадків система, на якій укріплено ветроколесо (так звана голівка), виконується поворотною, що орієнтується за напрямком вітру. У малих вітрогенераторів як правило застосовуються для цієї мети хвостові оперення, у великих - орієнтацією керує електроніка.
Для обмеження частоти обертання вітроколеса при великій швидкості вітру використовується ряд методів, у тому числі установка лопатей у флюгерне положення, використання клапанів, встановлених на лопатях або обертових разом з ними, а також пристрої для виведення вітроколеса під вітру за допомогою бокового плану, розташованого паралельно площині обертання колеса.
Лопаті можуть бути безпосередньо закріплені на валу генератора, або ж поводить момент може передаватися від його обіду через вторинний вал до генератора, або інший робочій машині [19, с. 20].
З (рис. 1.4) видно, як встановлена потужність Руст, що розвивається вітроколеса з горизонтальною віссю обертання, залежить від його розмірів.
Рис.1.4 Потужності вітрогенераторів різних розмірів при швидкості вітру 7,6 м / с
Перпендикулярне напрямок дії вітру на установки з горизонтальною віссю обертання виявилося малоефективним, оскільки також вимагає використання систем орієнтації і порівняно складних методів знімання потужності, що веде до втрати їх ефективності. Вони не мають переваг в порівнянні з іншими типами вітродвигунів з горизонтальною і вертикальною віссю обертання [20, с.29].
Вітрогенератори з вертикальною віссю обертання
Такі ротори мають важливі переваги перед вітрогенераторами з горизонтальним розташуванням осі. Для них відпадає необхідність у пристроях для орієнтації на вітер, спрощується конструкція і зменшуються гіроскопічні навантаження, що викликають додаткові напруги в лопатях, системі передач та інших елементах установок з горизонтальною віссю обертання.
До таких установок відносяться пристрої з пластинами, чашеобразную або турбінними елементами, а також роторами Савоніуса з лопатями S-подібної форми, на які діє також і підйомна сила. Пристрої такого типу володіють великим початковим моментом, однак меншими швидкохідністю і потужністю в порівнянні із звичайним ротором [20,с. 21].
У 1920 р. у Франції Дарині запропонував новий тип ротора, інтенсивною розробкою якого почали займатися з 1970 р. Зараз вітрогенератор Дарині може розглядатися в якості основного конкурента вітрогенераторів крильчатого типу.
Ротор Дарині відноситься до вітрогенераторів, що використовують підйомну силу, яка з'являється на вигнутих лопатях, що мають у поперечному перерізі профіль крила. Ротор має порівняно невеликий початковий момент, і велику швидкохідність, в силу цього - відносно велику питому потужність, віднесену до його маси або вартості. Такі ротори мають різну форму (Φ-, Δ-, Υ-і ромб-подібну) з однією, двома або більшою кількістю лопатей [10, с.119].
Крила пропелера повинні бути легкими і в той же час досить міцними. Вони робляться з дерева, сталі або штучних матеріалів - таких як фиберглас [15, с.167].
Сучасні вітрогенератори звичайно, більш продуктивні ніж вітряки. Кількість вироблюваного ними електрики залежить від сили вітру та площі лопатей пропелерів. Наприклад, збільшуючи вдвічі площа лопатей, можна отримати вчетверо більше електрики.
Малі та середні вітрові турбіни як правило постачають електрикою острови або невеликі віддалені поселення. У США, наприклад, вітрогенератор на острові Каттіханк Айленд, розташованому неподалік від узбережжя штату Массачусетс, виробляє достатньо енергії для постачання двохсот чоловік - всього населення острова. У нашій країні вітрогенератори застосовуються, в основному, на півночі - на Кольському півострові, в Якутії і навіть на антарктичних наукових станціях [17, с.200].
Сьогодні в США, Великобританії, Данії та Канаді виробляються вітрові турбіни потужністю 1 МВт електроенергії (цього вистачає, щоб миттєво закип'ятити 500 чайників). Найбільші вітрогенератори у світі - англійська LS-1 на острові Оркні і американська MOD5-B на Гавайських островах. Лопаті англійської турбіни мають розмах 60 метрів, вона виробляє приблизно 3 МВт електроенергії. Американська ще більше: розмах лопатей 96 метрів.
Однак навряд чи вітрова енергетика буде розвиватися по шляху гігантизму. Швидше, майбутнє належить середнім турбін, більш зручним у виробництві та експлуатації. Як би не були великі і потужні сучасні вітрогенератори, вони поки не можуть повністю забезпечити потреби великих міст. Невеликі вітрові електростанції успішно діють у багатьох країнах світу. У США, наприклад, де безліч ферм і малих міст розташовано у важкодоступній місцевості, всіляко заохочується будівництво вітрогенератор в 1,5 кіловата. На одному з Північно-Фризьких островів в Німеччині вже багато років працює установка для опріснення морської води, а на острові Пельворм навіть створено полігон для випробувань різних моделей вітроустановок. У нашій країні вітрогенератори малої потужності успішно застосовуються в південних тваринницьких господарствах для механізації підйому води. Практика показала, що використання їх обходиться в 4 рази дешевше, ніж використання дизельних двигунів, і в 10 разів дешевше підвозу води автомобілями [14, с.33].
Мінливість сили вітру вимагає надійної акумуляції (збереження) енергії на періоди затишшя. Однак існуючі акумулятори електроенергії дуже дорогі і можуть працювати з хорошою віддачею лише з малими вітрогенераторами. Внаслідок цього енергію вітру краще акумулювати в самому продукті, який вона виробляє, - у змеленого борошні, подрібнених кормах, воді, що наповнила водонапірну башту. Все це підвищує цінність застосування вітрової енергії саме в сільському господарстві.
Одна з переваг вітроустановок полягає в тому, що вони діють як би в унісон з нашими потребами. У більшості регіонів земної кулі найбільш сильні вітри дмуть восени і на початку зими - як троянд тоді, коли людина найбільше потребує світла і тепла. І навпаки, часи затишшя - в основному влітку - збігаються з періодами скорочення споживання енергії (ми говоримо, зрозуміло, про побутове споживанні). Але це та інші гідність виглядають блідо в порівнянні з основним недоліком: щоб збільшити потужність вітроустановки, треба нарощувати розмір лопатей, тобто, утяжелять конструкцію. Однак тоді для роботи вітрогенератора буде потрібно ще більша швидкість вітру, а значить, звузяться райони застосування установки. Зачароване коло.
Також є такі різновиди:
Вітрогенератор безшумний, інерційний з вертикальним ротором, який використовує у своїй роботі принцип магнітної левітації - це єдино правильне вкладення грошей у період світової економічної кризи для повного автономного забезпечення електроенергією, опаленням, гвс.
Вітрогенератори виготовляються різної потужності від 500Вт-25кВт.
Кожен ротор проходить серію регулювань і центрування, тому що в майбутньому потрібно безперебійна робота двох магнітів, виконаних із спеціальних сплавів неодимові магніти. Вони спроектовані, вироблені і випробувані в різних кліматичних умовах.
До достоїнств вітрогенераторів можна віднести самостарт (на швидкості 1.5 м / с) і самораскрутку на швидкості вітру 3.5 м / сек, плавну роботу за рахунок зміщення лопатей закріплених на верхній кришці вітрогенератора щодо монолітно закріпленого короба. Лопаті зафіксовані на верхній кришці генератора. легко зміщається щодо тіла завдяки неодіумовим магнітів, в польоті, один над одним (ці магніти виконують роль підшипників). Через відсутність тертя між магнітами, лопатям легко розкрутити кришку генератора до якої з внутрішньої сторони приєднані також неодіумовие магніти. Між полюсами яких при ковзанні знаходяться мідні котушки.
Малі вітрогенератори
До малої вітроенергетики відносяться установки потужністю менше 100 кВт. Установки потужністю менше 1 кВт відносяться до мікро-вітряній енергетиці. Вони застосовуються на яхтах, с / г фермах для водопостачання і т. д.
Малі вітрогенератори можуть працювати автономно, тобто без підключення до загальної електричної мережі.
Будова малої вітряної установки:
Ротор, лопаті, вітротурбіна
Генератор (як правило це синхронний трифазний з порушенням від постійних магнітів напругою = 24 В)
Щогла з розтяжками
Контролер заряду акумуляторів
Акумулятори (не обслуговуються на 24 В)
Інвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц)
Мережа
Вважається, що застосування малих вітрогенераторів в побуті малоцелесообразно через:
Високої вартості інвертора ~ 50% вартості всієї установки (застосовується для перетворення змінного або постійного струму одержуваного від вітрогенератора в ~ 220В 50Гц (і синхронізації його по фазі з зовнішньою мережею при роботі генератора в паралель)
Високої вартості акумуляторних батарей ~ 25% вартості установки (використовується в якості джерела безперебійного живлення при відсутності або пропажі зовнішньої мережі)
Для забезпечення надійного електропостачання до такої установці іноді додають дизель-генератор, порівнянний за вартістю з усією установкою.
В даний час, незважаючи на зростання цін на енергоносії, собівартість електроенергії не становить скільки значну величину у основної маси виробництв на тлі інших витрат. Ключовим для споживача залишається надійність і стабільність електропостачання.
Основними факторами приводять до подорожчання енергії одержуваної від вітрогенераторів є:
Необхідність отримання електроенергії промислового якості ~ 220В 50 Гц (застосовується інвертор)
Необхідність автономної роботи протягом деякого часу (застосовується акумулятори)
Необхідність тривалої безперебійної роботи споживачів (застосовується дизель-генератор)
В даний час найбільш економічно доцільно отримання за допомогою вітрогенераторів НЕ електричної енергії промислової якості, а постійного або змінного струму (змінної частоти) з наступним перетворенням його за допомогою ТЕНів в тепло, для обігріву житла та отримання гарячої води. Ця схема має кілька переваг:
Опалення є основним енергоспоживачів будь-якого будинку в Росії.
Схема вітрогенератора і керуючої автоматики кардинально спрощується.
Схема автоматики може бути всамому простому випадку побудована на декількох теплових реле.
В якості акумулятора енергії можна використовувати звичайний бойлер з водою для опалення та гарячого водопостачання.
Споживання тепла не так вимогливо до якості і безперебійності, температуру повітря в приміщенні можна потдерживаю в широких діапазаонах 19-25 ° С - в бойлерах гарячого водопостачання - 40-97 ° С без шкоди для споживачів.
Найбільш перспективними регіонами для розвитку малої вітроенергетики вважаються регіони з вартістю електроенергії більше $ 0,1 за кВт • год Собівартість електроенергії, виробленої малими вітрогенераторами в 2006 р. в США становила $ 0,10 - $ 0,11 за кВт • год AWEA очікує, що в найближчі 5 років собівартість знизиться до $ 0,07 за кВт • год
AWEA прогнозує, що до 2020 року сумарна потужність малої вітряної енергетики США зросте до 50 тис. МВт, що складе близько 3% від сумарних потужностей країни. Вітряні турбіни будуть встановлені в 15 млн будинках і на 1 млн малих підприємств. У галузі малої вітроенергетики будуть зайняті 10 тис.чоловік. Вони щорічно будуть виробляти продукції і послуг на суму більш ніж $ 1 млрд [10, с.102].