Устройство и расчет ветроэлектростанций


СОДЕРЖАНИЕ:

Расчет выработки энергии ветрогенераторной станцией

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно.

Основная проблема ветровых турбин заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

  • ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
  • применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
  • применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии.

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).
Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.
Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т.п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно.

Ветряк для частного дома — деньги на ветер. Весь расклад по цифрам в рублях и киловаттах.

Вопрос ветроэнергетики в наше инновационное время интересует очень многих. Те, кто хоть раз посещал Европейские страны на своем авто, наверняка видели огромные ветропарки.
Сотни генераторов встречаются по пути.

Наблюдая такую картину, многие начинают верить, что получение эл.энергии при помощи ветра, весьма перспективное и выгодное занятие. Мудрые европейцы ошибаться то не могут.

Наверняка после очередного подорожания электроэнергии, вы задумывались об установке у себя на участке ветрогенератора. Тем самым, обеспечив если не всю, то большую часть своих потребностей в электричестве.

Некоторые даже подумывают таким образом стать независимыми от электросетей. Насколько это реально и возможно? К сожалению, для 90% владельцев частных домов, эти мечты так и останутся мечтами.

К сожалению, в нашей стране не так много регионов, где скорость ветра находится хотя бы на уровне 5-7 метров в секунду. Берутся данные в среднем за год. В подавляющем большинстве широт, пригодных для проживания, эта самая скорость равняется максимум 2-4 м/с.

Это говорит о том, что ваша ветроустановка большую часть времени, элементарно не будет работать. Для стабильной выработки электричества, ей нужен ветер около 10 м/с.

Фактически за час, 2квт генератор подарит вам не более 100Вт.

Еще вы столкнетесь с другой проблемой ветра, о которой умалчивают производители. Около земли, его скорость гораздо меньше чем наверху, там где ставятся промышленные установки высотой 25-30м.

Вы же свой агрегат будете монтировать максимум на десяти метрах. Поэтому даже не ориентируйтесь на таблицы ветров с разных сайтов. Эти данные вам не подходят.

Производители скромно умалчивают, что для их карт ветроресурсов, замеры производятся на высоте от 50 до 70 метров! К тому же там не учтены данные по турбулентности, завихрениям.

Попробуете задрать повыше чем 10м, обязательно задумаетесь о молниезащите. Наэлектризованные трением воздуха лопасти, очень вкусная приманка для разрядов!

К тому же, почему-то все беспокоятся только о таком параметре, как скорость ветра, и при этом забывают про его плотность или давление. А разница для энергетики весьма существенная. Зависимость выработки электроэнергии от давления ветра непропорциональная.

Кроме того, есть определенное лукавство в указанных технических характеристиках генераторов.

Верить им конечно можно, но только для идеальных условий. Потому что:

    показания эти снимаются в аэротрубе
    и в ламинарном потоке при неизменном направлении и повышенной плотности

У вас же на дачном участке скорость ветра может быть такой, что не получится и вал прокрутить, не то что вырабатывать энергию.

И это весной или осенью. Именно в этот период происходят наиболее активные перемещения воздушных масс.

Не забывайте, что ветряк работает не в режиме холостого хода вертушки, а должен раскрутить ротор генератора в окружении неодимовых магнитов.

И это только до тех пор, пока электрический потенциал ветряка ниже напряжения АКБ. При достижении напряжения достаточного для начала заряда, аккумулятор превращается в нагрузку.

Если применить тихоходные конструкции с вертикальной осью вращения, то здесь уже присутствует повышающий редуктор. Вы пытались раскрутить повышающий редуктор? Такая конструкция усложняется, увеличивается вес, парусность, стоимость.

Даже на маяках Северного флота, учитывая там постоянные ветра и полярную ночь, специалисты предпочитают использовать солнечные батареи. На вопрос почему так, отвечают по-простому – проблем меньше!

Большие промышленные ветротурбины могут передавать энергию напрямую в сеть, минуя всякие аккумуляторы.

А вот вы без них обойтись никак не сможете. Без АКБ не будет работать ни телевизор, ни холодильник. Даже освещение будет светить урывками, в зависимости от порывов ветра.

При этом за 12-15 лет работы генератора, вы обязаны будете сменить 3-4 комплекта АКБ, тем самым вдвое увеличив свои начальные расходы. Причем мы берем чуть ли не идеальный вариант, когда аккумуляторы будут разряжаться не больше половины от своей емкости.

Конечно вы можете купить дешевые модели АКБ, но затраты от этого не станут меньше. Просто поход в магазин за новыми батареями будет осуществлен не 4 раза, а уже 8.

Еще о чем стоит серьезно задуматься — это наличие свободного места. Причем по площади оно может уходить на 100 и более метров в каждую сторону от мачты.

Ветер должен свободно гулять по лопастям, и без помех их достигать со всех сторон. Получается, что вы должны проживать либо в степи, либо возле моря (лучше непосредственно на его берегу).

Идеальное место будет на вершине холма. Где с позиции аэродинамики, воздушный поток уплотняется с соответствующим увеличением скорости и давления ветра.

О соседях рядом забудьте. Их сады и двух-трехэтажные особняки, здорово “попьют вашу кровушку”, каждый раз перекрывая попутный ветерок. Также как и соседние лесопосадки.

Те же самые промышленные ветряки, не располагают непосредственно друг за другом, а монтируют их по диагонали. Каждый последующий, не должен закрывать предыдущий.

4-я причина – высокая цена. Не ведитесь на цены продавцов в прайс листах. В них никогда не показывается реальная стоимость всего необходимого оборудования.
Поэтому цены всегда умножайте на 2, даже при выборе так называемых готовых комплектов.

Но и это еще не все. Не забудьте про эксплуатационные расходы, доходящие до 70% от стоимости ветряков. Попробуйте поремонтировать генератор на высоте, либо каждый раз демонтировать и разбирать-собирать мачту.

Еще не забудьте про периодическую замену АКБ. Поэтому не рассчитывайте, что ветряк может вам обойтись в 1 доллар за 1квт эл.энергии.

Когда вы посчитаете все реальные затраты, окажется что каждый киловатт мощности такого ветрогенератора, обошелся вам минимум в 5 баксов.

Пятая причина, неразрывно связана с первыми четырьмя. Это срок окупаемости затрат.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.

Безусловно, электроэнергия с каждым годом дорожает. К примеру 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Давайте проведем примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества.

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Как мы уже выяснили ранее, стоимость такой модели около 200тысяч. Но с учетом всех доп.расходов, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэфф. установленной мощности (он для маленьких ветряков не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите 75квт.

Даже если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. Если и предположить что электричество от ТЭС подорожает в 4 раза, то случится такое не завтра, и даже не через 5 лет.

Какие выводы можно сделать из всего вышесказанного?

Ветрогенератор в нынешних российских условиях – это убыточный агрегат.

Чтобы хоть как-то обосновать его применение, цена электроэнергии уже сегодня должна доходить до 30 рублей за 1 квт.

Использование ветряка может быть обосновано в двух случаях:

    у вас поблизости нет внешних электросетей или вам не дают к ним подключаться
    у вас есть дизель генератор, но доставить для него топливо нет возможности

При этом, устанавливаться ветряк должен в районе со средне годовой скоростью ветра не менее 5-6 м/с. Только в этих случаях ветроустановка будет хорошей альтернативой.

Фактически, в таких условиях вы просто вынуждены выбрать из всех зол наименьшее. При этом, не верьте в суперэффективность других моделей вертикальной или шарообразной формы, собранных на неодимовых магнитах.

Конечный результат будет всегда один. Энергия, которую производит ветряк, зависит только от:

    скорости ветра
    площади, которую описывают лопасти

Поэтому, если вы уже подключены к электросети, не ищите себе лишних приключений и головных болей. Выгоды никакой вы не найдете, по крайне мере на сегодняшний день.

Ну а тем, кто живет далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, стоит приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Так как от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Другая категория потребителей, вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а наоборот, предпочитает самодельные ветряки от мастеров самоучек. Свои выгоды в этом тоже имеются.

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. И практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку, если что-то пошло не так, или ее нужно подремонтировать. С этим проблем уж точно не будет.

У промышленных китайский ветряков, внешний вид конечно посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

Птенцы иногда попадают под раздачу крутящейся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

А закончить хотелось бы мудростью от тех пользователей, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами. Запомните, самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор!

Устройство и принцип работы ветрогенератора

Как устроен ветрогенератор

Любой ветрогенератор состоит из таких компонентов как;

— генератор, который вырабатывает переменный ток, и в дальнейшем преобразуется в постоянное напряжение, предназначенное для зарядки аккумуляторов. От скорости ветра зависит и мощность генератора;- лопасти, предназначены для передачи вращения к валу генератора через редукторы и стабилизаторы скорости вращения ротора генератора;
— мачта ветряка должна иметь достаточную высоту. Чем выше находятся лопасти, тем больше они получат энергии ветра.

Также в устройство ветрогенератора входят;

— контроллер, необходимый для преобразования переменного напряжения идущего с генератора, в постоянное напряжение и последующей зарядкой аккумуляторов. Контроллер управляет поворотом лопастей, и контролируют направление ветра;
— аккумуляторы накапливают электроэнергию, чтобы использовать ее при небольшом ветре или его отсутствии. Батарея также хорошо стабилизирует электроэнергию, полученную от генератора;
— датчик направления ветра помогает лопастям «поймать» ветер;
— АВР представляет собой устройство автоматического переключения между ветрогенератором и другими источниками электроэнергии, например электросетью, генератором, солнечными панелями;
— инвертор предназначен для преобразования постоянного тока, поступающего с аккумуляторов, в переменное напряжение для домашней электросети. Инверторы могут разделяться по типу синусоиды для разных потребителей электроэнергии.

  1. Инвертор модифицированной синусоиды на выходе выдает квадратную синусоиду, предназначенную для не требовательных потребителей к качеству сети – это тэны, накальные лампы освещения.
  2. Инверторы с чистой синусоидой по качеству выходного напряжения подходят даже для самых требовательных потребителей электроэнергии.
  3. Инверторы трехфазного напряжения предназначены для трехфазных сетей.
  4. Сетевой инвертор работает без аккумулятора и способен к выводу электроэнергии в общую сеть.

Принцип действия ветрогенератора

Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальная ось соединена с вертикальным ротором. Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси.

Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.

Схемы работы ветрогенераторов

Вариантов работы ветрогенератора может быть несколько:

  1. Автономная работа ветрогенератора.

Автономная работа ветрогенератора

  1. Такая совместная работа считается очень надежным и эффективным способом автономного электроснабжения. При отсутствии ветра, работают солнечные батареи. Ночью, когда не работают солнечные батареи, аккумулятор заряжается от ветровой установки.

Параллельная работа ветрогенератора с солнечными панелями

  1. Ветрогенератор также может работать параллельно с электросетью. При избытке электроэнергии, она поступает в общую сеть, а при недостатке ее потребители электроэнергии работают от общей электросети.

Параллельная работа ветрогенератора с электросетью

Ветряные генераторы могут прекрасно работать с любыми видом автономного электроснабжения и общей электросетью. Создавая при этом единую систему энергоснабжения.

Бытовой ремонт №1

Выберите надежных мастеров без посредников и сэкономьте до 40%!

  1. Заполните заявку
  2. Получите предложения с ценами от мастеров
  3. Выберите исполнителей по цене и отзывам

Разместите задание и узнайте цены

Ветрогенераторы как источник электроэнергии не так давно завоевали популярность у жителей загородных участков. Перед установкой необходимо сделать расчет ветрогенератора для своей местности. Этот экологически чистый прибор для выработки электричества бывает двух видов:

  • с горизонтальной осью
  • с вертикальной осью

Последние более эффективны и технологичны. Единственным минусом вертикальных ветрогенераторов является их высокая цена. Часто такие приборы окупаются в течение пятнадцати лет. Поэтому ветрогенераторы используют как дополнительный источник энергии. Установить их можно своими руками.

Как выбрать ветрогенератор

Если грамотно подойти к вопросу покупки вертикального ветрогенератора, можно увеличить его производительность и сократить срок окупаемости. Сначала следует рассмотреть разные виды вертикальных ветрогенераторов:

  • ортогональные генераторы, которые не нуждаются в направляющих механизмах. Они имеют несколько лопастей параллельно основной оси. Работа такого генератора не зависит от направления ветра
  • ветрогенераторы с ротором Дарье. Они имеют две-три лопасти на плоском винте. Главное достоинство конструкции в том, что ее можно монтировать на уровне земли
  • генераторы с ротором Савониуса. Они очень эффективны, так как работа винта может быть проведена на низких скоростях, что существенно снижает расход аккумулятора
  • устройства с большим количеством лопастей на оси. Это более усовершенствованная версия ортогонального прибора. Они очень эффективны, но и цены на них ощутимо выше
  • приборы с геликоидным ротором. Они также произошли от ортогонального прибора. Благодаря своей сложной технологии лопасти на оси оказывают небольшую нагрузку на катушку. Это повышает срок эксплуатации генератора. Но и на них цена очень высока

Самыми популярными ветрогенераторами являются ортогональные и с ротором Савониуса. Почти каждый ветрогенератор с вертикальной осью работает на неодимовых магнитах. Они достаточно эффективны, при этом стоимость не слишком высока. Чтобы не переплатить при выборе ветрогенератора, можно сделать правильные расчеты своими руками.

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Когда вы решили приобрести такой полезный прибор, как ветрогенератор, нужно учитывать следующие параметры:

  • мощность ветрогенератора на неодимовых магнитах. Если в вашей местности нет сильных ветров, вам нужен генератор с маленькой мощностью
  • направление ветра. Если ветра часто меняют направление, вам подойдет только вертикальный ветрогенератор с подвижными лопастями
  • марка. От производителя напрямую зависит цена прибора. Следует помнить, что импортный товар всегда дороже российских аналогов

Конечно, в первую очередь нужно высчитать мощность.

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Чтобы рассчитать мощность ветрогенератора для вашей местности, воспользуйтесь специальными формулами. Сначала нужно рассчитать количество энергии, которую сможет выработать генератор в течение года в вашей местности. Для этого нужно выполнить ряд действий:

  • произвести расчет. На основе результатов будут выбраны длина лопастей и высота башни
  • провести анализ скорости ветра в вашей местности. Это можно сделать своими руками с помощью специального прибора, наблюдая за ветром несколько месяцев, или запросить результаты с местной метеостанции

Методика расчета мощности ветреного потока своими руками подразумевает использование формулы — P*= krV 3S/2, [В т]. В этой формуле используются следующие обозначения:

  • r — плотность воздуха, которая при нормальных условиях составляет 1,225 кг/м3
  • V — скорость потока в м/с
  • S — площадь потока в квадратных метрах
  • k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

С помощью этих расчетов вы сможете выявить подходящую мощность для вашей местности. На упаковке ветрогенератора указано, при каком потоке ветра его работа эффективнее всего. Как правило, это значение находится в промежутке 7-11 м/с.

Ветрогенераторы (от ортогонального до Савониуса) являются оптимальным источником дополнительной или основной электроэнергии в частном доме. Если вы сделаете правильный расчет ветрогенератора своими руками, то сможете приобрести подходящий под вашу местность агрегат.

Дом, питаемый ветрами – расчёт ветрогенератора

По мере того как растут потребительские цены на электроэнергию, а также на газ, бензин и дизельное топливо, владельцы собственных домов всё чаще рассматривают варианты электроснабжения от независимых альтернативных энергоисточников различного происхождения и конструкции. Одним из самых доступных источников является энергия ветра.

Сколько энергии таится в ветре?

Для начала, приблизительно оценим ту мощь, которую хотим использовать в своих целях. Рассчитаем энергию, выделяемую потоком воздуха с плотностью ? и скоростью V, оказывающим давление на площадь S по простой формуле:

P = V3•?•S

Если принять плотность воздуха ?=1,25 кг/м3, скорость ветра V=5 м/с, а площадь сечения турбины радиусом 2 метра S=12,5 м2, в результате получится 1953 Вт, т. е. чуть меньше 2 кВт. Однако из этой внушительной мощности даже самые совершенные сегодня ветряные электростанции (ВЭС) способны преобразовывать в электрическую энергию лишь сравнительно небольшую долю.

Наибольшие потери связаны с завихрениями воздушного потока в турбине и огибанием лопастей ветряка. Они учитываются коэффициентом преобразования ветровой энергии ?, не превышающим в современных установках 0,4 – 0,5. Учитывая коэффициенты полезного действия редуктора и генератора, принимаем их равными соответственно 0,9 и 0,85. И вычисленное по уточнённой формуле значение выходной мощности той же энергоустановки:

P = ? • ?•R2 • V3 • ? • КПД ред • КПД ген = 0,45 • 12,5 • 125 • 1,25 • 0,9 • 0,85 = 672 Вт,

что составляет примерно треть от всей задействованной энергии ветра. В настоящее время суммарный КПД существующих ветрогенераторов не превышает 40%.
Этот примерный расчет ветрогенератора показывает, что получается не так уж много энергии на выходе, особенно в сравнении с современными портативными дизельными электростанциями.

А что на практике?

Хорошим примером выгодного использования энергии ветра будет рассмотрение параметров реально производящейся компанией Wind Electric и успешно применяющейся на практике модели ВЭС WE3000. Обладая ротором диаметром 4,5 м, при номинальной скорости ветра 10 м/с она вырабатывает 3 кВт, а максимальная мощность ветрогенератора – 5,1 кВт. Для запуска генератора необходим ветер со скоростью не менее 2 м/с.

Подобная установка вполне может обеспечить электричеством небольшой коттедж, хотя далеко не всегда и не везде можно рассчитывать на достаточно ветренную погоду.

Сколько стоит ветряная электроэнергия?

Цену вырабатываемого установкой ВЭС электричества в каждом конкретном случае довольно просто рассчитать по следующей формуле:

Ц = (Ст + РЭ • Т) / (Р • Т),

Ст – стоимость покупки и установки электростанции;
РЭ – ежегодные расходы по эксплуатации;
Р – энергия, вырабатываемая за год (кВт•час/год);
Т – срок эксплуатации ВЭС в годах (как правило – 20 лет).

Какая всё-таки нужна мощность?

Прежде чем покупать ветряную электростанцию, следует полностью определиться с величиной пиковой суммарной мощности, потребляемой всей бытовой техникой, приборами и электроустановками в доме, всем, что может быть включено в сеть одновременно. И тут очень важно, будет ли ВЭС использоваться как дополнительный или резервный источник энергии, либо вы желаете перевести ваше хозяйство на полностью автономное электроснабжение.

В первом случае надо всего лишь знать тот минимум потребления энергии, который необходим в случае отключения внешнего электроснабжения, и покупать установку соответствующей мощности.
Для полной энергетической автономности приходится приобретать ветрогенераторы повышенной мощности, которые могут обеспечить общее потребление всей домашней техники. Конечно, это недёшево, но зато вам больше не понадобится покупать электроэнергию на стороне.

Где расположить ветрогенераторную станцию?

Конечно, лучше всего предоставить выбор места расположения ВЭС специалистам. Но существуют 3 основных правила, которых стоит придерживаться:

  • Исключить завихрения воздушного потока вблизи турбины. Высота расположения ветряной турбины на мачте должна превосходить на 10 м все высотные объекты в пределах 100 м вокруг. Это касается, например, и столбов, и проводов ЛЭП.
  • Использовать природные преимущества рельефа местности. Дело в том, что ущелья и каньоны являются естественными аэродинамическими трубами и в местах их сужения скорость ветра существенно возрастает.
  • Располагать ВЭС на максимально открытых участках, таких как поле, побережье водоёма или вершина холма.
Каждый электрик должен знать:  Датчик Холла устройство, принцип работы и назначение

Размер и количество лопастей ветряков

Расчет лопастей ветрогенератора в общем случае сводится к простой зависимости, которую надо усвоить, — чем больше лопастей в турбине, тем меньше её диаметр, необходимый для выработки заданной мощности.

Комбинирование источников энергии

В местности, где ветер часто меняет направление и силу в зависимости от сезонных колебаний или ещё по каким-то причинам, наиболее надёжным вариантом автономного электроснабжения будет сочетание двух различных источников энергии. Чтобы исключить перебои с электричеством, рационально параллельно ВЭС использовать солнечные батареи или тривиальный дизель-генератор.

Ветряная электростанция часть 1. Практические расчеты

Энергия ветра издревле служила человечеству как движитель для парусных судов и ветряков, приводивших в действие мельницы, насосы и другие механизмы. Но из-за стабильности, доступности и дешевизны ископаемого топлива ветроэнергетические установки практически не применялись для производства энергии длительное время.

Ситуация стала меняться благодаря давлению общественности из-за загрязнения окружающей среды и потенциальной опасности атомных электростанций.

После Китая и США третье место по суммарной мощности установленных ветровых электростанций занимает Германия. Решение о государственной программе развития ветровой электроэнергетики после аварии на чернобыльской АЭС.

На данный момент ветровые генераторы в Германии вырабатывают около 50 ГВт электроэнергии, что обеспечивает приблизительно 9% энергетических потребностей страны. Цена киловатт-час электричества составляет около 0,083 евро, и тариф уменьшается на 2% каждый год.

Целесообразность использования энергии ветра

Приведенные выше статистические выкладки наглядным образом доказывают, что ветровые электростанции больше не являются экзотикой, и стали вполне конкурентоспособной энергетической отраслью. И сейчас работают целые исследовательские институты, добавляя в систему охлаждения термоэлектрический генераторный модуль, чтобы повысить эффективность ветрогенераторов, а проектные лаборатории определяют места установки ветряков, стараясь свести к минимуму негативные факторы.

В отношении частного дома искать выгодное место для установки ветрового генератора не приходится, поэтому можно лишь рассчитать эффективность производства электроэнергии исходя из средней скорости ветра, дующего в данной местности.

Существуют карты, на которых указана среднегодовая скорость ветра. Очевидно, что в ветреных регионах выработка электроэнергии ветровыми электростанциями (ВЭС) будет больше.

Среднегодовые скорости ветров в разных регионах России

Можно найти более детальные карты ветров для определенной территории, но полагаться на них при расчетах нельзя – нужно учитывать местные условия рельефа и климата. Очевидно, что на возвышенности ветер дует сильнее, чем в долине, а интенсивность ветрового потока может различаться в несколько раз на разных склонах одной горы.

Поэтому, для проведения точных замеров и составления детальной статистики интенсивности ветров используют специальный прибор – анемометр.

Анемометр — прибор, предназначенный для измерения скорости ветра

Несоответствие ожиданий и реалий использования ветроэнергетики

В среднем мощность промышленных ветрогенераторов составляет 7,5 МВт. На постройку одного такого ветряка уходит от двух недель до месяца. Но намного больше времени уходит на согласование документов, и на различные расчеты.

И не менее года при проектировании новой ветряной электростанции уходит на проведение измерений силы дующих ветров. В домашних условиях можно установить анемометр с компьютерным интерфейсом для непрерывной фиксации данных, но большинство владельцев, устанавливающих ветряк для дома, как правило, полагаются на упрощенные расчеты.

Строительство промышленного ветрогенератора мощностью 6 кВт

Часто случаются ситуации, что из-за неправильных представлений о погодных условиях и характеристиках ветрогенератора, ветроэнергетическая установка не оправдывает ожиданий, и собственники частных домов, желающие обеспечить полную автономию, бывают разочарованы непостоянством ветровой энергии.

Доказано, что при самом лучшем ценовом балансе мощности ветрогенератора и емкости аккумуляторных батарей при стабильном типичном потреблении электроэнергии в течение около 5% времени потребуется работа резервного бензинового генератора.

Система энергоснабжения частного дома, включающая альтернативные источники энергии и резервный генератор

Другими словами данный недостаток электроэнергии можно описать так – допустим, ночью, при минимальном энергопотреблении дул сильный ветер, и домашняя ветряная электростанция работала на полную мощность, аккумуляторы зарядились полностью, а излишек энергии ветрового потока пропал впустую.

Днем ветер стих, а энергоснабжение осуществлялось из заряда аккумуляторов, а вечером уже ощущалась нехватка электроэнергии с необходимостью запуска резервного генератора. Очевидно, что полную энергетическую независимость можно осуществить, совмещая другие альтернативные источники энергии, такие как солнечное излучение, биосинтез, пиролиз, генератор термоэлектрический.

Физические факторы использования энергии ветра

Наглядно действие силы ветра можно представить так – молекулы воздуха с определенной массой, движущиеся с некой скоростью обладают кинетической энергией. Ударяясь о препятствие, молекулы отдают часть энергии, создавая механический импульс силы.

Ощутить мощность соударений миллиардов молекул воздуха можно, пытаясь удержать на ветру раскрытый зонт. В математических единицах энергетический потенциал ветрового потока определяется по формуле:

Зависимость мощности ветрогенератора от воздушного потока

Параметр «S» следует понимать как площадь круга, который очерчивает (ометает) лопастной винт ветрогенератора. Плотность воздуха составляет 1,293 кг/м3 при давлении в одну атмосферу (на уровне моря) и температуре 0ºС. На морозе воздух плотнее (1,395 кг/м3при -20ºС), что внесет небольшие коррективы в расчеты мощности ветрогенератора.

В горных регионах плотность воздуха существенно ниже, что с лихвой компенсируется большой скоростью и стабильностью потоков ветра, поэтому ветроэнергетическая установка в горах является более эффективной, чем на равнине.

Ветрогенераторы, установленные в гористой местности, являются наиболее эффективными

Нужно помнить, что недостатки конструкций ветрогенераторов, трение воздуха и механизмов, образование вихрей не позволяют использовать по максимуму энергию ветрового потока.

В настоящее время показатель коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) в 30% считается достаточно хорошим.Теоретически возможно увеличение вплоть до 50% КИЭВ. Данный порог обусловлен потерей энергии ветра на раскручивание воздуха вдоль оси ветрогенератора (завихрение).

Практические расчеты

Можно для понимания процессов округлить начальные величины, применив трехлопастной винт. Допустим V=10 м/с, площадь S=10м² (радиус винта 1,78 м), а плотность ρ принять 1,3кг/м3. Таким образом, N=1,3*10*1000/2=6500 (Вт). Умножаем на 30% (КИЭВ): 6500*30/100=1950 (Вт). При таком раскладе генерацию почти двух киловатт электроэнергии (без учета КПД электрогенератора) можно считать весьма обнадеживающей.

С учетом потерь на электрогенераторе, кабеле, заряде аккумулятора и инвертора можно стабильно рассчитывать на приблизительно 1 кВт электроэнергии на выходе домашней ветряной электростанции, если ветроэнергетическая установка имеет приведенные выше параметры.

Устройство ветрогенератора с трехлопастным винтом

Но, если взять скорость ветра преобладающую в большинстве регионов (4м/с) то полученный результат, с учетом КИЭВ будет: (1,3*10*4*4*4/2)*30/100=124,8 (Вт), и это без учета потерь на остальных компонентах домашней ветровой электростанции.

Такой мощности хватит лишь на стабильную беспрерывную работу ноутбука и зарядку мобильных телефонов. При снижении скорости ветра до 3м/с результат на выходе и вовсе будет мизерным: (1,3*10*3*3*3/2)*30/100=52,65 (Вт).

Если еще снизить скорость ветрового потока до двух метров в секунду, то выход мощности будет: (1,3*10*2*2*2/2)*30/100=15,6 (Вт). Но, практика показывает, что при скорости ветра 2м/с и ниже, трехлопастной винт даже не раскрутится. Поэтому при низких скоростях ветра используют тихоходные винты, увеличивая количество лопастей, или применяя роторы других конструкций (Дарье, Ленца, Савониуса), у которых меньше КИЭВ, но они более «восприимчивы» к слабым дуновениям воздуха.

Ветроэнергетические роторные установки различных конструкций

Конструкции ветрогенераторов

Существует ошибочное мнение, что с увеличением у винта количества лопастей растет мощность ветрогенератора, но это в корне не так – ведь вращающиеся лопасти создают вихрь, и чем больше их в ветряке, тем большее количество энергии ветра будет расходоваться на закручивание воздуха вокруг оси винта.

В идеале самым эффективным является однолопастной винт, создающий меньше всего завихрений, при этом обладающий большой быстроходностью и требующий значительных скоростей ветра.

Однолопастной винт ветрогенератора, создающий минимальные завихрения

Поэтому типичный ветряной генератор имеет три лопасти, как наилучший компромисс между тихоходностью и потерей энергии на завихрения.В приведенных выше расчетах использовался гипотетический лопастной винт с размахом (диаметром) 1,78*2=3,56 м.

Это довольно громоздкая конструкция, очень сложная для самостоятельного изготовления и установки. Народные умельцы делают лопастные винты меньшего диаметра из подручных материалов, изготавливая лопасти для ветрогенератора своими руками, например из канализационной ПХВ трубы.

Как видно из видео, подобная ветроэнергетическая установка не в состоянии обеспечить потребности дома в электричестве целиком, но с ее помощью можно достичь значительной экономии электроэнергии. Лопасти данного ветряка не имеют идеального поперечного сечения, из-за чего снижается КИЭВ, но простота конструкции и минимум затрат на изготовление, а также наличие в домашнем хозяйстве лишнего автомобильного генератором делают изготовление подобного самодельного ветрогенератора целиком оправданным.

Для самостоятельного проектирования винтов и лопастей необходимо обладать познаниями в аэродинамике, знать такие понятия как шаг винта, угол атаки лопасти, сопротивление материалов, турбулентность и т. п.

Геометрия лопасти имеет сходство с крылом самолета, но у ветряка угол атаки для максимальной эффективности ветрогенератора должен изменяться по мерее отдаления от оси вращения. Следует детально изучить специальную литературу, а также посоветоваться с умельцами на различных форумах, прежде чем пытаться проектировать и изготовлять лопастные винты.

Поперечные разрезы лопасти винта ветрогенератора

Поэтому многие умельцы обращают внимание на другие конструкции, например, турбины с вертикальной осью, которые более тихоходные с меньшими требованиями к точности расчетов и требований безопасности. Изготовить такой роторный ветрогенератор своими руками можно в домашнем гараже из подручных материалов и большой бочки, как показано в видеоролике ниже:

Большие перспективы имеются у ветряков с более сложной конструкцией, например, ротор Онипко. На видео ниже мастер наглядным образом демонстрирует, что экспериментальная ветроэнергетическая установка является вполне работоспособной, хотя и сделана из обычного картона.

Эксперименты показывают, что данный самодельный и несовершенный ротор Онипко имеет даже лучшие характеристики, чем заводской трехлопастной винт вентилятора такого же диаметра.

Заканчивая короткий и далеко не полный обзор различных ветровых энергоустановок, следует обратить внимание на экзотические роторы, которые помимо генерации небольшого количества электроэнергии могут использоваться как художественные элементы ландшафтного дизайна загородного дома, как показано в красочном видеоролике ниже:

Ветряные электростанции

Практически вся электроэнергия производится установками, использующими энергию природных ресурсов. Темпы производства постоянно увеличиваются, и полезные ископаемые рано или поздно закончатся. В связи с этим, уже сейчас ведутся перспективные разработки, внедряются новые технологии, выступающие в качестве альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких вариантов являются ветряные электростанции, применяемые в производственной сфере и в частном секторе. Превращая энергию ветра в электричество, они способны обеспечить основные потребности в питании приборов и электрооборудования.

Ветрогенераторы отличаются абсолютной экологической чистотой и способны обеспечивать бесплатной энергией потребителей в течение неограниченного времени. Ветряные генераторы – ВЭС обладают различной мощностью, что дает возможность использовать их в разных областях.

Устройство ветряной установки

Максимальной эффективности ветряной электростанции можно добиться, установив ее в местах с постоянными активными воздушными потоками. Обычно для этого используются горы и холмы, берега морей и океанов и другие аналогичные условия.

Основной деталью установки служит крыльчатка, выполняющая функцию турбины. В большинстве случаев используются трехлопастные конструкции ВЭС в виде пропеллера, устанавливаемые на большой высоте от земной поверхности.

Для того чтобы получить наибольший эффект, лопасти вместе с ротором устанавливаются в оптимальное положение при помощи специальных механизмов, в зависимости от направления и силы ветра. Существуют и другие конструкции – барабанные, не зависящие от вышеперечисленных факторов и не требующие каких-либо регулировок. Однако, если КПД пропеллерных установок находится на уровне 50%, то у барабанных устройств он значительно ниже.

Каждая воздушная электростанция, независимо от конструкции, полностью связана с действием воздушных потоков, часто изменяющих свои показатели. Это в свою очередь приводит к изменениям количества оборотов крыльчатки и производимой электрической мощности. Такое положение требует сопряжения генератора и электрической сети при помощи дополнительного оборудования.

Как правило, для этого используются аккумуляторные батареи вместе с инверторами. Вначале от генератора осуществляется зарядка АКБ, для которой равномерность тока не имеет значения. Далее заряд аккумулятора, преобразованный в инверторе, передается в сеть.

Пропеллерные конструкции ВЭС в случае необходимости могут управляться. При слишком высокой скорости ветра, производится изменение угла атаки лопастей, вплоть до самого минимального. Это приводит к снижению ветровой нагрузки на турбину. Тем не менее, под действием ураганов, крыльчатки ветровых электростанций нередко подвергаются деформациям, и вся домашняя установка выходит из строя. Полностью избежать негативных воздействий не получается, поскольку электрические генераторы размещаются на высоте, составляющей в среднем 50 м. За счет этого удается использовать более сильные и стабильные ветра, господствующие на больших высотах.

Принцип работы

Практически все ветровые установки имеют общий принцип работы. Под действием воздушного потока лопасти приходят в движение и, связанные специальным приводом с ротором, вызывают его вращение. Сам ротор помещен внутрь статорной обмотки, и в результате вращения происходит образование электрического тока. Лопасти ВЭС обладают особенными аэродинамическими свойствами, поэтому турбина вращается с высокой скоростью.

Каждая лопасть с одной стороны ровная, а с другой – закругленная. Когда воздух проходит закругленную сторону, на этом участке создается вакуум, засасывающий лопасть и уводящий ее в сторону. За счет этой энергии возникает общий крутящий момент. В этом состоит основной принцип работы станций.

Полученное электричество накапливается в аккумуляторной батарее. Количество произведенной энергии зависит от скорости вращения лопастей и от скорости воздушного потока. Частота произведенного электрического тока такая же как в домашней сети, поэтому энергия, полученная от ветровой электростанции, вполне пригодна для питания приборов и оборудования. Однако, полученный переменный ток не может сразу аккумулироваться, для этого он должен быть преобразован в постоянный ток. Подобное преобразование выполняется специальными электронными устройствами, расположенными в турбине.

Зарядка аккумуляторной батареи управляется контроллером. По мере накопления заряда, лопасти замедляют вращение, а при разрядке они вновь начинают крутиться. Такой режим работы дает возможность поддерживать заряд АКБ на заданном уровне.

Работа системы торможения

При высокой скорости воздушного потока ветровые электростанции могут выйти из строя. Чтобы этого не случилось, в конструкции применяется тормозная система. В ней используется сила действия вращающихся магнитов ротора. Они не только индуцируют ток в обмотках статора, но и в определенной ситуации замедляют движение вала. С этой целью требуется создать короткое замыкание, вызывающее противодействие и замедляющее вращение.

Автоматическое торможение наступает при скорости ветра свыше 50 км/ч. Если скорость возрастает до 80 км/ч, в этом случае происходит полная остановка лопастей. Конструкция турбины позволяет максимально эффективно использовать энергию ветра и путем двойного преобразования энергии получать электрический ток. Наличие аккумуляторной батареи дает возможность использовать электроприборы при полном отсутствии ветра.

Некоторые конструкции установок оборудованы ветровым датчиком, собирающим информацию о параметрах воздушного потока. В конечном итоге мощность ветровой установки на выходе будет зависеть от мощности подключенного инвертора. Исходя из этого показателя определяется и максимально возможное количество подключаемых приборов. С целью увеличения выходной мощности установки, рекомендуется параллельное подключение сразу нескольких инверторов. В трехфазных системах на каждую фазу устанавливается собственный инвертор.

Классификация

Основными критериями, определяющими типы ветряных установок, являются следующие:

  • Различие по количеству лопастей. Быстроходные и малолопастные имеют до 4 лопастей, а 4 и выше относятся к тихоходным многолопастным устройствам. Чем меньше количество лопастей, тем выше обороты двигателя.
  • Величина номинальной мощности. Бытовые – до 15 кВт, полупромышленные – от 15 до 100 кВт, промышленные – от 100 кВт до 1 Мвт. Границы между показателями довольно условные, поэтому установки применяются там, где это действительно необходимо.
  • Направление оси. В конструкциях используются два типа. В первом случае это горизонтальная ось, расположенная перпендикулярно относительно движения воздуха, напоминающая обычный флюгер. Такие генераторы отличаются более высоким КПД и приемлемой стоимостью. Второй вариант – это вертикальная ось, благодаря которой конструкция генератора становится более компактной. Она не зависит от направления ветра, а ее лопасти изготовлены в виде турбин. Нагрузка на ось значительно снижена, поэтому и мощность таких установок гораздо меньше. В некоторых электростанциях одновременно используется несколько генераторов с различными осями, объединенными в сеть, что позволяет получить высокую мощность на сравнительно небольшой площади.

Существует отдельная классификация ветровых электростанций по месту их расположения. Среди них можно выделить три основных типа:

  • Наземные установки, получившие наиболее широкое распространение. Они монтируются на холмах и высотах, а также на специально подготовленных площадках. Строительство ведется с использованием дорогостоящей подъемной техники, поскольку все основные конструкции устанавливаются на большую высоту. Несколько устройств объединяются в общую систему с помощью электрических кабелей.
  • Прибрежные ветровые электростанции. Строятся неподалеку от берегов морей и океанов. Работа системы зависит от морского бриза, который создает воздушные потоки с определенной периодичностью. Сам бриз возникает в результате неравномерного нагрева поверхностей водоемов и суши. Днем движение воздуха осуществляется в направлении с воды на сушу, а ночью, наоборот, с побережья к водоему. Таким образом, получение электроэнергии происходит круглосуточно, без каких-либо перерывов.
  • Шельфовые ветряные электростанции. Устанавливаются в море далеко от берега, на расстоянии 10-12 км. В этом случае генераторы используют энергию, создаваемую регулярными морскими ветрами. Для установки используются участки морского дна, расположенные на незначительной глубине. Фундамент конструкции представляет собой сваи, забиваемые в грунт на глубину до 30 м. Передача электроэнергии на берег, осуществляется при помощи подводного кабеля.

Особенности выбора

Основным критерием, которым руководствуются покупатели, являются размеры ветряной установки. Чем больше ее размер, тем выше вырабатываемая мощность. Поэтому, выбирая ветряные электростанции для дома, нужно заранее рассчитать месячное энергопотребление. Полученный результат умножается на 12 месяцев.

Далее расчеты для частного дома ведутся при помощи формулы: AEO = 1.64 х D х D х V х V х V, в которой АЕО является электроэнергией, потребляемой за год, D – диаметр ротора в метрах, V – среднегодовая скорость ветра в м/с. Подставив нужные значения, можно легко рассчитать размеры требуемой установки.

Приобретая электростанцию, следует заранее продумать о месте ее расположения. В этом случае учитываются следующие факторы:

  • Территория возле генератора должна быть свободной от построек, сооружений, деревьев и других факторов, снижающих продуктивность установки. Имеющиеся помехи располагаются на расстоянии не ближе 200 метров от места установки.
  • Высота конструкции для монтажа генератора должна быть как минимум на 2-3 метра выше помех, имеющихся на прилегающей территории.
  • Расстояние от жилых домов – не менее 30-40 м, поскольку при вращении лопастей создается некоторый шум, вызывающий у окружающих определенный дискомфорт.
  • Следует учитывать среднегодовые изменения погодных условий, когда в одном и том же месте в течение года будет вырабатываться разное количество электроэнергии.

Преимущества ветровых генераторов

Ветровые электростанции уже долгое время используются в быту, на производстве и других областях.

За это время удалось выявить их основные положительные качества и преимущества:

  • Энергия ветра, используемая для ветроэлектростанций, является бесплатной и самое главное – возобновляемой. Устройства не загрязняют окружающую среду и не выделяют каких-либо вредных веществ. В перспективе планируется еще шире использовать экологически чистые ветровые электростанции в России, что позволит сократить количество обычных установок с вредными выбросами.
  • Снижается зависимость электроснабжения через центральные электрические сети.
  • Широкие перспективы для дальнейшего развития и внедрения новых прогрессивных технологий, и это не последние достоинства этих установок.
  • Постепенное снижение затрат на получение энергии, без которых не обойтись на первоначальном этапе. В течение последних 20 лет стоимость оборудования и комплектующих снизилась примерно на 80%. Энергия ветра становится наиболее прибыльной среди всех альтернативных источников электроэнергии.
  • Ветряки имеют достаточно высокий срок эксплуатации, составляющий 20-30 лет. В течение этого срока окружающий ландшафт остается неповрежденным.
  • Простота сборки и дальнейшего использования. Ветряная электростанция монтируется очень быстро, затраты на ремонт и обслуживание сравнительно низкие. Произведенная электроэнергия количественно превышает затраченную энергию ветра примерно в 85 раз. Потери при передаче электроэнергии сравнительно невысокие.

Минусы ветровых электростанций

Идеальных устройств не существует в принципе. Это касается и ветровых установок, обладающих специфическими недостатками:

  • Существенные инвестиционные вложения в ветряные электростанции на первоначальном этапе. Хотя они и снижаются, их нельзя полностью сбрасывать со счетов при планировании.
  • Непостоянство и непредсказуемость силы и направления ветровых потоков, вызывающих колебания в количестве выработанной энергии. Иногда ветер может отсутствовать в течение нескольких дней, и потребители полностью остаются без электричества.
  • Движущиеся элементы ветряных установок нередко убивают пролетающих рядом птиц и летучих мышей. Особую опасность они представляют в периоды массовых миграций. Таким образом, определенный вред экологии все-таки наносится, хотя он и не носит системного характера.
  • Работа ветрогенераторов сопровождается постоянными шумами низкой частоты и практически неслышным инфразвуков. Эти минусы ветряных электростанций, превращаясь в отрицательные факторы, негативно воздействуют на человека, вызывая усталость и дискомфорт. В некоторых случаях лопасти, вращаясь с высокой скоростью, могут привести к радиолокационным помехам, искажению телевизионных сигналов.
  • Затраты на размещение достаточно высокие из-за дорогой аренды земли. При использовании большого количества ветровых электростанций, этот фактор приобретает важное значение в расчетах себестоимости электроэнергии.

Плиты преобразующую кинетическую энергию в электрическую. Устройство и расчет ветроэлектростанций. Принципы работы ветрогенератора

Под методом прямого преобразования энергии понимается такое производство электрической энергии из тепловой, при котором число промежуточных ступеней преобразования энергии сокращается или по крайней мере процесс получения электроэнергии из тепловой упрощается. Чаще всего (но не всегда (Так, в магнитогидродинамическом методе получения электрической энергии из тепловой, который обычно относят к методам прямого преобразования энергии и о котором речь пойдет ниже, ступень преобразования тепловой энергии в механическую сохраняется. )) исключается промежуточное превращение тепловой энергии в механическую.

В более широком смысле слова под методом прямого преобразования энергии понимается получение электрической энергии не только из тепловой, но и из химической (в топливных элементах) и из энергии электромагнитного излучения (в фотоэлектропреобразователях). Именно эти вопросы рассматриваются в этом разделе. В первую очередь мы познакомимся с магнитогидродинамическим методом, так как он, по-видимому, более других разработан для получения больших количеств электроэнергии, а именно это в соответствии с темой настоящей книжки нас интересует прежде всего.

Магнитогидродинамический метод (МГД-метод). Собственно магнитогидродинамический метод преобразования тепловой энергии в электрическую основан на использовании двух типов преобразователей: теплового двигателя, напоминающего газовую турбину, преобразующего теплоту в кинетическую энергию струи газа (продуктов сгорания), и необычную электродинамическую машину, преобразующую кинетическую энергию струи газа в электрическую.

Происходит это следующим образом (рис. 23). В результате сжигания органического топлива (допустим, природного газа) образуются газообразные продукты сгорания. Необходимо, чтобы их температура была не ниже 2500° С. При этой температуре газ становится электропроводным, переходит в плазменное состояние. Другими словами, происходит ионизация газа: от молекул газа отрываются электроны. Плазма при такой относительно низкой температуре (не меньше 2500° С) ионизирована лишь частично: она состоит не только из продуктов ионизации — электрически заряженных свободных электронов и ионов (имеющих положительный заряд частиц, образующихся в результате потери молекулой одного или нескольких электронов), но и еще не подвергшихся ионизации молекул.

Чем выше температура, тем больше ионизация газа и, следовательно, его электропроводность. При температуре порядка 10 тыс. градусов любой газ ионизируется полностью — н состоит только из свободных электронов и ядер атомов.

Плазма, с которой мы встречались, рассматривая термоядерные процессы, и температура которой измеряется многими миллионами градусов, называется высокотемпературной. Плазма же, используемая в МГД-генераторах и имеющая температуру, измеряемую тысячами градусов, именуется низкотемпературной.

И чтобы низкотемпературная плазма продуктов сгорания имела достаточную электропроводность уже при температуре около 2500° С, к ней необходимо добавить одно из легкоионизирующихся веществ, обычно щелочные металлы: натрий, калий или цезий. Пары этих веществ ионизируются при более низкой температуре.

Плазма с небольшой добавкой легкоионизирующегося вещества при температуре, скажем, 2600° С (рис. 23) поступает в канал МГД-генератора и за счет уменьшения ее тепловой энергии разгоняется там до скорости, близкой к звуковой или даже более высокой. Протекая по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии специально созданного магнитного поля, имеющего большую индукцию. Если направление движения потока перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, а электропроводность плазмы, скорость потока и индукция магнитного поля достаточно велики, то в соответствии с законами электродинамики в направлении, перпендикулярном и движению потока, и силовым линиям магнитного поля, от одной стенки канала к другой возникнет электрический ток, протекающий через плазму. Для этого, конечно, необходимо электроды, размещенные на противоположных стенках канала, замкнуть на внешнюю цепь.

Как видно из сказанного, принцип работы МГД-генератора не отличается от принципа работы обычного электромеханического генератора. В обоих случаях электрический проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в результате чего в проводнике генерируется эдс. В электромеханическом генераторе проводником служит электропроводящий металл ротора, а в МГД-генераторе — поток электропроводящей плазмы.

Взаимодействие электрического тока, протекающего через плазму, с магнитным потоком создает силу, тормозящую движение плазмы по каналу. Таким путем кинетическая энергия потока плазмы превращается в электрическую энергию.

В чем же привлекательная сторона МГД-генератора?

Как нам уже хорошо известно, для увеличения КПД теплового двигателя необходимо повышать начальную температуру рабочего тела. Но в тепловых двигателях ТЭС — паровых турбинах — начальную температуру водяного пара не поднимают, как уже говорилось, выше 540° С. Это объясняется тем, что наиболее ответственные элементы турбины (особенно рабочие лопатки) испытывают одновременное воздействие высокой температуры и большой механической нагрузки. В канале МГД-генератора вообще нет движущихся частей, и поэтому материал, из которого сделаны наиболее ответственные элементы конструкции, не испытывает сколько-нибудь значительных механических усилий. В этом и состоит одно из самых важных преимуществ МГД-генератора.

Каждый электрик должен знать:  Токовая защита линий

Читатель может заметить, что не существует материала, способного выдержать температуру 2600° С. Не делает ли это идею МГД-генератора неосуществимой?

Действительно, такого материала не существует, высокотемпературные элементы конструкции приходится охлаждать (обычно водой). Но одно дело охлаждать неподвижные элементы конструкции, как в МГД-генераторе, и совсем другое дело — вращающиеся (да еще с очень большой скоростью), как в паровой турбине.

Следует заметить, что в МГД-генераторе в качестве рабочего тела может применяться не только газ (плазма), но и жидкие металлы. В настоящее время большое внимание привлекают плазменные МГД-генераторы. Они могут быть открытого и замкнутого типа. Мы ведем речь о плазменной МГД-установке открытого типа.

На выходе из канала МГД-генератора продукты сгорания (плазма) все еще имеют высокую температуру, обычно около 2000° С. При более низкой температуре плазма делается недостаточно электропроводной и поэтому продолжение процесса в МГД-генераторе невыгодно.

В то же время продукты сгорания на выходе из канала МГД-генератора обладают еще, как сказано, высокой температурой (более высокой, чем в топке обычного котла), и их тепловую энергию, конечно, надо использовать. Проще всего решить эту задачу, сделав установку двухступенчатой (см. рис. 23).

Итак, в камеру сгорания подается топливо, легкоионизирующаяся присадка и нагретый окислитель (например, обогащенный кислородом воздух). Продукты сгорания, имеющие температуру около 2600° С, поступают через сопло в канал МГД-генератора (Канал на рисунке изображен схематично. Не показаны создающая магнитное поле магнитная система, токоотводящая система, охлаждение стенок канала. ), а из канала (при температуре около 2000° С) — в парогенератор. Здесь за счет тепла, отдаваемого уходящими газами, происходит нагревание воды, образование и перегрев водяного пара. В парогенераторе или в отдельном воздухонагревателе производится подогрев направляемого в камеру сгорания окислителя. Из парогенератора отводится (и затем используется вновь) легкоионизирующаяся присадка. Показанная на рис. 23 паросиловая часть схемы в принципе не отличается от изображенной на рис. 2 и 11 (схемы ТЭС и АЭС).

Главное преимущество МГД-электростанции в том, что она позволяет получать высокий КПД, который, по-видимому, достигнет 50-60 (Столь широкая вилка значения КПД МГД электростанции объясняется главным образом возможностью использования различных технических решений и достигнутой температурой подогрева окислителя (от 1500 до 2000° С). )против 40% для лучших ТЭС. Большинство существующих и строящихся в настоящее время опытных и опытно-промышленных МГД-установок рассчитано для работы на газовом топливе. Однако в дальнейшем более перспективно применение угля.

Другим важным преимуществом МГД-электростанций является их высокая маневренность, создаваемая возможностью полного выключения МГД-ступени.

Представленная на рис. 23 схема МГД-электростанции называется открытой потому, что рабочим телом МГД-генератора являются продукты сгорания, которые после прохождения канала и парогенератора выбрасываются в атмосферу.

В работе по созданию мощных МГД-генераторов приходится сталкиваться со сложными научно-техническими вопросами. К их числу относится проблема материалов для МГД-каналов, в первую очередь для их горячих стенок и электродов. Конечно, можно было бы с помощью интенсивного охлаждения снизить температуру стенок и электродов до вполне приемлемой, допускающей длительную эксплуатацию, но это привело бы к большой потере тепла и к снижению КПД МГД-генератора, а также к снижению температуры пристенных и приэлектродных слоев плазмы, уменьшению их электропроводности и в итоге к ухудшению работы генератора. Задача заключается в том, чтобы создать такие материалы для горячих стенок и электродов, которые могли бы работать длительно и надежно при возможно более высокой температуре. Большие надежды возлагаются на двуокись циркония в качестве материала для электродов и на окислы металлов, в частности окись магния, для горячих стенок.

Нелегкое дело создать магнитную систему, особенно при условии, что индукцию желательно иметь 5 — 6 тесла (50 — 60 тыс. гаусс), а длина канала должна быть около 20 м. Считается, что наиболее перспективной является сверхпроводящая магнитная система, охлаждаемая жидким гелием.

Есть и другие сложные, требующие решения вопросы. К их числу относится: создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменной (в МГД-генераторе получается постоянный ток), устройства для вывода легкоионизирующейся присадки, создание имеющего особенности парогенератора и некоторые другие.

Несмотря на все трудности, в Советском Союзе работы в области МГД-преобразования энергии продвинуты настолько, что в настоящее время идет работа по созданию промышленной МГД-установки мощностью около 500 МВт.

Можно предполагать, что в перспективе мощные МГД-установки будут использоваться на АЭС. Тогда место камеры сгорания займет атомный реактор, а рабочим телом МГД-генератора будут уже, конечно, не продукты сгорания, а более легкоионизирующийся газ, например гелий. Так как гелий, естественно, будет циркулировать по замкнутому контуру (схема МГД-элек-тростанции называется закрытой), то в качестве легкоионизирующейся присадки может быть использован более дорогой, но зато более существенно увеличивающий электропроводность плазмы металл цезий. С учетом всего сказанного необходимая максимальная температура гелий-цезиевой плазмы может быть ниже — порядка 1500° С (а не 2600° С, как для рассмотренной открытой схемы).

Следовательно, в атомном реакторе гелий должен быть нагрет не менее чем до 1500° С. В настоящее время таких высокотемпературных атомных реакторов не существует. Но можно надеяться, что их создание — вопрос времени.

Из других способов прямого преобразования энергии большой интерес представляет применение фото-электропреобразователей (о них уже говорилось в разделе «Солнечная энергия»), термоэлектрогенераторов, термоэмиссионных преобразователей и топливных элементов. Однако перспектива использования этих методов и устройств в большой энергетике пока еще до конца не ясна. Поэтому мы остановимся на них кратко.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ). Работа термоэлектрического генератора основана на хорошо известном в физике эффекте Зеебека. Он состоит в том, что в электрической цепи, состоящей из различных элементов, при условии, что контакты (спаи) между ними имеют различную температуру, возникает электродвижущая сила.

На рис. 24 представлена такая электрическая цепь, состоящая из двух проводников — меди и константана (сплава меди и никеля), используемая для измерения температуры. Один из спаев находится при температуре, которую требуется измерить (t n ), а другой при постоянной температуре (t 0 ), например при практически неизменной температуре смеси воды и льда. По величине электродвижущей силы, измеряемой гальванометром, можно с высокой степенью точности определить t n .

Если составить электрическую цепь из последовательно соединенных различных материалов (обычно полупроводников), иначе говоря, цепь из отдельных термоэлементов, то получится термоэлектрический генератор. Создаваемая им электродвижущая сила будет пропорциональна числу термоэлементов.

Таким образом, термоэлемент, так же как и МГД-генератор, преобразует в электрическую энергию тепловую энергию. Следовательно, КПД термоэлемента регламентируется вторым законом термодинамики.

К сожалению, термоэлектрические генераторы пока еще дороги, а их КПД невелик. Поэтому они находят применение в качестве небольших, как правило, автономных, источников энергии.

Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП). Если какое-либо твердое тело (металл, полупроводник) поместить в вакуум, то известное количество электронов этого тела перейдет в вакуум (Описываемое явление наблюдается и у жидкостей ). Это явление называется термоэлектронной эмиссией, а твердое тело, испускающее электроны, — эмиттером. Эмиссия электронов тем больше, чем выше температура эмиттера. В процессе эмиссии электронов эмиттер охлаждается. Через некоторое время после начала электронной эмиссии (после помещения тела в вакуум) установится равновесие: сколько электронов в единицу времени будет выходить из твердого тела за счет электронной эмиссии, столько же в него будет возвращаться в результате так называемой конденсации электронов. Охлаждения твердого тела в состоянии равновесия более не происходит.

Но можно поступить иначе: поместить в вакуум два тела (два электрода), причем к одному из них (электроду-эмиттеру) подводить тепло и поддерживать его при более высокой температуре, а от второго (электрода-коллектора) тепло отводить, с тем чтобы его температура оставалась более низкой.

Если теперь эмиттер и коллектор замкнуть внешней электрической цепью, то по ней потечет ток; описанное устройство станет источником тока, термоэмиссионным преобразователем (ТЭП). Из сказанного следует, что ТЭП (так же, как и ТЭГ) преобразует тепловую энергию в электрическую (минуя ступень механической энергии) и, следовательно, подчиняется ограничениям, установленным вторым законом термодинамики.

Если, используя ТЭП, можно было бы получать большие количества электроэнергии, а его основные технико-экономические показатели (стоимость и КПД) были благоприятны, то энергетика получила бы «в лице» ТЭП хороший электрический генератор, работающий по принципу прямого преобразования энергии.

В настоящее время еще не достигнуты такие технико-экономические показатели ТЭП, которые могли бы удовлетворить энергетику. Поэтому ТЭП пока что используются, как и ТЭГ, в случаях, когда требуются относительно малые мощности. Однако работа по улучшению показателей ТЭП ведется высокими темпами.

Топливные элементы . В топливном элементе осуществляется прямое преобразование химической энергии в электрическую. В чем заключается принцип работы и каково устройство топливного элемента?

Можно, например, сжечь водород в атмосфере кислорода. В результате образуется вода и выделяется тепло, которое затем можно использовать в теплосиловом двигателе. А можно пойти другим путем, как это и делается в топливном элементе, разделив реакцию горения водорода на два процесса, в одном из которых участвует водород, а в другом — кислород.

Схема топливного элемента представлена на рис. 25. Он состоит из двух электродов, на один из которых подается водород, а на другой — кислород, и электролита. Существенным отличием топливного элемента от электрического аккумулятора и его преимуществом является то, что запас горючего и окислителя в топливном элементе, в данном случае водорода и кислорода, непрерывно пополняется.

Водород, попадая на металлический электрод и находясь на разделе трех фаз — твердого электрода, электролита и газовой фазы, — переходит в атомарное состояние (его двухатомная молекула разделяется на атомы), а атомы делятся на свободные электроны и ядра атомов (ионы). Электроны уходят в металл, а ядра атомов- в раствор (электролит). Вследствие этого электрод насыщается отрицательно заряженными электронами, а электролит — положительно заряженными ионами.

Аналогичный процесс происходит на втором электроде, на который подается кислород. В результате проходящих у поверхности электрода процессов на нем появляются положительные электрические заряды. Кроме того, возникают отрицательные заряженные ионы ОН, которые остаются в электролите и, соединяясь с ионами водорода, образуют воду.

Если соединить внешней цепью оба электрода, то возникнет электрический ток (рис. 25). Таким путем химическая энергия превращается в электрическую. Поскольку в топливном элементе отсутствует промежуточная стадия преобразования химической энергии в тепловую, его КПД не имеет ограничений, присущих тепловому двигателю. Водород-кислородный элемент работает при низкой температуре, а его КПД вполне может достигать 65 — 70%.

Не следует, однако, думать, что создать топливный элемент просто и легко. Обычно все относительно просто, пока речь идет о схеме, но как только переходишь к ее реализации, появляется масса трудностей. Не случайно поэтому, что идея топливного элемента появилась в середине XIX в., а подходящей конструкции для широкого применения нет и по сей день.

В проблеме топливного элемента много трудностей: проведение всех процессов с большой скоростью (залог получения больших абсолютных и удельных мощностей); выбор материала и создание высококачественных электродов; создание высокоэффективных электролитов (жидких и твердых в зависимости от типа топливного элемента); возможность работы на дешевом топливе.

Атмосфера Земли представляет собой огромный и неиссякаемый источник энергии. Постоянное движение воздушных масс имеет гигантскую кинетическую энергию, об истинных размерах которой можно только догадываться. Достаточно рассмотреть последствия любого урагана или просто шквалистого ветра, чтобы получить представление о масштабах имеющихся запасов энергии, использование которой пока еще ведется на минимальном уровне.

Наличие более эффективных способов производства электроэнергии ограничило активность исследовательских работ в этой области, которые были возобновлены относительно недавно. Нехватка углеводородных источников, разразившийся топливно-энергетический кризис заставляют пересматривать отношение к альтернативным вариантам производства электроэнергии, лидером среди которых является .

Энергия ветра на службе у человека

На сегодняшний день существуют полноценные электростанции, вырабатывающие электроэнергию при помощи потоков ветра. Их довольно много, таких станций насчитывается около 20 тыс. При этом, утверждать, что человек подчинил себе энергию ветра и использует ее вполне эффективно, преждевременно. Несмотря на значительные объемы полученной энергии, возможности ветроэнергетики пока еще далеки от идеала.

Существующие установки обладают недостаточной эффективностью, вызванной сложностью условий эксплуатации и невозможностью регулирования воздушных потоков. Их неравномерность — одна из ключевых причин, сдерживающих развитие отрасли. Ведущиеся исследования в этой области выдают предельную величину — 59,3 % , что намного выше, чем реально существующие значения, но недостаточно в целом.

Понимание важности и большого потенциала ветроэнергетики в обществе постоянно укрепляется. Больших успехов в этой области достигли Китай и Индия, обладающие .

Особенностью отрасли является возобновляемый характер источника энергии, возможность бесконечного пользования ресурсом. В этом отношении ветроэнергетика является наиболее устойчивой по сравнению с другими способами производства электричества.

Исследования и разработки ведутся постоянно, их интенсивность в последнее время заметно усилилась. Появляются совершенно новые модели, использующие методики, отличные от распространившихся ныне. Активность конструкторов и исследователей сама по себе является свидетельством возрастания роли ветроэнергетики и гарантией увеличения количества ветрогенераторов в будущем.

Устройство для преобразования

Для того, чтобы кинетическую энергию ветра трансформировать в электрическую, необходимо использовать соответствующее оборудование. Наиболее распространенным устройством для преобразования является ветрогенератор . Это агрегат, состоящий из нескольких узлов, выполняющих задачи по приему, передаче и преобразованию энергии потока ветра в электричество.

Существует множество вариантов конструкции ветряков, выполняющих одну и ту же функцию при помощи рабочего колеса с лопастями. Отличие всех видов конструкции состоит в направлении оси вращения и в конструкции вращающегося узла — ротора.

Ветрогенераторы делятся на две большие группы, имеющие разное расположение оси вращения:

Наиболее эффективными считаются горизонтальные устройства, напоминающие пропеллер самолета. Поток ветра, воздействующий на лопасти, используется максимально возможным образом, практически без потерь. При этом, имеется постоянная необходимость коррекции положения оси в зависимости от направления ветра, что вынуждает использовать дополнительные приспособления и устройства. Наиболее простым и эффективным среди них является хвостовой стабилизатор, аналогичный хвосту самолета, автоматически устанавливающий ветряк по ветру.

Вертикальные конструкции имеют важное достоинство — независимость от направления ветра. При этом, эффективность таких устройств несколько ниже, так как поток одновременно воздействует как на рабочую, так и на обратную сторону лопастей, создавая уравновешивающее усилие. Оно останавливает вращение ротора, вынуждая прибегать к различным конструктивным ухищрениям. Так, используются различные кожухи, закрывающие обратные стороны лопастей.

Также применяют наружные конструкции, прикрывающие доступ потока к тыльным частям лопастей, спрямляющие устройства, направляющие поток в нужную сторону и т.д.

Практические результаты показали наибольшую эффективность горизонтальных установок в составе промышленных электростанций и выгоду использования вертикальных конструкций для обеспечения энергией отдельных домовладений.

Принципы работы ветрогенератора

Ветрогенератор является агрегатом, состоящим из нескольких узлов. Они выполняют отдельные задачи, являясь звеньями в цепи последовательных изменений вида энергии.

  • поток воздуха, взаимодействуя с крыльчаткой ветряка, заставляет ее вращаться
  • движение вала передается на генератор, который производит электрический ток
  • с генератора напряжение через выпрямитель подается на аккумулятор, заряжая его
  • за уровнем заряда следит специальное устройство — контроллер, отключающее питание и включающее его снова по необходимости
  • с аккумулятора заряд подается на инвертор, приводящий полученный ток в соответствующее состояние (220 В, 50 Гц) и передающий его потребителям

Небольшие устройства иногда работают по упрощенной схеме, подавая напряжение непосредственно с генератора потребителям. Это возможно для питания водяных насосов или освещения участка, теплицы и т.д.

Производительность ветрогенератора зависит от параметров собственно генератора, размеров и конструкции крыльчатки. Кроме того, важным параметром является преобладающая скорость ветра в регионе, обеспечивающая базовый режим вращения ротора и определяющая производительность всего комплекса.

Общеизвестно, что каждое тело находящееся на какой-то высоте над уровнем моря (точнее на каком-то расстоянии от центра Земли) обладает потенциальной энергией.
Но поискав по интернету я не нашёл ничего такого, что позволяло бы удобным и экономичным образом воспользоваться, к примеру, энергией, которой обладает валун, находящийся на склоне Эльбруса и на высоте 1000м от уровня моря.
Или для того, чтобы использовать потенциальную энергиею кучи пустой породы, находящейся рядом с шахтным стволом глубиной 500 м.

В первом случае можно, приложив к валуну усилие, столкнуть его вниз по склону.
Валун начнёт катится вниз. Потенциальная энергия превратится в кинетическую и эту энергию можно утилизировать, используя какой-то механизм.
Однако, впоследствии мы столкнёмся с тем, что, опуская валуны катиться по склону, они начнут там внизу накапливаться и в конечном итоге сбрасывать их будет некуда. Образуется куча из этих валунов.
Для продолжения придётся очищать место.
При этом может статься так, что количество энергии, затрачиваемое на эти действия, превысит количество энергии, которое было получено от движения валунов по склону горы вниз.

Аналогично и с шахтным стволом. Ствол наполнится породой и получение энергии остановится.

Единственное решение, которое имеется на настоящее время, для преобразования потенциальной энергии в кинетическую>механическую>электрическую — это гидроэлектростанция.
Всем известно, что количество потенциальной энергии, падающего на турбину потока, увеличивается посредством постройки плотин. Удаление отработавшей на турбине воды происходит естественным образом.

В случае же с земной поверхностью энергия, которой обладают тела (грунт, порода) находящиеся на каком то расстоянии от центра земли + выше уровня моря (гора, сопка), у них уже есть. Эти тела наверх поднимать не надо.
Задача в том, чтобы эту энергию утилизировать и использовать.

Представьте себе.
http://mir-prekrasen.net/referat/2175-severnaya-amerika.html
Средняя высота земной поверхности Северной Америки 700м над уровнем моря
Площадь (включая острова) 24228000 км

Если каким-либо способом ухитриться заставить слой породы в 1 метр, составляющий земную поверхность на высоте 700м над уровнем моря, скатиться (свалиться, упасть) на уровень моря, то какое количество энергии при этом можно было бы использовать?

Один кубический метр земной поверхности, находящийся на высоте 700м над уровнем моря при изменении его положения относительно уровня моря до нулевой отметки может дать 18.5409 (Мега Джоуль).
Плотность 2,7 тонны на м. куб.

24228000000м х 700м х 1м = 16 900 000 000 000 куб м.
На высоте 700 м. в Северной Америке имеется 16 900 000 000 000 куб м. грунта, который мы собираемся спустить на 700м вниз и воспользоваться энергией, которая при этом спуске выделится.
Это будет примерно 31375000000000000 мегаджоуль энергии или 8715277777.778 гигаватт*час
Если какая-либо ТЭЦ будет иметь мощность 1000Мвт, то для выработки такого количества энергии ей потребуется 8 715 277 часов или 995 лет

Задача. Как эту энергию взять? Хотя бы мал е е е нький кусочек с соседней сопки.

Экзаменационные вопросы и ответы по дисциплине

«Энергетические установки и электрооборудование судна»,

для курсантов 2-го курса «Судовождение»,

1. Принципы преобразования механической энергии в электрическую и обратно.

Элект­рические машины предназначены для преобразования механичес­кой энергии в электрическую (генераторы) и электрической энергии в механическую (двигатели). Принцип действия всех элек­тромашин основан на законе электромагнитной индукции и возник­новении электромагнитной силы.

При перемещении прямолинейного проводника, замкнутого че­рез внешнюю цепь на нагрузку, с постоянной скоростью в одно­родном магнитном поле в проводнике индуктируется неизменяю­щаяся э.д. с. электромагнитной индукции, а в замкнутой цепи возникает электрический ток (рис. 22, а) . Направление э. д. с. в про­воднике определяют по правилу правой руки (рис. 22,в), а ее вели­чину — по формуле

где В — магнитная индукция, характеризующая интенсивность маг­нитного поля; l — активная длина проводника, пронизываемая силовыми линиями магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника в магнитном поле, м/с: а — угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции.

Если проводник движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то а=90°, a э. д. с. будет максимальной:

Направление тока в проводнике совпадает с направлением э. д. с.

На проводник с током действует электромагнитная сила (Н).Эта сила препятствует перемещению проводника в магнитном поле. Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки (рис. 22,г). Для ее преодоления необходима внешняя сила. Чтобы проводник перемещался с постоянной скоростью, не­обходимо приложить внешнюю силу , равную по величине и противоположно направленную электромагнитной силе.

Из сказанного следует, что механическая мощность , затрачиваемая на движение проводника в магнитном поле, пре­образуется в электрическую мощность в цепи проводника.

В судовых генераторах внешняя сила создается первичными двигателями (дизелем, турбиной).

Преобразование электрической энергии в механическую . При пропускании электрического тока одного направления через прямо­линейный проводник, расположенный в однородном магнитном по­ле, возникает электромагнитная сила, под действием ко­торой проводник перемещается в магнитном поле с линейной ско­ростью V (рис. 22,б) Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем ин­дуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачива­ется на внутреннем сопротивлении проводника R.

Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в

механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе ос­нована работа электродвигателей.

2. Принципы получения переменного и постоянного тока.

В реальных электрических машинах проводники конструктивно изготовляют в виде рамок. Для уменьшения магнитного сопротивления машины, а следовательно, для увеличения значений э. д. с. и к. п. д. в гене­раторах, вращающего момента и к. п. д в электродвигателях ак­тивные стороны рамки укладывают в пазы цилиндрического сталь­ного сердечника (якоря), который совместно с закрепленной на нем рамкой может свободно вращаться в магнитном поле. Для этой же цели полюсам магнита придают особую форму, при которой сило­вые линии поля всегда направлены перпендикулярно направлению движения активных сторон рамки, а магнитная индукция в воздуш­ном зазоре между полюсами и якорем распределена равномерно (рис. 23,а).

Если при помощи сторонней силы якорь вместе с рамкой вра­щать в магнитном поле полюсов, то в соответствии с законом элект­ромагнитной индукции в активных сторонах аЬ и cd рамки индук­тируются э. д. с, направленные в одну сторону и суммируемые.

При переходе активных сторон через плоскость, перпендикуляр­ную магнитному полю, индуктируемые в них э. д. с. меняют свое направление. В рамке будет действовать э д. с, переменная как по величине, так и по направлению. Если концы рамки через кон­тактные кольца соединить с внешней целью, то в цепи будет протекать переменный ток.

Рис 23 Принцип получения переменного тока

1 — щетки. 2 контактные кольца, 3 стальной сердечник; 4 -рамка

Для выпрямления тока электрическая машина снабжена специ­альным устройством — коллектором . Простейший коллектор пред­ставляет собой два изолированных полукольца, к которым присое­диняют концы вращающейся в магнитном поле рамки (рис. 24,а).

С внешней цепью коллекторные пластины соединены при помо­щи неподвижных щеток, рабочие поверхности которых свободно скользят по вращающемуся коллектору 2. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое в тот момент, когда индуктируемая в рамке э. д. с. равна нулю. При повороте на 90°, когда рамка займет горизонтальное положе­ние, в ее проводниках э. д. с. не индуктируется, так как они не пе­ресекают магнитного поля. Ток в контуре также равен нулю.

Рис 24. Принцип получения постоянного тока

При перемещении еще на 90* рамка снова займет вертикальное поло­жение, ее проводники поменяются местами и направление э. д. с и тока в них изменится. Так как щетки неподвижны, то к щетке 3 (+) по-прежнему подходит ток от рамки и далее через приемник направляется к щетке 1(-). Таким образом, во внешней цепи на­правление тока не изменяется.

График выпрямленных э д с и тока изображен на рис. 24,6. Выпрямленный ток имеет пульсирующий характер. Пульсацию то­ка можно уменьшить увеличением числа рамок, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно числа коллекторных пластин.

Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели . Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.

В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паровой турбиной, .

Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.

Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.

Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле. В обмотке якоря . и возникает электрический ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.

Об осуществлении в электрической машине энергопреобразовательного процесса

Каждый электрик должен знать:  Пористый оксид алюминия и структуры на его основе

Из основных электроэнергетических теорем Пуанкаре и Баркгаузена вытекают следующие положения:

1) непосредственное взаимообратное преобразование механической и электрической энергии возможно только в том случае, если электрическая энергия является энергией переменного электрического тока;

2) для осуществления процесса такого энергопреобразования необходимо, чтобы в системе электрических контуров, предназначаемых для этой цели, была либо изменяющаяся электрическая индуктивность, либо изменяющаяся электрическая емкость,

3) для осуществления преобразования энергии переменного электрического тока в энергию постоянного электрического тока, необходимо, чтобы в предназначаемой для этой цели системе электрических контуров имелось изменяющееся электрическое сопротивление.

Из первого положения следует, что механическая энергия может преобразоваться в электрической машине только в энергию переменного электрического тока или обратно.

Кажущееся противоречие этого утверждения с фактом существования электрических машин постоянного тока разрешается тем, что в «машине постоянного тока» мы имеем двустадийное преобразование энергии.

Так, в случае электромашинного генератора постоянного тока мы имеем машину, в которой механическая энергия преобразуется в энергию переменного тока, а эта последняя, вследствие наличия особого устройства, представляющего собой «изменяющееся электрическое сопротивление», преобразуется в энергию постоянного тока.

В случае электромашинного двигателя процесс идет, очевидно, в обратном направлении: подводимая к электромашинному двигателю энергия постоянного электрического тока преобразуется посредством упомянутого изменяющегося сопротивления в энергию переменного электрического тока, а последняя — в энергию механическую.

Роль упомянутого изменяющегося электрического сопротивления выполняет «скользящий электрический контакт», который в обычной «коллекторной машине постоянного тока» состоит из «электромашинной щетки» и «электромашинного коллектора», а в «униполярной электрической машине постоянного тока» из «электромашинной щетки» и «электромашинных контактных колец».

Так как для создания в электрической машине процесса энергопреобразования необходимо наличие в ней или «изменяющейся электрической индуктивности», или «изменяющейся электрической емкости», то электрическую машину можно выполнить либо на принципе электромагнитной индукции, либо на принципе электрической индукции. В первом случае получаем «индуктивную машину», во втором — «емкостную машину».

Емкостные машины не имеют пока практического значения. Применяемые в промышленности, на транспорте и в быту электрические машины представляют собой индуктивные машины, за которыми на практике укоренилось краткое наименование «электрическая машина», являющееся, по существу, более широким понятием.

Принцип действия электрического генератора.

Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 1, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3.

Рис. 1. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)

При вращении витка с некоторой частотой вращения n его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 1, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э. д. с. в проводнике, расположенном под северным полюсом, — к нам.

Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток I. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.

Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). При прохождении тока i по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F.

При указанном на рис. 1, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом, — сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.

Из рассмотрения рис. 1, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора.

Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электромагнитного момента М, созданного током нагрузки генератора.

Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вращать его якорь каким-либо двигателем 5.

При отсутствии нагрузки (при разомкнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе.

При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток I, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.

Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.

Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:

1. совпадение по направлению тока i и э. д. с. в проводниках обмотки якоря. Это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;

2. возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.

Принцип действия электрического двигателя.

Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 1,б), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря.

Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток I. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F.

При указанном на рис. 1, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,- сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой n . Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.

Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется но правилу правой руки. Следовательно, при указанном на рис. 1, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 1, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.

Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. Е, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.

При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.

При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.

Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:

1. совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения n. Это характеризует отдачу машиной механической энергии;

2. возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с., направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.

Принцип обратимости электрических машин

Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего.

Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током.

Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.

Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин . Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.

Рис. 2. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря n и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах

Для выяснения этого положения рассмотрим работу при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. E. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 2, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую.

Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 2, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения n . Совпадение по направлению э. д. с. Е и тока I означает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию.

Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E U машина работает двигателем, при E > U — генератором.

Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.

Понравилось?

Нажмите на кнопку, если статья Вам понравилась, это поможет нам развивать проект. Спасибо!

Ветряные электростанции для дома – обзор цен на популярные модели

Ветряные электростанции – это наиболее альтернативный вариант экономии электрической энергии на сегодняшний день.

Очень часто, такие установки можно встретить на дачных участках.

Люди используют их в тех местах, где загородные участки удалены от основных электрических сетей. Но это не единственная причина. Большинство людей используют ветроэлектростанции в целях экономии и автономности.

Ветряные электростанции имеют свои особенности, которые необходимо знать потенциальным покупателям, иак как от их компетентности зависит продуктивность работы ветрогенератора.

Главный стимул приобретения ветряного генератора – это, несомненно, его целесообразность. Одним из главных критериев при достижении данной цели являются требования к ветру. Известно, что среднегодовая скорость ветра около 4.0-4.5 м/с., этого показателя более чем достаточно для того, чтобы домашняя ветряная электростанция была выгодна в использовании, то есть давала возможность экономить электроэнергию.

В состав этого изобретения входит деталь, которая носит название анемометр. С помощью неё к вам поступает сигнал равносильный скорости ветра. Также, вам пригодится прибор, который считывает сигналы, которые подаёт анемометр. Существуют и другие приспособления этого типа.

Для того, чтобы данные получились как можно точными, такие приборы нужно устанавливать высоко, чтобы внешние факторы, такие как деревья, различные постройки и прочее, не искажали результаты прибора.

Компоненты устройства

Очень важно при покупке домашних ветроэлектростанций знать её компоненты, это вам даст возможность быть более компетентными в этом вопросе и подобрать наилучшую модель для своего дома.

В состав ветряной электростанции входит:

  1. Ротор с лопастями (в зависимости от модели, ветрогенераторы делятся на двухлопастные, трёхлопастные и многолопастные).
  2. Редуктор, проще говоря, коробка передач. Его задача заключается в регулировании скорости между ротором и генератором.
  3. Защитный кожух — его название говорит само за себя, он предназначен для защиты всех составляющих деталей ветряной электростанции от внешнего воздействия.
  4. «Хвост» ветряной установки — нужен для поворота конструкции по направлению ветра.
  5. Аккумуляторная батарея – её основной целью является накопление электроэнергии. Связано с тем, что погодные условия не всегда благоприятны для ветряной электростанции, а с помощью этой составляющей сохраняется определённый запас энергии.
  6. Инверторная установка – предназначена для преобразования постоянного тока в переменный. Это нужно для обеспечения работы домашних электроприборов.

Типы и принцип работы

Ветряные электростанции делят на типы по следующим четырём критериям:

  1. По направлению оси вращения лопастей (делят на горизонтальные и вертикальные. Вертикальные более устойчивы к внешним условиям, но у них меньшая выработка электроэнергии) .
  2. По количеству лопастей (в этом случае ветрогенераторы бывают двух-, трёх- и многолопастные).
  3. По использованному материалу (выделяют с жёсткими и парусными лопастями. Основное отличие в том, что парусные стоят дешевле, но они менее прочны);
  4. По способу управления лопастями (существуют с фиксированным и изменяемым шагом лопастей. Специалисты рекомендуют фиксированный шаг лопастей, так как изменяемый вызывает затруднения в использовании).

При выборе электростанци,й целесообразно было бы знать, в чём заключается принцип работы ветрогенератора. Принцип действия установки предельно прост. Конструкция состоит из хвостовика с лопастями, закреплёнными на металлической мачте, которые вращаются при помощи ветра и крутят ротор генератора.

Перед подачей тока в аккумуляторный отсек, он проходит через преобразователь, где происходит преобразование переменного тока в постоянный до напряжения в 220 Вольт с частотой в 50 герц и снабжает дом электричеством в безветренную погоду.

Современному ветрогенератору нет необходимости в сильном ветре. Его конструкция столько продумана, что для частного дома достаточно скорости ветра до 4 – 5 м/c.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества ветрогенераторов:

  1. Затраты уходят на установку и профилактику прибора. Больше расходов не требуется, так как конструкция не нуждается в топливе для работы.
  2. Вам не нужно контролировать и вмешиваться в работу ветряка, так как выработка энергии происходит всегда, когда есть ветер.
  3. В зависимости от типа генератора, он не будет производить лишний шум.
  4. Приспособлению подходит большинству климатических условий.
  5. Износ деталей незначителен.

Основные недостатки ветряной электростанции:

  1. В определенных режимах или при неправильной установке мачты, ветрогенератор может издавать инфразвук.
  2. Высокая мачта обязательно требует заземления.
  3. Необходимость регулярной профилактики.
  4. Вероятность повреждения приспособления при ураганах и т.д.

Выбор размера и места для размещения

Размер ветряной электростанции является очень важным вопросом для потенциальных покупателей. Для того, чтобы определиться с размерами, вам нужно внимательно изучить – сколько энергии вы потребляете в течение одного месяца? Полученную цифру необходимо умножить на 12 месяцев.

Затем, вам нужно воспользоваться формулой: AEO = 1.64 * D*D * V*V*V.

Она даст возможность рассчитать приблизительное количество электроэнергии, которую вы сможете получить с помощью домашней установки.

Обозначения, которые необходимо знать при использовании формулы:

  1. AEO — электроэнергия, которую вы используете за год.
  2. D – диаметр ротора, который обозначается в метрах.
  3. V – среднегодовая скорость ветра, обозначается в м/сек.

Таким образом, эти подсчёты помогут определить, какой размер генератора вам нужен, в зависимости от вашего расхода электроэнергии.

Задумываясь о приобретении ветряной электростанции для дома, нужно максимально точно изучить все детали связанные с конструкцией, так как от этого зависит то, насколько ваша цель будет удовлетворена.

При размещении ветрогенератора, вам стоит учитывать следующие факторы:

  1. Вблизи вашей установки не должно быть деревьев, разнообразных построек и прочего, что могло бы помешать максимальной продуктивности работы вашего генератора.
  2. Лучше всего установить ветрогенератор на специально сооружённую конструкцию, которая должна быть на пару метров выше, чем преграды расположенные на расстоянии как минимум 200 метров.
  3. Рекомендуется размещать ветроэлектростанции на расстоянии около 30-40 метров от жилых домов, так как они создают определённый шум, который приносит дискомфорт.

Обзор цен

В большинстве случаев, цена на ветряные электростанции зависит от их мощности. В бытовых условиях вполне достаточно генераторов с мощностью от 5 до 50 кВт.

Более детально о соотношении цен и видах генераторов:

  1. Ветрогенераторы с мощностью 3 кВт /48V – примерная стоимость 93 000,00р. Подобные могут быть использованы не только в качестве дополнительного источника электроснабжения, но и основного. Такие модели в состоянии обеспечить электроэнергией коттедж.
  2. Ветрогенераторы с мощностью 5 кВт /120V – приблизительно 220 100,00 р. Такая конструкция сможет обеспечить энергией целый дом. Вы сможете одновременно включать достаточно большое количество бытовых электрических приборов.
  3. Ветрогенераторы с мощностью 10 кВт/240V – цены в пределах 414 000,00 р. Его достаточно для обеспечения энергией фермерского хозяйства или нескольких домов. Помимо бытовых приборов вы без проблем сможете использовать, к примеру, электрические строительные инструменты весь день. Такие электрогенераторы часто используются для супермаркетов, чтобы обеспечить постоянную работу отделов и видеонаблюдения.
  4. Ветрогенераторы с мощностью 20 кВт/240V – цена такого устройства 743 700,00р. Электростанции такого типа являются очень мощными. Они в состоянии обеспечить электроэнергией целую водонапорную систему. В бытовых условиях он сможет более чем полностью обеспечить энергией огромный дом.
  5. Ветрогенераторы с мощностью 30 кВт/240V – стоимость в пределах 961 800,00 р. Эта модель является настолько мощной, что сможет обеспечить электрической энергией пятиэтажный дом.
  6. Ветрогенераторы с мощностью 50 кВт/380V – приблизительная цена около 3 107 000,00р. Эта модель не рациональна для использования в бытовых условиях, так как она настолько мощна, что сможет с лихвой обеспечить энергией несколько многоэтажных домов.

Эффективность и окупаемость

Ветряные электростанции для дома являются альтернативным решением при экономии электроэнергии. Они получили достаточно широкое распространение.

Для того, чтобы обеспечить энергией целый дом, достаточно использовать один ветрогенератор и при этом не ограничивать себя, экономя на электроэнергии.

Выгодно и то, что для получения такого эффекта достаточно минимальной скорости ветра от 1,8 до 4,5 метра в секунду.

Но погодные условия не всегда подходят для ветрогенератора, поэтому вам нужно приобрести резервный генератор, который обеспечит запас энергии. Это даст возможность повысить продуктивность вашей домашней ветряной электростанции.

Среди положительных сторон установки стоит отметить следующие:

  1. Потратив большую сумму на электрогенератор, вам больше не потребуется тратить денежные средства, так как топливо для работы прибора не нужно. То есть уже за несколько лет ваше приобретение сможет окупиться.
  2. Производительность ветрогенератора не зависит от времени года или других погодных условий, его работа не прекращается даже зимой, что несомненно является плюсом, так как в зимнее время года расход энергии больше чем в другие. Этот факт несомненно свидетельствует о его эффективности и окупаемости.
  3. Износ деталей генератора незначительный, учитывая регулярную профилактику ветрогенератора, которая является необходимой. При правильной и грамотной установке, а также эксплуатации ветряной электростанции для дома, она сможет прослужить вам более тридцати лет, что несомненно является значительным плюсом.

Срок полной окупаемости ветряных электростанций составляет приблизительно 5-7 лет, а далее вы сможете использовать электроэнергии абсолютно бесплатно.

Отзывы пользователей

В большинстве, пользователи отмечают, что они довольны ветряной электростанцией для дома:

Александр, г. Белгород

«3 года назад построил дом в деревне, отказался от местных электростанций. Установил ветрогенератор на 3 квт. Уже 2 года работает, хватает на содержание дома, хотя расход энергии у меня не так велик».

Евгений, г. Москва

«Приобрёл ветряк производства США, заряжающий аккумулятор 12 V. Использовал 3 года, мощности хватало для света, ноутбука, насоса угольного котла. Неплохой вариант сэкономить, только нужно аккумуляторы выбрать качественные, чтобы дольше служили».

Михаил, г. Чебоксары

« Я считаю, что эта установка нужна для частного дома, так как автономное использование энергии более удобное. Выходит дешевле».

Аркадий, г. Киров

«У меня дом двухэтажный, я купил ветрогенератор 2 квт, 4 аккумулятор 12v 150 ah AGM. Этого хватает с головой на свет, телевизор, холодильник там и т.д.»

Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы

Естественной реакцией атмосферы на неравный прогрев разных ее слоев является ветер. Возникающие перепады давления в атмосфере заставляют ветер дуть из областей высокого давления в области низкого давления, и чем больше разница давлений, тем сильнее ветер — тем выше его скорость. Теоретически считается, что до 2% солнечной радиации преобразуются в механическую энергию ветра, благодаря естественному движению воздуха в атмосфере.

Известно, что рельеф той или иной местности может либо усилить ветер, либо ограничить воздушный поток. Так, в районах горных хребтов, перевалов, вблизи речных каньонов, — условия для установки ветряных турбин поистине идеальны. И если вспомнить, что мощность, которую можно получить от ветра, пропорциональна массе проходящего через турбину воздуха и кубу его скорости, то легко понять перспективы, которые стремительно открываются на данном направлении.

Ветер, безусловно, является одним из перспективнейших возобновляемых источников природной энергии. Не зря во многих странах год за годом сооружается все больше ветропарков, ветряных ферм, в частности — на прибрежных частях морей, океанов, и на равнинах.

Порывистый характер ветра не способствует стабильному питанию электрических сетей, поэтому важной задачей становится накопление энергии с целью дальнейшего ее использования. Но эта задача решается — возводятся промышленные и частные аккумуляторные системы хранения электроэнергии, принимаются меры по обеспечению бесперебойного электроснабжения.

И уже сейчас можно уверенно говорить о том, что мощный промышленный ветрогенератор (как например Enercon E-126), мощностью 6-8 МВт, будучи интегрирован в систему электроснабжения небольшого городка, сможет обеспечить нужды его жителей и потребности электрифицированной инфраструктуры.

Давайте, однако, обратимся к сути, и рассмотрим устройство промышленного ветрогенератора. Ведь любой ветрогенератор является продуктом щепетильной инженерной мысли, результатом точных расчетов и долгого проектирования, с целью получить эффективный и надежный преобразователь энергии ветра в электрическую энергию, поэтому каждая деталь огромной конструкции отнюдь не случайна. Для примера будем обращаться к конструкции ветрогенератора Enercon E-126, и рассмотрим основные его части.

Башня (7) высотой в десятки метров является опорой промышленного ветрогенератора. Она изготавливается сплошь из железобетона путем последовательной заливки в опалубку или собирается из коротких железобетонных колец, которые устанавливают последовательно одно на другое, и соединяют, протягивая через них каркасные тросы. Армированный бетон обладает достаточной прочностью, чтобы удержать на высоте тяжелую турбину и гондолу, а также противостоять нагрузке, возникающей при работе ветрогенератора, препятствуя опрокидыванию сооружения.

Основание башни покоится на железобетонном фундаменте (8), вес которого соизмерим с весом самой башни. Для примера, ветрогенератор Enercon E-126 обладает общим весом около 6000 тонн. Опора по форме не является цилиндром, она имеет форму ближе к усеченному конусу, чем к цилиндру. Расширенная у основания, башня надежно удерживает всю конструкцию в правильном положении.

Лопасти и ротор

Лопасти (6) и ротор (5) промышленного ветрогенератора изготавливают из особого композитного волокна на основе стали. Лопасти набираются из отдельных сегментов, либо изготавливаются как монолит, в зависимости от их размаха. Для крепления лопастей к ротору применяют, как правило, болты и хаб. Сами лопасти крепятся к хабу, а хаб — непосредственно к ротору генератора.

Вращение турбины вокруг башни

Для вращения турбины вокруг башни применяется асинхронный двигатель (3), соединенный зубчатой передачей с кольцом у основания гондолы. Таких двигателей может быть от одного до трех, в зависимости от размера ветрогенератора и от его мощности.

Если раньше в качестве генераторов для ветряков применялись агрегаты близкие по конструкции к стандартным синхронным генераторам, то в начале 2000-х появилось такое новшество, как кольцевой генератор (1). Здесь ротор турбины, соединенный с хабом, является одновременно и ротором генератора.

На кольцевом роторе расположены обмотки независимого возбуждения, формирующие магнитные полюсы, а на статоре, соответственно, — обмотка статора. Обмотка статора разделена на части (в случае Enercon E-126 — на четыре части), каждая из которых подключена к индивидуальному выпрямительному блоку. Контроллер генератора расположен в машинном отделении (2) гондолы.

После выпрямления, постоянное напряжение номиналом в 400 вольт подается на инвертор (4), установленный в основании башни, где энергия преобразуется в переменный ток, и после трансформации подается на ЛЭП.

Мы рассмотрели ключевые составные части современного промышленного ветрогенератора на примере модели Enercon E-126, впервые установленной вблизи немецкого города Эмден в 2007 году. Мощность генератора на данный момент составляет 7,58 МВт, чего достаточно для круглогодичного обеспечения электроэнергией 4500 коттеджей.

На сегодняшний день компанией Enercon возведено более 13000 подобных ветрогенераторов по всему миру, их суммарная установленная мощность уже в 2010 году превышала 2846 МВт.

Добавить комментарий