Тема 4. Конструкции ветрогенераторов. Ветрогенераторы с

Тема 4. Конструкции ветрогенераторов. Ветрогенераторы с вертикальной
и горизонтальной осью вращения (3 часа)
Устройство ветроэлектрической установки. Ветрогенераторы с вертикальной
и горизонтальной осью вращения. Преимущества и недостатки.
Основные
компоненты ветроэлектрической установки. Крыло-стабилизатор. Система передачи
мощности ветронасосной установки.
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) —
устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую.
Компоненты ветроустановки
К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна,
относят следующие элементы:
Генератор – необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности
зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для
выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от
скорости и стабильности ветра.
Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической
энергии ветра.
Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра.
Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты
бывают разных форм и высот.
Список дополнительных необходимых компонентов
Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как
поворот
лопастей,
заряд
аккумуляторов,
защитные
функции
и
др.
Он
преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в
постоянный для заряда аккумуляторных батарей.
Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в
безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее
напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без
перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от
аккумуляторных батарей.
Ан
немоскоп и датчик
к направлеения ветр
ра – отвеч
чают за сббор данны
ых о скоррости
и направвлении веттра в устаановках ссредней и большой
й мощностти.
АВ
ВР – аввтоматичееский пеереключаттель истточника питания. Произвводит
автомати
ическое переключе
п
ение меж
жду неско
олькими источника
и
ами электтропитани
ия за
промежууток в 0,5 секунд
ды при исчезноввении осн
новного источник
ка. Позвооляет
объедини
ить ветрооустановк
ку, общесственную электроссеть, дизеель-генераатор и дрругие
источникки питан
ния в еди
иную авттоматизир
рованную
ю системуу. Внимаание: АВР не
позволяеет работатть сети одного
о
оббъекта одновремен
нно от дввух разны
ых источн
ников
питания!!
Ин
нвертор – преобраазовываетт ток из постоянн
ного, котоорый нак
капливаеттся в
аккумуляяторных батареях
х, в пееременный, котор
рый потрребляет большин
нство
электроп
приборов..
Стр
троение прромышлеенной ветрряной усттановки
Рисунок
Р
44.1. Строеение ветро
огенератоора
1 – Фундам
мент; 2 - Силовой
С
шкаф, вкключающий силоввые контаакторы и цепи
управлен
ния; 3 – Башня; 4 – Лесттница; 5 - Поворо
отный мееханизм; 6 – Гонд
дола;
7 - Элекктрически
ий генераттор; 8 - С
Система слеженияя за напраавлением
м и скоростью
ветра (аанемометрр); 9 - Тормозна
Т
ая систем
ма; 10 – Трансмииссия; 11
1 – Лопаасти;
12 - Систтема измеенения уггла атаки ллопасти; 13 - Колп
пак роторра
Типы ветрогенераторов
Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения
и с горизонтальной.
Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается. Уже сейчас за
вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы
обеспечить
энергонезависимость
своему
загородному
дому.
Обычно
для
обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки
номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с.
Если
местность
не
ветреная,
ветрогенератор
можно
дополнить
фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с
вертикальными осями могут быть дополнены более меньшими ветрогенераторами
(например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом
одно другому не мешает — источники будут замечательно друг друга дополнять).
Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения
Ветрогенератор с вертикальной осью вращения - имеет очень высокую
эффективность, поскольку он предназначен для максимального сопротивления
потокам ветра, и его лопасти генерируют электроэнергию максимально эффективно
с помощью ветра.
Особенностью вертикального ветрогенератора VAWT Sauer является вогнутая
сторона высокого сопротивления, которая передает усилие ветра непосредственно
на вал ротора, который связан непосредственно с генератором, преобразующим
энергию в электричество. Сила сопротивления при этом является контролируемой, а
крутящий момент турбины можно регулировать путем увеличения размера лопастей
и расстояния до центра масс, а не вертикальной высоты.
Сила, возникающая в напоре ветра непосредственно прикладывается к оси
вращения турбины, тем самым извлекая максимальную мощность на низких
скоростях ветра.
Считается, что ветрогенераторы с вертикальной осью вращения более
эффективны, чем горизонтальные, и могут быть объединены в массивы, в которых
турбулентности, созданные отдельно стоящими ветряными турбинами могут помочь
вращатьсся сосед
дним тур
рбинам, ттем самы
ым увели
ичивая ээффективвность об
бщей
системы. В отлич
чие от веетровой ттурбины с горизон
нтальнойй осью, этти парам
метры
могут поовысить эффективн
ность, а н
не уменьш
шать ее.
Раззработаноо больш
шое коли
ичество разнообр
разных вветрогенеераторов
с
вертикалльной осью вращ
щения, в которых
х для со
оздания ввращающ
щего мом
мента
использууются силлы сопроттивления и подъем
мная сила рабочих лопастей
й:
Риссунок 4.2. Виды роторов
1 — ротор Савониу
уса; 2 — ротор Савониуса многоллопастный
й; 3 — ротор
р
пластинччатый; 4 — ротор чашечны
ый: 5 — ро
отор Дарьье Ø-обраазный;6 — ротор Дарье
Д
Δ-образн
ный; 7 — ротор с прям
мыми кры
ыловидны
ыми лопаастями (Giromill) 8 ветроген
нератор с криволин
нейными пластинч
чатыми ло
опастями ; 9 — ротторы Дарьье Øобразный
й
и Савониус
С
са; 10 — ротор
р Савони
иуса щеелевой; 11- ротоор с
использоованием эффекта
э
Магнуса;
М
12 -рото
ор с несущ
щими паррусными плоскосттями;
13 — вветроколеесо с реф
флекторны
ым устро
ойством; 15 — вветроколеесо с тррубой
Вентури; 16 — веетроколессо с вихреевым устр
ройством..
Ветрогенераатор с веертикальн
ной осью
ю вращени
ия вследсствие сво
оей геомеетрии
при люб
бом напраавлении ветра
в
нахходятся в произвол
льном пооложении
и. Кроме того,
такая схеема позвооляет за счет
с
удли
инения ваала распол
ложить реедуктор с генератором
в основании башн
ни:
Рисунок 4.3. Консструктивн
ная схема ветрогенератора с вертикал
льной осьью
ввращенияя типа Дар
рье: 1 — стартер (ротор
(
Саавониуса)); 2 — вал
л; 3 —
электроггенераторр; 4 — тор
рмозное уустройствво; 5 — рабочая поопасть; б — растяж
жки;
7 — рама;
р
К пр
реобразовватель наапряженияя; 9 — акк
ккумулято
ор
Кллючевые преимуще
п
ества верттикальногго ветроггенератор а
Ни
изкая старртовая ск
корость вветра. Вертикаль
В
ьный ветррогенераттор вращаается
вне заввисимости
и от напр
равления ветра, и начинается вращ
щение с самого
с
ти
ихого
бриза
Ветрогенераатор верттикальны
ый
имееет
выссокое
КП
КПД крыл
ла- благоодаря
сочетани
ию парусса и профи
иля Жукоовского
Ветрогенераатор вертикальны
ый не ну
уждается в обслууживании (в строоении
генератоора нет щееток, реду
укторов, ообслуживваемых по
одшипникков).
нарращивани
ие номинальной ввыходной мощностти Ветроггенератор
ра в проц
цессе
эксплуаттации досстигаетсяя путем дообавленияя модулей
й
Ветрогенераатор верттикальный
й не имееет ограничений ппо защитее расстоян
нием
при устаановке вбллизи жил
лья, т.к. ш
шумовая нагрузка находиттся в пр
ределах до 20
ДБ , не и
имеет маггнитного излучени
ия и вибраации
Ветрогенераатор
не требуеет
испо
ользовани
ия дополлнительны
ых устроойств
запуска
веттряк абсоолютно беезвреден для пти
иц, пчел и окруж
жающей среды
с
, может
м
устанавлливаться
максим
мально бллизко к жилью,
ж
на пути миграции
и перелеттных
птицблагодаря
использованию
разных
типов
магнитных
систем,
а
также
мнокополюсность расположения магнитов в генераторе, ветрогенератор достигает
номинальной мощности на малых оборотах.
Ветрогенератор устойчиво работает в агрессивных средах ( морской воздух,
резкие
перепады
температуры),
благодаря
полностью
непроницаемому
алюминиевому саркофагу генератора.
Вертикальный ветрогенератор высоко устойчив к сильному ветру, достаточно
устойчив, чтобы выдержать ураганный ветер.
Ветряк имеет легкие и простые модули, спроектированная для облегчения
транспортировки и возведения.
Ветрогенератор требует минимум места для размещения.
Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения.
В
связи
с
перпендикулярным
направлением
действия
ветра
на
ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения потребовалось применение
системы ориентации и сравнительно сложных способов съема мощности. Это
снизило их эффективность и усложнило конструкцию ветродвигателей.
Схемы работы ветрогенератора
Рису
унок 4.4. Схемы рааботы веттрогенерааторов
Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7—
10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветряной
фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства
ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года)
исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно
увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.
Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для
размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы
более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.
В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные
проблемы:
Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно
рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва
ветра может упасть.
Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно
увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для
эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть
изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в
генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее
скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно
снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и
ротор останется неподвижным.
Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных
ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
Отключение.
При
резких
колебаниях
скорости
ветра
срабатывает
электрическая защита аппаратов входящих в состав системы, что снижает
эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая
вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
Нестабильность
работы
генератора.
Из-за
того
что
в
большинстве
промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы,
стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри
гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары
ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветряных
электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных
ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает
слишком большую скорость и, как следствие, лопается.
Список использованных источников:
1. Ю.А. Лосюк, В.В. Кузьмич «Нетрадиционные источники энергии», Минск,
2005
2. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс
лекций), 2004
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Ветроэнергетика
4. Фатеев Е.М. «Ветродвигатели и ветроустановки». – М.: ОГИЗ–Сельхозгиз,
1948
5. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. «Ветронасосные и ветроэлектрические
агрегаты» – М.: Колос, 1967
6. Шефтер Я.И., «Использование энергии ветра» - М.: Энергоатомиздат, 198