Устройство ветрогенератора, типы ветряных электростанций [ВЭС]

Ветрогенераторы являются одним из наиболее распространенных и эффективных способов производства электроэнергии из неисчерпаемых источников энергии. Они используют энергию ветра для преобразования ее в электрическую энергию.

Как устроен ветрогенератор

Устройство ветрогенераторов обычно включает в себя следующие основные компоненты:

1. Лопасти находятся на вершине ветрогенератора и являются основными элементами, которые захватывают энергию ветра. Лопасти могут быть изготовлены из различных материалов, таких как углеродное волокно, алюминий или стекловолокно.
2. Генератор преобразует энергию ветра в электрическую энергию и передает ее на выходную сторону ветрогенератора. Генераторы могут быть разных типов, но наиболее распространенными являются синхронные генераторы с постоянными магнитами или генераторы с возбуждением от постоянных магнитов.
3. Система управления контролирует работу ветрогенератора и управляет его работой. Система управления может включать в себя различные датчики, контроллеры и другие устройства, которые обеспечивают стабильную и эффективную работу ветрогенератора.
4. Тормозная система необходима для торможения лопастей при сильном ветре для избежания поломки установки. Датчик ветра передает данные в блок управления, и если скорость ветра превышает 50 км/ч, вращение ротора замедляется. При 80 км/ч система полностью останавливает лопасти.
5. Поворотный механизм необходим, чтобы лопасти смогли “поймать” ветряной поток, так как он может проходить в разных направлениях.
6. Трансмиссия (коробка передач) необходима для передачи крутящего момента с лопастей, вращающихся со скоростью 15-20 об/мин, к электрическому генератору, ротор которого вращается со скоростью 1500-1800 об/мин.
7. Генератор необходим для переработки механической энергии вращающихся лопастей в электрическую энергию переменного тока.

Строительная часть

Так, крупные ВЭС, используемые в промышленных масштабах, имеют гигантские размеры. Так, самый массивный ветрогенератор в мире – Enercon E-126 – имеет высоту башни 126 метров и диаметр лопастей 126 метров. Для устойчивости, и во избежание опрокидывания таких массивных конструкций, передающих вертикальные нагрузки на основание и испытывающих горизонтальные нагрузки от ветра, необходим фундамент. Обычно его делают массивным железобетонным, так как центр тяжести конструкции расположен на значительной высоте. Башня имеет округлую форму для создания обтекаемости и снижения ветровых нагрузок на нее. Внутри нее расположена лестница для доступа мастера, производящего обслуживание.

Электрическая часть

Чтобы использовать ток, полученный с использованием ветрогенератора, его необходимо преобразовать. Для этого необходима инверторная система. Инверторная система – устройство, которое преобразует постоянный ток, производимый генератором, в переменный ток, необходимый для питания различных электрических приборов.

Все перечисленные компоненты работают совместно, чтобы создать электрическую энергию из энергии ветра. Ветрогенераторы могут быть установлены на земле или на воде. Они могут использоваться как для производства электроэнергии для собственных нужд, так и для продажи электроэнергии на рынок.

Типы ветряных электростанций (ВЭС)

Ветряные электростанции могут различаться по размеру, мощности и другим параметрам. Классифицировать их можно по-разному. В зависимости от мощности и расположения лопастей ветрогенератор может быть вертикальным, горизонтальным или гибридным. По функциональности – мобильные и стационарные. По типу конструкции – роторные и крыльчатные, по расположению – прибрежные, наземные, оффшорные, плавающие.

Вертикальные ветрогенераторы

Вертикальные ветрогенераторы могут быть установлены на земле, на крышах зданий или на мачтах, установленных на высоких столбах. Они могут использовать различные типы лопастей, включая фиксированные лопасти или лопасти, которые могут поворачиваться вокруг своей оси. Лопасти устанавливаются на горизонтальной оси вращения. Такой тип – самый распространенный, занимает долю 90% на мировом рынке. Максимальная эффективность вертикальных ВЭС достигается, когда ветровой поток направлен перпендикулярно плоскости лопастей. Для этого в конструкции ветрогенератора предусмотрено у малых ветрогенераторов хвостовое оперение. У больших установлена электронная система слежения за направлением ветра.

Одним из преимуществ вертикальных ветрогенераторов является их компактность и возможность установки на небольших участках земли. Кроме того, они могут быть более эффективными, чем горизонтальные ветрогенераторы, и иметь высокую мощность и производительность благодаря более высокой скорости ветра на высоте.

Однако, вертикальные ветрогенераторы также имеют свои недостатки. Они могут быть менее эффективными при слабом ветре и требуют более сложных систем управления, чтобы обеспечить оптимальную работу. Также они могут создавать шум и вибрацию, которые могут быть нежелательными для жителей близлежащих домов. Также они требуют больших затрат на установку и имеют высокий центр тяжести. Поэтому при проектировании необходимо тщательно рассчитать мероприятия по предотвращению опрокидывания конструкции.

В целом, вертикальные ветрогенераторы являются перспективным направлением в развитии возобновляемой энергетики. Их использование может быть выгодным для многих стран и регионов, где есть доступ к ветрам достаточной силы.

Горизонтальные ветрогенераторы

Горизонтальные ветрогенераторы используют лопасти, расположенные горизонтально. Они имеют меньшую стоимость установки и обслуживания, чем вертикальные, но их производительность может быть ниже. Они могут иметь различную мощность в зависимости от размера лопастей и количества генераторов. Обычно они используются для производства электроэнергии в промышленных масштабах.

Основным преимуществом горизонтальных ветрогенераторов является их эффективность. Они могут работать при слабом ветре, что делает их более экономичными, чем другие виды генераторов. Кроме того, горизонтальные ветрогенераторы не создают шума и не загрязняют окружающую среду. Это делает их привлекательным вариантом для экологически чистых проектов.

Однако у горизонтальных ветрогенераторов есть и недостатки. Они занимают много места и нуждаются в специальных условиях для установки.

Гибридные ветрогенераторы

Гибридные ветрогенераторы — это сочетание вертикальных и горизонтальных ветрогенераторов, которые могут быть установлены как на суше, так и на море. Станции гибридного типа сочетают в себе преимущества обоих типов и могут быть более эффективными, чем каждый из них по отдельности. Они имеют сложную конструкцию и дорогостоящие, но более эффективные.

Выбор типа ветряной электростанции зависит от многих факторов, включая доступность места установки, бюджет, требования к мощности и другие факторы. Важно учитывать все эти факторы при выборе типа ветрогенератора для конкретной ветровой электростанции.

Мобильные ветрогенераторы

Мобильные ветрогенераторы представляют собой установку, которая может перемещаться с места на место. Они обычно имеют небольшую мощность и используются для питания небольших объектов, таких как частные дома, офисы или магазины. Стационарные ветрогенераторы устанавливаются на постоянной основе и имеют большую мощность. Это позволяет им обеспечивать электроэнергией целые населенные пункты и крупные промышленные предприятия.

Роторный ветрогенератор

Роторный ветрогенератор использует вращающийся ротор, который преобразует энергию ветра в механическую энергию. Эта энергия затем преобразуется в электрическую энергию с помощью генератора. Ветрогенератор роторного типа обычно имеет более высокую эффективность, чем крыльчатый, и может производить больше электроэнергии за счет своих больших размеров. В настоящее время существует великое множество изобретенных роторов, самый известный – ротор Савониуса. Ротор Ворониных-Савониуса – это, как минимум, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения. И какое бы направление ветра ни было, как бы резко он не изменял свои порывы, такой ветряк будет спокойно вращаться вокруг своей оси, вырабатывая энергию.

Ветрогенераторы с ротором Дарье имеют вертикальную ось вращения и две или три лопасти, представляющие собой плоскую полосу. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль.

Среди достоинств ротора Дарье можно подчеркнуть:

• отсутствие системы ориентации на ветер;
• технологическую простоту изготовления лопастей;
• возможность размещения приводного оборудования на уровне земли, что значительно упрощает его техническое обслуживание.

Но среди недостатков можно выделить:

• относительно низкую эффективность работы лопастной системы, по сравнению с горизонтально-осевыми ВЭУ;
• более низкие сроки службы опорных узлов, за счет более высоких динамических нагрузок на них со стороны ротора.

Также двухлопастные ветрогенераторы с ротором Дарье при равномерном набегающем потоке не могут запускаться самостоятельно. Для их запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя или ротор Савониуса.

Крыльчатый ветрогенератор

Крыльчатый ветрогенератор использует крыльчатку, которая вращается под действием ветра и создает поток воздуха, приводящий в движение генератор. Ветрогенератор крыльчатого типа может быть более компактным и легким, чем роторный, что делает его более удобным для установки на небольших площадках.

Типы ВЭС

Прибрежные ветрогенераторы — это ветрогенераторы, которые устанавливаются на побережье или вблизи от берега. Они используют силу ветра, которая усиливается за счет близости к воде и легкодоступности энергии.

Наземные ветрогенераторы – это ветрогенераторы с вертикальной осью вращения. Эти ветрогенераторы работают на земле, обычно в отдаленных местах, где нет возможности установить ветрогенератор на берегу.

Оффшорные ветрогенераторы устанавливаются в море и могут быть установлены на глубине до нескольких сотен метров. Это делает их более эффективными, чем наземные ветрогенераторы.

Плавающие ветрогенераторы представляют собой систему, в которой ветрогенератор находится на плавучей платформе или на плоту и использует силу ветра для производства электроэнергии. Они могут использоваться в случаях, когда доступ к суше ограничен или невозможен.

Достоинства и недостатки

Среди достоинств ВЭС можно выделить отсутствие необходимости в каком-либо топливе или иных ресурсах и возможность предоставить энергию любому пункту, вне зависимости от того, насколько далеко он расположен от магистральных линий. Недостатки ВЭС заключаются в полной зависимости от ветра, его силы и равномерности, необходимости дополнительных устройств для подготовки тока для использования его в бытовых нуждах. Например, в безветренное время работа ВЭС прекратится, а ураган может вывести генератор из строя. На 2022 год в мире благодаря ветроэлектростанциям (ВЭС) суммарно производится 77587 МВт электричества. Среди стран лидерами по производству подобной энергии являются Китай, США, Бразилия, Германия и Швеция.

Заключение

Ветрогенераторы являются одним из наиболее перспективных способов производства электроэнергии из возобновляемых источников энергии. Однако, ветрогенераторы имеют свои недостатки. Например, они могут создавать шум и вибрацию, что может негативно сказаться на окружающей среде. Кроме того, для их работы необходимо наличие ветра, что ограничивает их использование в некоторых регионах. Тем не менее, ветрогенераторы продолжают развиваться и совершенствоваться, и их применение будет только увеличиваться в будущем. В настоящее время они уже играют важную роль в производстве электроэнергии, и ожидается, что их роль будет только возрастать в ближайшие годы.