Ветроэнергетические установки

Энергию ветра люди использовали издавна. Ветер наполнял паруса их лодок, заставляя плыть в нужном направлении, вращал жернова мельниц, с помощью ветра подавалась вода из колодцев. И сегодня, когда цены на ископаемые энергоносители постоянно растут, ветроэнергетика переживает свое второе рождение. На энергию ветра возлагает большие надежды, как промышленность, так и индивидуальный потребитель.
Ветровой поток обладает кинетической энергией и для того, чтобы преобразовать ее в электрическую или тепловую энергию необходимо еще одно звено. В случае с электричеством этим звеном является генератор электрического тока. Ветроагрегаты могут также наполнять ресиверы сжатым воздухом, с помощью компрессора, либо качать воду с помощью гидронасоса, приводимого в движение, все тем же, валом ветродвигателя. Поскольку ветер дует не всегда, а энергия нужна постоянно, то ее концентрируют в аккумуляторах, емкостях со сжатым воздухом либо в водонапорных башнях – смотря, какой преобразователь использует ветродвигатель.

Ветродвигатели

Принцип действия ветродвигателя основывается на передаче крутящего момента от основного вала, приводимого в движение ветром, напирающим на лопасти, через редуктор валу преобразователя энергии (генератору, пневмо- или гидронасосу). Ветродвигатели различаются по типу конструкции основного рабочего органа. Это могут быть крыльчатые (пропеллерные), барабанные или роторные (карусельные) устройства снимающие энергию ветра.

Ветрогенераторы также классифицируются по типу расположения оси вращения рабочего органа по отношению к направлению ветра. Они делятся на:

• параллельные направлению воздушного потока (горизонтальная ось вращения);
• перпендикулярные направлению воздушного потока (горизонтальная ось вращения);
• перпендикулярные направлению ветра, но с вертикальной осью вращения.

Наиболее популярна крыльчатая конструкция ветродвигателя с горизонтальным положением оси. Ее используют 90% потребителей.

Состоит крыльчатый ветродвигатель из башни, головки, ветроколеса и механизма ориентации (хвоста). Ветроколесо может иметь две и более лопасти, повернутые под определенным углом к плоскости вращения. В зависимости от числа лопастей ветродвигатели могут быть быстроходными (до 4 лопастей), среднескоростными (4-8 лопастей) и тихоходными (от 8 лопастей).

Головка ветродвигателя служит для установки на нее верхнего передаточного механизма и вала ветроколеса. Ее форму определяет сложность передаточного механизма, число передаточных ступеней и крутящий момент, который необходимо получить на выходе. Головка свободно вращается вокруг вертикальной оси и служит поворотным механизмом для ориентации по направлению ветра.

Хвост ветродвигателя выполняет функцию флюгера. Благодаря его парусности ориентация головки всегда находится против ветра.

Башня позволяет установить ветродвигатель на определенную высоту, где отсутствуют препятствия для свободного улавливания воздушного потока.

Ветроагрегат, также оснащен системой торможения, которая полностью останавливает ветроколесо при скорости ветра 35-45 м/с.

Наиболее простую конструкцию имеют крыльчатые малолопастные ветродвигатели. Они обладают высоким коэффициентом полезного действия, однако для их запуска скорость ветра должна быть более 6-8 м/с. Также они издают шум во время работы на полную мощность, из-за высокой скорости вращения ветроколеса.

Многолопастные ветродвигатели запускаются уже при скорости ветра 2-4 м/с, однако обладают рядом недостатков, таких, как пониженный КПД, материалоемкость, высокие гироскопические нагрузки, вызванные инерцией вращения, а также повышенные нагрузки на некоторые детали установки.

Роторные ветродвигатели имеют упрощенную конструкцию благодаря вертикальному расположению вала вращения и отсутствии механизма ориентации. Они действую по принципу паруса и в отличие от крыльчатых ветродвигателей, их лопасти двигаются не, как пропеллер самолета, а по кругу, как карусели. Роторные ветродвигатели не создают шума, запускаются при малой скорости ветра, однако имеют низкий КПД, всего 18%. Этот тип ветродвигателей довольно материалоемок, и в них используются малораспространенные многополюсные электрогенераторы.

Сегодня рынок располагает широким ассортиментом ветроэнергетических установок с номинальной мощностью 20-300кВт. Необходимо отметить, что отечественные агрегаты намного дешевле зарубежных аналогов, но практически не уступают в качестве и долговечности. Кроме того, к ним легче найти запчасти и они дешевле в обслуживании.

Усадьбы и фермерские хозяйства в основном используют ветроэлектрические установки (ВЭУ) мощностью 0,7-1 кВт, в качестве автономных или запасных источников электроснабжения. Для запуска таких агрегатов достаточно скорости ветра 2,5-3 м/с. На номинальную мощность они выходят при скорости 6-8 м/с. Скорость вращения вала ветротурбины при этом составляет 250-300 об/мин. Высота башни обычно составляет 6-17 метров, и зависит от высоты наземных препятствий.

Эксплуатация ветряных электрогенерирующих устройств

Скорость ветра не является постоянной и в связи с этим непостоянной является и скорость вращения вала электрогенератора. В результате вырабатывается так, называемая, «грязная» электроэнергия: генератор выдает напряжение от 0 до 56 Вольт с непостоянной частотой тока. Для того чтобы вырабатываемый генератором электрический ток можно было использовать для питания электроприборов необходимо создать буфер для накопления тока. Этим буером являются аккумуляторные батареи, входящие в комплект ветроэнергетической установки. Они не только накапливают и «выравнивают» нестабильное напряжение, но и обеспечивают бесперебойное электроснабжение в безветренную погоду. При постоянных ветрах и полностью зараженных батареях тормозной механизм блокирует ветроколесо, чтобы сохранить ресурс подшипников и генератора.

Постоянный ток, который можно получить на клеммах аккумуляторов, как известно, не пригоден для большинства электроприборов и для того, чтобы придать ему необходимые параметры существует специальный прибор – преобразователь тока (инвертор). На выходе инвертора ток имеет потребительские характеристики – 220V / 50 Гц.

Если местность где планируется установка ветрогенератора, изобилует ветрами вперемешку с периодами его отсутствия, то количество аккумуляторных батарей может быть увеличено. Вообще система ветрогенератора должна подбираться индивидуально для различных ветровых условий. Функциональность системы регулируют типом ветроколеса, редукционной способностью ветродвигателя и количеством аккумуляторных батарей. В районах с низким ветроклиматом предусматривают также солнечную подзарядку: на башне устанавливают несколько секций солнечных батарей. Это дает возможность рассчитывать на подзарядку аккумуляторов при отсутствии ветра в солнечную погоду.

В хозяйствах, где энергопотребление является важной составляющей производственных процессов, для преодоления пиковых нагрузок в цепь включают бензиновые или дизельные генераторы, которые запускаются автоматически при критическом повышении нагрузки на сеть. Не исключают также и подключение к центральной электросети, если таковая имеется, на случай временного отсутствия всех автономных мощностей.
Спрос на маломощные ветроустановки у малых фермерских хозяйств и частных усадеб постоянно растет, поскольку у них появляется электрооборудование нового поколения, обладающее низким энергопотреблением.

Ветронасосные установки

Как уже говорилось, электричество не единственный вид энергии, в которую может быть преобразована энергия ветра. Ее используют также для поднятия воды из скважины в районах, где нет электричества, например на полях. Хотя в отечественной практике такие ветронасосы пока не распространены, однако они сыграли в свое время важную роль в освоении «дикого запада», и стали частью американской культуры.
Идею ветронасоса можно считать гениальной для получения воды там, где ее нет на поверхности. И сегодня, в полностью электрифицированных соединенных штатах, фермеры активно используют энергию ветра, для подъема воды на своих ранчо. Возможно это дань определенному культурному наследию, но, тем не менее, от этого ветронасосы не становятся менее эффективными, и не далеко то время, когда они снова станут хорошим подспорьем в хозяйстве.

Отечественные производители сегодня тоже уделяют внимание этому перспективному направлению. Российскую продукцию представляют ветронасосные станции «Водолей» и «Ромашка».

Ветронасосная установка «Ромашка» позволяет поднимать воду из всех видов источников с глубины до 8 метров. Для его работы необходима минимальная скорость ветра 3 м/с. Роль башни выполнят трубчатая стойка, зафиксированная проволочными растяжками. Ее высота может быть 4 или 6 метров. Головка «Ромашки» имеет 12-ти лопастное ветроколесо и механизм ветроориентации. Механическое усилие ветроколеса передается насосу посредством кулачково-рычажного механизма с возвратно-поступательной вертикальной тягой, находящейся внутри трубчатой опоры. Насос используется – самовсасывающий, с резиновой диафрагмой и возвратным пружинным механизмом (усилие 5-10 кг). В качестве гидроаккумулятора используют емкость 1,5-2 м.куб.

Данный ветроагрегат можно эксплуатировать только при положительных температурах. В зимнее время его целесообразно демонтировать и законсервировать до следующего сезона. Установка ветронасоса несложная, и осуществляется силами 2-3 человек.