Princip činnosti větrného generátoru • Zařízení, návrh větrné elektrárny

Hledání alternativních způsobů získávání energie probíhá již řadu let. Jedním typem takového zařízení jsou větrné generátory, které jsou schopny vyrábět elektřinu pomocí větru. Princip fungování větrného generátoru je založen na schopnosti energie přecházet z jednoho typu na druhý.

Toto zařízení funguje následovně: vítr má kinetickou energii, kterou lze přeměnit na mechanickou energii rotoru. Dále zařízení přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii. Tímto způsobem můžete získat elektřinu zdarma. Výkon větrných elektráren se může pohybovat mezi 5-4500 kW. Dnes bylo vyvinuto zařízení, které je schopné vyrábět elektřinu i při velmi nízké rychlosti větru 4 m/s.

Princip fungování větrného mlýna je poměrně jednoduchý, takže takové zařízení lze vyrobit nezávisle. Využití tohoto zařízení poskytne možnost nejen ušetřit na nákladech za elektřinu, ale také jej prodat za podmínek „výkupního tarifu“ státu. Tento způsob výroby energie je vhodný pro jakékoli objekty umístěné v prostoru bez centralizovaného napájení nebo lze použít jako doplňkový zdroj. Je to optimální volba a umožňuje autonomně elektrifikovat jakýkoli objekt.

Vlastnosti zařízení větrného generátoru

Toto zařízení má lopatky, které jsou poháněny silou větru. Tato rotace spustí turbínu, která se také začne otáčet. Turbína začne vyrábět energii, jejíž výkon je dán silou větru. S rostoucí energií větru se zvyšuje i mechanická energie generovaná turbínou.

Konstrukce větrného generátoru se může lišit v přítomnosti nebo nepřítomnosti násobiče na rotoru. Pokud je k dispozici, přenáší se na něj energie z turbíny. Účelem multiplikátoru je urychlit rotaci osy. Instalace bez tohoto zařízení jsou efektivnější, protože nevytvářejí dodatečnou energii (pro urychlení rotace osy), a proto ji neplýtvají. K plnému fungování takového zařízení stačí větrná energie.

Princip fungování větrné elektrárny umožnil získat elektřinu alternativním způsobem a zajistit autonomii každého zařízení. Výkon tohoto zařízení je zcela určen velikostí jeho lopatek. Čím větší je jejich plocha, tím vyšší výkon lze získat pomocí principu fungování větrné turbíny.

Výkon větrných zařízení se vypočítá na základě kubické závislosti rychlosti proudění větru. Kubická závislost znamená, že pokud rychlost větru, podmíněně 6 m/s, poskytuje instalační výkon 100 W, pak zvýšení průtoku na 12 m/s povede k osminásobnému zvýšení výkonu – až 800 W.

Pokud je turbína malá, bude k výrobě vysokého výkonu zapotřebí velmi silný vítr. Pokud je turbína velká, je schopna dodat požadovaný výkon i při nízkých rychlostech větru.

Konstrukce větrné turbíny zcela určuje její schopnost generovat určité množství elektřiny za jednotku času v závislosti na rychlosti proudění větru.

Návrh větrných generátorů

Mnoho lidí se zajímá o to, jak funguje větrný generátor z hlediska jeho konstrukce, takže této problematice budeme věnovat zvláštní pozornost. Takové instalace zahrnují následující funkční jednotky:

• zařízení, které přeměňuje sílu větru na energii;
• dobíjecí baterie;
• střídač;
• regulátor nabíjení.

Zařízení, která přeměňují větrnou energii na elektrickou energii, zahrnují:

• turbína, tzn. rotor, který přeměňuje energii proudění větru na přímočarý pohyb;
• generátor, který přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii;
• stožár (tento konstrukční prvek může být „příhradového“ typu nebo trubkový);
• řídicí systém turbíny;
• multiplikátor (v závislosti na modelu);
• systém pohonu ocasu nebo azimutu;
• usměrňovač, který je nutný při použití alternátorů pro správné nabití baterie.

Pokud jde o výkon, všechna zařízení na výrobu větru jsou klasifikována do domácností, charakterizovaných výkonem 1-10 kW, a průmyslová – od 500 kW.

Úpravy zařízení na výrobu větru

Princip fungování větrné elektrárny umožnil vytvořit vybavení domácnosti, které se liší umístěním osy turbíny. V horizontálních verzích jsou rozdíly v systémech, které ovládají rotory. U azimutálního pohonu je směr větru pevně stanoven elektronicky. V závislosti na přijatých datech dojde k obratu od větru, pokud je jeho rychlost vyšší než jmenovitá.

Pokud je řídicí systém aeromechanický, jsou na lopatkách generátoru speciální pohyblivé prvky. Právě toto konstrukční řešení umožňuje měnit umístění roviny lopatek v závislosti na směru větru. To zajišťuje nejefektivnější provoz zařízení.

Větrné generátory charakterizované svislou osou jsou nízkoúčinná zařízení, která se v důsledku toho nedoporučuje používat. Mezi takové neefektivní vybavení patří:

• “Darrieus” je rotor, který je vhodný pouze pro použití jako anemoskop.
• „Savonius“ je rotor, jehož nevýhodou je stávající koeficient předstihu. Toto zařízení není schopno samovolně nastartovat, musí se roztočit. Pokud se tak nestane, bude možné přijímat elektřinu až poté, co vítr dosáhne rychlosti 10 m/s.

Nejrozšířenější jsou v dnešní době generátory větrných turbín s horizontální osou otáčení. To je způsobeno skutečností, že v takových instalacích není obtížné dosáhnout 30% faktoru využití energie proudění větru. Tato hodnota může být za určitých podmínek vyšší. Při svislé ose otáčení dosahuje tento koeficient v nejlepším případě 20 %. V důsledku toho je větrná energie využívána neefektivně.

Pokud porovnáme napájení z větrného generátoru a solárních modulů, tak podle schématu zapojení pro konkrétní stavbu jsou totožné. Proto v jednom takovém napájecím systému mohou být oba generátory. To vám umožní získat maximální množství elektřiny z alternativních zdrojů.

Vlastnosti použití větrného generátoru

Je třeba vzít v úvahu, že každých 10 metrů stoupání umožňuje získat rychlost větru o 1 m/s více. V souladu s tím výška stožáru přímo určuje, jak efektivně může generátorové zařízení pracovat. Také průměr rotoru ovlivní provozní účinnost, takže je vhodnější, aby byl velký.

Pro provoz zařízení je důležitá rychlost proudění větru. Při rychlosti 1,5 m/s se lopatky začnou otáčet. Výroba energie začíná, když rychlost větru dosáhne 3 m/s. U ukrajinských větrných generátorů je nominální rychlost větru 7-9 m/s. Takové zařízení je schopno pracovat při rychlosti proudění vzduchu až 52 m/s, což je asi 200 km/h.

Větrné generátory se vyznačují širokou škálou aplikací. Jsou instalovány v soukromých domácnostech, podnicích, izolovaných budovách a dalších zařízeních, která vyžadují autonomní napájení. Pro instalaci je vhodnější zvolit otevřené prostory. Mohou to být kopce, kopce a dokonce i mělké vody.

Zařízení na výrobu větru lze používat jednotlivě nebo ve skupině. U rozsáhlých objektů jsou taková zařízení kombinována do parků. Může být použit jako hlavní nebo doplňkový zdroj energie.

větrný generátor (větrná elektrárna nebo zkráceně větrná turbína) je zařízení pro přeměnu větrné energie na elektrickou energii.

Nejprve přeměňuje kinetickou energii větru na mechanickou energii rotoru a poté na elektrickou energii. Výkon větrného generátoru může být od 5 kW do 4500 kW. Moderní zařízení generují energii i z velmi slabého větru – od 4 m/s. Větrné elektrárny mohou být součástí soukromé nezávislé elektrárny a umožnit prodej přebytečné energie státu za podmínek „výkupního tarifu“. Takové stavby mohou být zdrojem energie pro místní a ostrovní zařízení, protože řeší problémy s dodávkami energie autonomně.

Jak funguje větrný generátor: princip přeměny větrné energie

Proudění větru otáčí lopatkami větrného generátoru: procházejí turbínou, aktivují ji a ta se začne otáčet. Na hřídeli turbíny se objeví energie, která bude úměrná proudění větru. Čím silnější vítr, tím větší množství vyrobené energie. Dále je energie přenášena podél hřídele rotoru do násobiče (pokud existuje), který ji generuje. Vezměte prosím na vědomí, že zařízení bez násobiče, který urychluje rotaci osy, jsou produktivnější, protože se nevytváří a přirozeně neplýtvá přebytečná energie a rychlost větru je zcela dostatečná pro optimální provoz větrného generátoru. Generátor přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii.

Výkon větrné turbíny se měří „zametenou“ plochou turbíny. Čím větší je velikost čepele, tím větší výkon vytváří. Výkon větrného generátoru se vypočítá na základě kubické závislosti rychlosti větru.

příklad

Pokud proudění větru o rychlosti n vytvoří výkon 100 W, pak proudění o hodnotě n+1 vytvoří výkon 300 W, ale n+2 již vytvoří 900 W.

Pokud tedy velikost turbíny není velká, pak je potřeba velmi silné proudění větru, aby byl výkon vysoký a naopak – velká turbína dokáže vyrobit stejný výkon při slabším větru.

Ale aby byl provoz větrného generátoru vyvážený a produkoval potřebné množství energie, je nutné správně vypočítat všechny potřebné parametry větrné elektrárny ve fázi návrhu.

Design větrné farmy

Z čeho se systém skládá?

Systém se skládá z:

1. větrná turbína;
2. regulátor nabíjení;
3. baterie;
4. střídač.

Design větrné turbíny

Samotná konstrukce větrné elektrárny zahrnuje:

• Stožár (může být trubkového nebo příhradového typu):
• Turbína – jedná se o rotor určený k přeměně energie přímočarého pohybu proudu vzduchu;
• Řídicí systém turbíny;
• Generátor přeměňuje větrnou energii na elektrickou energii;
• Přenos výkonu Lanka (násobič nebo samotný hřídel);
• Usměrňovač (protože větrné turbíny často používají generátory střídavého proudu, aby správně nabily baterii nebo poslaly energii do sítě (domácí segment));
• Systém pohonu azimutu nebo ocasní plochy (někdy jsou instalovány stroje, ve kterých je k větrnému mlýnu připevněn „ocas“; je orientován ve větru nezávisle).

Pomůžeme vám vybrat větrný generátor

Typy větrných turbín

Podle výkonu a rozsahu použití se větrné generátory dělí na

• průmyslové (výkon od 500 kW);
• Domácnost (výkon 0-10 kW).

Zařízení s výkonem od 10 do 500 kW se používají velmi zřídka.

Konstrukčně se typy větrných turbín pro domácnost liší konstrukcí rotoru (turbíny)

1. S vodorovnou osou. Řídicí systém turbíny (rotoru) se liší, může to být:
   • aeromechanické (na lopatkách jsou instalovány speciální „klapky“, které mění úhel směru větru: čím vyšší je rychlost větru, tím větší je úhel náběhu lopatek a naopak). Změnou úhlu náběhu můžeme řídit turbínu v nízkých i vysokých otáčkách pro efektivní a správný chod zařízení.
   • s azimutovým pohonem (elektronika zaznamenává rychlost a směr větru, otáčí nebo natáčí turbínu od větru, pokud rychlost větru překročí jmenovitou rychlost).
2. Se svislou osou – Jedná se o neúčinná zařízení, která se kvůli řadě nevýhod nedoporučuje používat.
   Liší se typem turbín:
   • Savonius rotor. Jejich nevýhodou je předstihový koeficient. Je-li rychlost větru 10 m/s, pak se špička turbíny bude otáčet rychlostí 100 m/s, respektive koeficient předstihu je 10. Ve skutečnosti se větrná turbína nemůže sama rozběhnout, potřebuje roztočit a teprve poté začne fungovat. Pokud se tak nestane, začne generovat energii až při rychlosti větru 10 m/s nebo více.
   • Darrieův rotor. Používají se pouze jako anemoskopy, protože jsou neúčinné.

V současné době jsou široce používány větrné generátory s horizontální osou otáčení (lopatkové), protože jejich faktor využití energie proudění větru (WEF) snadno dosahuje 30 % i více, a pro větrné generátory s vertikální osou otáčení , WEF je asi 20 %.

Obytný energetický systém využívající větrný generátor je podobný systému se solárními moduly; ve stejném systému lze použít větrné generátory i solární moduly.

Množství vyrobené energie závisí na výšce stožáru a průměru rotoru následovně: na každých 10 metrů se větrný mlýn zvedne, přidá se 1 m/s rychlosti větru. Čím vyšší je stěžeň, tím je pravděpodobnější, že bude fungovat co nejefektivněji. A stejná situace s rotorem: čím větší průměr, tím větší produkce energie.

Hodnoty síly proudění větru pro provoz větrného mlýna

1. Rychlost větru pro začátek rotace lopatek, při kterém není vůbec žádný výkon, je od 1,5 m/s.
2. Minimální rychlost větru, při které začíná výroba energie, je 3 m/s.
3. Nominální rychlost větru (pro ukrajinské větrné generátory) je 7-9 m/s.
4. Maximální rychlost větru, při které zůstává větrný generátor ukrajinské výroby v provozu, je 52 m/s (200 km/h), což svědčí o vysoké kvalitě instalace a pevnosti výrobních materiálů.

Aplikace a doporučení pro místo instalace větrného generátoru

Větrné generátory jsou široce používány v zařízeních pro různé účely: soukromé domy a domácnosti, podniky, jednotlivé struktury, které vyžadují autonomní napájení. Instalují se v otevřených, nejlépe vyvýšených oblastech, kde je dobrý větrný potenciál: pole, hory (kopce), ostrovy a dokonce i mělké vody. Větrné generátory mohou být instalovány buď jednotlivě, nebo ve skupinách a sloučit se do větrné farmy, která dodává energii velkým podnikům. Nejčastěji se větrné elektrárny používají k napájení autonomních budov, kde není připojení k městské elektrické síti. Nízkoenergetické větrné mlýny se používají na lovištích, rybářských táborech, v letních chatách pro včelaře a na autonomních lampách pro osvětlení silnic.

V současné době je použití větrných generátorů jako alternativy k centralizovanému napájení nerentabilní kvůli vysokým nákladům na zařízení, ale zároveň je možné použít větrné generátory v místech, kde není centralizované napájení nebo jsou časté přerušení. Doba návratnosti – 25 let.

Existuje také technická možnost vytvoření generátoru, který vyrábí střídavý proud, který lze použít k přímému napájení spotřebičů, které nevyžadují nepřetržité napájení, například čerpadlo pro odvodnění oblasti.

Na Ukrajině lze na celém území používat větrné generátory s různou účinností. Nejvýnosnější je z hlediska větrného potenciálu umístit větrné generátory na Krym a Zakarpatí.