Самый мощный ветрогенератор

Энергия ветра является одной из форм солнечной энергии. Ветры появляются из-за неравномерного прогрева атмосферы солнцем, неровностей земной поверхности и вращения Земли. Направление потоков ветра изменяется в зависимости от рельефа земной поверхности, наличия водоемов и растительного покрова.
Ветогенераторы используют это движение воздуха и преобразуют его в механическую энергию, а затем в электричество. В этой статье будет кратко затронут вопрос о том, как работает ветрогенератор, а также вопросы о достоинствах и недостатках ветроэнергетики.

Люди начали использовать энергию ветра несколько столетий назад, когда появились ветряные мельницы, которые качали воду, мололи зерно или выполняли другие функции. Сегодняшний ветрогенератор является весьма продвинутой версией ветряной мельницы. Большинство ветровых турбин имеют три лопасти, закрепленные на вершине стальной башни — мачты. Вестрогенератор высотой в 25 м может снабжать электричеством жилой дом, ветрогенератор высотой в 80 м может обеспечивать электричеством сотни домов.

Как работает ветрогенератор?

При прохождении ветра через турбину, лопасти за счет кинетической энергии ветра начинают вращаться. Это приводит во вращение внутренний вал, который соединен с редуктором, увеличивающим скорость вращения и подключенным к генератору, который осуществляет выработку электроэнергии. Чаще всего ветряные турбины состоят из стальной полой мачты, высота которой может достигать 100 м, ротора турбины, лопастей, оси генератора, редуктора, генератора, инвертора и аккумулятора. Часто ветрогенераторы оснащаются оборудованием оценки и автоматического поворота в направлении ветра, а также могут изменять угол или «шаг» лопастей для оптимизации использования энергии.

Типы ветрогенераторов

Современные ветровые турбины делятся на две основные группы;

  • с горизонтальной осью вращения, как в традиционных ветряных мельницах, используемых для откачки воды;
  • с вертикальной осью вращения, это роторные и лопастные конструкции Дарье.

Большинство современных ветрогенераторов имеют горизонтальную ось вращения турбины.

Обычно они состоят из:

  • мачты полой внутри, сделанной из металла или бетона;
  • гондолы, которая крепится наверху мачты и в которой находятся валы, редуктор, генератор, котроллер и тормоз;
  • ротора, в который входят лопасти и ступица;
  • низкоскоростного вала, который приводится в движение ротором;
  • высокоскоростного вала, который подсоединен к генератору;
  • редуктора, которые механически соединяет низкоскоростной и высокоскоростной вал, увеличивая скорость вращения последнего;
  • генератора, который вырабатывает электроэнергию;
  • контроллера, который управляет работой ветрогенератора;
  • флюгера, который определяет направление ветра и ориентирует турбину в необходимом направлении;
  • анемометра, который определяет скорость ветра и передает данные контроллеру;
  • тормоза, для остановки ротора в критических ситуациях.

Преимущества и недостатки ветроэнергетики

Возобновляемый источник энергии

Энергия ветра является общедоступным, возобновляемым ресурсом, поэтому независимо от того, сколько ее используется сегодня, в будущем она по-прежнему будет доступна. Энергия ветра является также источником относительно чистого электричества — ветряные электростанции не выделяют загрязняющих воздух веществ или парниковых газов.

Стоимость

Даже при том, что стоимость энергии ветра резко сократилась за последние 10 лет, ее использование требует более значительных первоначальных инвестиций, чем приобретение генераторов, работающих на ископаемом топливе. Около 80% стоимости составляет техника, с подготовкой площадки и установкой. Тем не менее, если сравнивать использование ветрогенератора и установки, работающей на ископаемом топливе, в течение всего срока эксплуатации, то ветроэнергетическая установка становится гораздо более конкурентоспособной, поскольку для нее не требуется приобретение топлива, а эксплуатационные расходы сведены к минимуму.

Воздействие на окружающую среду

Хотя ветряные электростанции влияют на окружающую среду не так значительно, как электростанции, работающие на ископаемом топливе, они все же создают некоторые проблемы. Их лопасти создают шум, визуально они могут портить ландшафт, о них разбиваются птицы и летучие мыши. Большинство из этих проблем решаются в той или иной мере за счет различных технологий и разумного размещения электростанций.

Другие проблемы, связанные с ветрогенераторами

Основная проблема, связанная с использованием энергии ветра, заключается в том, что ветер дует не всегда, когда требуется электричество, в некоторых местностях ветра дуют очень слабо, так что там не выгодно использовать ветрогенераторы. Ветер нельзя хранить, как бензин (хотя электроэнергию, полученную за счет ветра, можно хранить при помощи аккумуляторных батарей). Местности с сильными ветрами часто бывают не очень удобны для заселения. Наконец, ветроэнергетические установки могут создавать проблемы для других способов эксплуатации земли. Ветряные турбины могут мешать выпасу скота или занимать место под посевы.

Анастасия Литвинова

(Просмотрели12 496 | Посмотрели сегодня 8 )

Мощность ветрогенератора и зависимость от скорости ветра и высоты мачты

Почему же так важно «не потерять» ни одного метра в секунду? Определим зависимость мощности ветрогенератора от скорости ветра.

1. Кинетическая энергия воздуха, движущегося ламинарно (без завихрений) W=1/2mV2, где m — масса воздуха, V – его скорость.

2. Массу воздуха, проходящего за время t и площадь S можно выразить следующим образом: m=VtSρ, где: S – площадь, описываемая винтом ВГ, ρ – плотность воздуха.

3. Чтобы определить мощность (P), делим энергию на время, подставляем выражение для массы, получаем: P=1/2V3Sρ.

4. Если теперь умножить выражение на КПД устройства в целом, включающее в себя коэффициент преобразования лопастей винта, коэффициент полезного действия редуктора и генератора (ƞ), получим реальную мощность «ветряка»: P=1/2V3Sρ ƞ. На практике обычно значение ƞ лежит в пределах 0,4-0,5.

Как видно из расчета, мощность ВГ пропорциональна третей степени скорости ветра, то есть увеличение скорости в 2 раза даст увеличение мощности в 8 раз!

Таким образом, скорость ветра и отсутствие турбулентностей (завихрений) должны иметь решающее значение при выборе места установки ветрогенератора. Из этих соображений идеально подходят:

  • берег крупного водоема;
  • вершина горы или возвышенности;
  • центр протяженного поля.

Увы, в реальной жизни мало кто имеет на своем участке моря, поля и горы. Поэтому принцип только один – чем выше установка, тем лучше. В идеале, Ветрогенератор должен быть выше не менее, чем на 6 (шесть) метров окружающих его предметов (дома, деревьев, строений, возвышенностей), чтобы оказаться в зоне ламинарного движения воздуха.

Приведем простой пример, который можно легко проверить в on-line калькуляторе для расчета на нашем сайте. Рассмотрим модель пятилопастного ветрогенератора HY-1000, стоящий в «бесконечном» поле вблизи Санкт-Петербурга:

  • При высоте мачты 5 метров максимальная выработка достигается в сентябре и составляет 1,38кВтч/сутки;
  • Если увеличить высоту мачты до 10 метров, получим 2,43 кВтч/сутки;
  • Увеличим высоту до 20 метров и получим уже – 3,12 кВтч/сутки.

Вывод напрашивается сам собой — часто вместо увеличения мощности ветрогенератора достаточно увеличить высоту мачты.

Решающая роль места установки «ветряка» в эффективности энергосистемы

Очень велик соблазн приделать мачту ветрогенератора к дому для увеличения высоты всей конструкции. Несмотря на очевидные плюсы, данный подход имеет ряд минусов:

Во-первых, установка издает звуки, и звуки эти отлично могут быть переданы по мачте на конструкцию дома, что со временем будет раздражать его жителей. Во-вторых, если здание находится в черте города, могут потребоваться дополнительные согласования в надзорных органах.

Стоит также обратить внимание на конструкцию самой мачты. Если горизонтальные линейные размеры мачты сравнимы или превышают размеры ВГ, то, собственно, сама мачта может являться источником турбулентности.

Очень показательный пример, когда мачта по сути мешает работать системе, плюс частично затеняет солнечные батареи, представлен на фотографии.

Особое внимание нужно уделить выбору сечения кабеля. Так как ВГ находится на мачте, а контроллер заряда где-то в доме, длина линии может быть значительной, равно как и падение напряжения. Это может привести к снижению эффективности заряда аккумуляторных батарей. Из этих соображений, площадь сечения кабеля должна быть достаточно большой, чтобы данный эффект был незначителен. Для расчёта площади сечения кабеля следует обратиться к правилам, описанным в статье Расчёт сечения провода.

В отличие от монтажа солнечных батарей, установка «ветряка» часто влечет за собой капитальные строительные работы, такие как бетонирование основания, монтаж свай для растяжек, сварочные работы. Тем не менее, правильно выполненный монтаж обеспечит надежную и эффективную работу системы, и максимальную выработку энергии на протяжении всего срока эксплуатации.

Читать другие статьи..