Kinetikus szélgenerátor: készülék, működési elv, alkalmazás

A modern kinetikus szélgenerátor lehetővé teszi, hogy kihasználja a légáramok erejét, elektromos árammá alakítva azt.Erre a célra léteznek gyári és házi készítésű készülékmodellek, amelyeket mind az iparban, mind a magánháztartásokban használnak.

Elmondjuk, hogyan készülnek az ilyen típusú szélturbinák, és bemutatjuk az eszköz jellemzőit és a tervezési lehetőségeket. Az általunk javasolt cikk bemutatja a szélerőművek erősségeit és gyengeségeit. A barkácsolók hasznos diagramokat és összeszerelési javaslatokat találnak itt.

A szélgenerátor működési elve

A szélgenerátor működése azon alapul, hogy a szél kinetikus energiáját a forgórész mechanikai energiájává alakítják, ami aztán elektromos árammá alakul.

A működés elve meglehetősen egyszerű: a készülék tengelyéhez rögzített lapátok forgása a forgórész generátor körkörös mozgásához vezet, ezáltal elektromos áramot termel.

A szélenergia a megújuló energia egyik legígéretesebb ágazata. A modern kialakítások lehetővé teszik a levegőáramok erejének költséghatékony hasznosítását, elektromos áram előállítására

Az így létrejövő instabil váltakozó áram „lefolyik” a vezérlőbe, ahol egyenfeszültséggé alakul, amely képes tölteni az akkumulátorokat. Innen a tápfeszültség az inverterre kerül, ahol 220/380 V-os mutatójú váltakozó feszültséggé alakul át, amelyet a fogyasztók kapnak.

A szélgenerátor teljesítménye közvetlenül függ a légáram teljesítményétől (N), amelyet az N=pSV képlet alapján számítanak ki.³/2, ahol V a szél sebessége, S a munkaterület, p a levegő sűrűsége.

Szélgenerátor készülék

A szélgenerátorok különböző változatai jelentősen eltérnek egymástól.

Az alábbi diagram egy klasszikus vízszintes szélgenerátor belső szerkezetét mutatja be. Az ilyen modelleket leggyakrabban mind az iparban, mind a mindennapi életben használják.

Az ipari készülékek összetett többméteres szerkezetek, melyek beépítése alapozást igényel, míg egy háztartási modell minimum alkatrészből állhat (DC villanymotor 3-12V, elektromos kondenzátor 1000 uF 6V, szilícium egyenirányító dióda).

Egy tipikus telepítés a következő összetevőket tartalmazza:

• váltakozó áramú generátor (a teljesítmény a szél áramlási sebességétől függ);
• pengék, amelyek a forgást a generátor tengelyére továbbítják (gyakran sebességváltókkal és forgórész-fordulatszám-stabilizátorokkal is fel vannak szerelve);
• a szélmalom árboc, amelyhez a lapátokat rögzítik (minél magasabbak ezek az elemek, annál több szélenergiát tudnak fogadni);
• akkumulátorok, amelyek energiát tárolnak, lehetővé téve annak használatát, ha kevés vagy nincs szél. Az akkumulátor a generátor által szolgáltatott elektromos energia stabilizálásának funkcióját is ellátja;
• vezérlő - a generátortól kapott váltakozó feszültség átalakítója egyenfeszültséggé, amelyet az akkumulátor töltésére használnak. A vezérlő vezérlése a lapátok elforgatásával történik, ami lehetővé teszi annak figyelembevételét, hogy hol mozognak a levegőáramok;
• Az AVR egy automatikus kapcsolóberendezés, amely összeköti a szélgenerátort más energiaforrásokkal (napelemekkel, elektromos hálózattal);
• szélirány-érzékelő - olyan eszköz, amely megkönnyíti a lapátok számára a széláramlás megtalálását;
• egy inverter az akkumulátorok egyenáramának váltakozó feszültséggé alakítására, amelyet az elektromos kommunikációban használnak.

A felhasználói igények jobb kielégítése érdekében a készülék különféle típusú inverterekkel szerelhető fel:

• inverter által módosított szinuszhullámmal rendelkező eszközök, amelyek négyzetes szinuszhullámot állítanak elő. Az ilyen típusú készülékek alkalmasak fűtőelemek, izzólámpák és egyéb, a hálózat minőségét nem igénylő eszközökhöz;
• háromfázisú feszültséginverterek háromfázisú elektromos hálózatokhoz;
• tiszta szinuszhullámú egységek, amelyek energiát termelnek az érzékenyebb berendezések számára;
• hálózati inverterek, amelyek akkumulátorok nélkül is működhetnek. Az ilyen eszközöket olyan áramkörökhöz tervezték, amelyekben elektromos energia közvetlenül az általános hálózatba kerül.

A modellek kiválasztásakor ügyeljen az inverter típusára.

A szélgenerátorok típusai

A szélturbinák osztályozása során a következő jellemzőket lehet figyelembe venni:

• időpont egyeztetés;
• tervezési jellemzők;
• pengék száma;
• az anyagok, amelyekből készültek;
• forgástengely;
• légcsavar állásszög.

Nézzük meg közelebbről a két leggyakrabban használt osztályozást.

A szélgenerátorok osztályozása rendeltetés szerint

Vannak olyan szélturbinák, amelyek rendeltetésükben különböznek. Az eszközök fő jellemzői, például a teljesítmény, ettől függenek.

Ipari szélturbinák

Az ilyen eszközöket nagy energiavállalatok vagy az állam telepíti az ipari létesítmények áramellátására.A több tíz megawatt teljesítményű turbinákat általában szélterületeken (nyílt dombok, tengerpartok) helyezik el.

A szélerőművek, ahol több tucat szélturbinát telepítenek, nemcsak a szárazföldön, hanem a sekély vízben is találhatók. A keletkező villamos energiát általában ipari célokra használják fel

A megtermelt villamos energia általában közvetlenül a hálózatba kerül, míg a stabilitás és a lapátok forgási sebességének szabályozása érdekében a szélturbinák további mechanizmusokkal vannak felszerelve.

Kereskedelmi szélgenerátorok

Az ilyen létesítményeket eladásra szánt villamos energia előállítására vagy villamos energia biztosítására használják olyan régiókban, ahol alacsony teljesítményű elektromos hálózat (vagy egyáltalán nincs villamosenergia-hálózat) található. Az ilyen szélerőművek elektromos generátorok csoportjából állnak, amelyek különböző teljesítményűek lehetnek.

A kereskedelmi létesítményekből származó energia közvetlenül betáplálható az elektromos közművekbe, vagy felhasználható számos akkumulátor töltésére, ahol tárolják és átalakítják a hálózat táplálására.

Háztartási szélkészülékek

Az alacsony teljesítményű egységeket magáncélra használják. A szabályok szerint 25 méternél alacsonyabb árbocú szélturbinákat a földtulajdonosok hatósági engedély nélkül telepíthetnek, magasabb árbocokhoz külön engedély szükséges.

Az alacsony és közepes teljesítményű szélmalmok elektromos energiaforrásként szolgálhatnak nyaralók, nyaralók, vidéki házak és farmok számára

A háztartási szélgenerátorok 12/24/48V feszültségű akkumulátorok töltésére alkalmasak, amelyekből származó energiát 220 V feszültséggé alakítják.Az ilyen eszközök lehetővé teszik a központi áramhálózattól távol elhelyezkedő kis objektumok áramellátásának teljes vagy részleges megoldását.

Útmutató a szélgenerátor kiválasztásához egy magánház energiaellátásához olvasd el a cikketennek az érdekes kérdésnek szentelték.

A szélturbinák típusai

Tervezési jellemzőik alapján az eszközök számos kategóriába sorolhatók, bár minden típus két fő típusra oszlik: függőleges és vízszintes.

Klasszikus vízszintes szélturbinák

Az ilyen berendezésekben (propellernek vagy szárnynak is nevezik) általában 3-5 lapát van egy vízszintes tengelyre szerelve. Nagy sebességgel forogva az ilyen elemek lehetővé teszik a maximális energiamennyiség elérését (KIEV 0,4-ig).

Ezenkívül a termelt villamos energia mennyisége nagyban függ a készülék magasságától (minél magasabb, annál nagyobb az eredmény).

A vízszintes szélturbina emelőerőt használ, amely akkor következik be, amikor a nyomás megnő azon a ponton, ahol a közvetlen légáramlás áthalad a lapátokon, és visszaverődik ezekről az elemekről.

Ezeket az eszközöket jellemzően szélerőművekbe telepítik, ahol ipari és kereskedelmi felhasználásra termelnek energiát, de alkalmasak háztartási felhasználásra is.

A vízszintes szélmalom érdekes megoldása az egy lapáttal rendelkező modell, a következő fotók bemutatják annak jellemzőit:

Függőleges szélturbinák

Az ilyen berendezések működtető eleme egy forgó szélkerék. Tervezési jellemzőik miatt az ilyen szerkezetek típusonként különböznek ("hordó", "Savonius").

Az alábbi fotóválogatás bemutatja a Savonius függőleges generátorturbina működési elvét:

Az alacsony KIEV index (0,1-0,2) ellenére széles körben alkalmazzák őket: a függőleges telepítések turbulens légáramokra működnek, így olyan területeken is elhelyezhetők, ahol ritkán fúj erős szél.

A függőleges szélgenerátorok működése nem függ a szelek irányától. Könnyen felszerelhetők és működtethetők, az ilyen eszközök a talaj közelében is felszerelhetők

A függőleges szélturbinák hatékonyságának javítása érdekében a gyártók gyakran növelik méretparamétereiket, ami jelentős költségnövekedéshez vezet. Mivel az ilyen létesítmények meglehetősen törékenyek, fokozott védelmet igényelnek a hurrikánok és más természeti jelenségek ellen.

"Rotor Daria" szélgenerátorok

Az ilyen eszközök a függőleges szélturbinák kategóriájába tartoznak, de jelentős különbségek vannak a tervezésben. Az ilyen tulajdonságoknak köszönhetően zajcsökkentés érhető el, és a KIEV is nő, ami megközelíti a vízszintes modellek teljesítményét.

A levegőre merőleges forgástengelyű alacsony nyomású turbinát, amelyet 1931-ben javasolt a francia repülőgép-tervező, Georges Darrieus, széles körben alkalmazták a szélenergiában.

Az ilyen kialakítások hátránya az alacsony indítónyomaték (csak két penge jelenléte miatt a készülék nehezen indul el magától). A probléma megoldására gyakran használják a „Savonius + Darier” hibridet.

Vitorlás szél berendezések

Az ilyen telepítéseknél a függőleges és vízszintes szélturbinák építési elve egyaránt alkalmazható. A fő tervezési jellemző a szélkerék, amelyet sok pengével vagy vitorlával borítanak, míg az ilyen modellek nem rendelkeznek aerodinamikai profillal.

A vitorlás szélgenerátoroknak számos modellje létezik, amelyek a lapátok számában, súlyában és teljesítményében különböznek egymástól. Mindezeket a paramétereket figyelembe kell venni az eszköz kiválasztásakor

Annak ellenére, hogy a vitorlás berendezéseket alacsony sebesség és alacsony hatékonyság jellemzi, gyakran használják a nemzetgazdaságban.Az ilyen kialakítások könnyen telepíthetők és működtethetők, és a nagy nyomaték és az alacsony fordulatszám kombinációja lehetővé teszi a különféle hasznos mechanizmusok, például a víz kiszivattyúzására szolgáló szivattyú közvetlen meghajtását.

Az alábbi galéria bemutatja a vitorlás szélturbinák egyik gyakorlatban megvalósított modelljét:

Generátor szélturbinához

A szélturbinák működéséhez hagyományos háromfázisú generátorokra van szükség. Az ilyen eszközök kialakítása hasonló az autókon használt modellekhez, de nagyobb paraméterekkel rendelkezik.

A szélturbinás műszerek háromfázisú állórész tekercseléssel rendelkeznek (csillagcsatlakozás), amelyből három vezeték jön ki, és a vezérlőhöz megy, ahol a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítják.

A szélturbina generátor rotorja neodímium mágnesekből készül: az ilyen kialakításokban nem helyénvaló elektromos gerjesztést használni, mivel a tekercs sok energiát fogyaszt

A forgalom növelésére gyakran alkalmaznak szorzót.Ez az eszköz lehetővé teszi a meglévő generátor teljesítményének növelését vagy kisebb eszköz használatát, ami csökkenti a telepítés költségeit.

A szorzót gyakrabban használják a függőleges szélgenerátorokban, amelyekben a szélkerék forgási folyamata lassabb. A nagy pengefordulatszámú vízszintes eszközöknél nincs szükség szorzókra, ami leegyszerűsíti és csökkenti a tervezés költségeit.

A szélgenerátorok összeszerelésének és telepítésének sajátosságai a mosógépből és szélturbinák autó generátorból részletesen ismertetjük az általunk ajánlott cikkekben.

A szélgenerátor előnyei és hátrányai

Tekintsük részletesen a szélturbinák előnyeit és hátrányait, mivel tőlük függ a szélturbina vásárlásáról vagy elhagyásáról szóló döntés.

A széleszközök előnyei

A szélenergiát használó eszközök előnyei a következők:

• Környezetbarátság. A létesítmények megújuló energiaforrást használnak, amely folyamatosan, környezetkárosítás nélkül használható. A szélgenerátorok által termelt villamos energia helyettesíti a hőerőművek energiáját, csökkentve az üvegházhatású gázok kibocsátását.
• Sokoldalúság. Szélerőműveket szinte mindenhol lehet építeni: síkságon, hegyekben, mezőkön, szigeteken és akár sekély vizekben is. A szélenergia különösen értékes a távoli helyeken, ahol nehéz a hagyományos elektromos kommunikációt kiterjeszteni. A szélgenerátorok ebben az esetben lehetővé teszik az objektumok energiaellátásának létrehozását, biztosítva annak függetlenségét a véletlenszerű tényezőktől (például a nem időben szállított üzemanyag).
• A használat hatékonysága. A modern modellek még gyenge szél energiáját is feldolgozzák - a minimális határ 3,5 m/s.Ily módon lehetőség nyílik a központosított hálózat további áramellátására, valamint az egyes objektumok (szigeti vagy helyi) áramellátásának megszervezésére, függetlenül azok teljesítményétől.
• Méltó alternatívája a hagyományos forrásoknak. A helyhez kötött szélerőművek egy lakóépületet vagy akár egy kisebb ipari létesítményt is képesek teljes mértékben ellátni árammal. Ebben az esetben a turbina a szükséges áramellátást akkumulátorokban fogja felhalmozni, amelyeket nyugodt időszakokban használnak.
• Gazdaságos. A hagyományos elektromos energiaforrásokhoz (gáz, tőzeg, szén, olaj) képest a kerékpárturbinák jelentősen csökkenthetik az energiaköltségeket. A szélerőműpark építése sok esetben olcsóbb, mint a meglévő villamosenergia-rendszerekhez való csatlakoztatás.

A szélturbinák használata alternatívát jelenthet a drága dízelgenerátorok használatához, tovább csökkentve az üzemanyag szállítási és tárolási költségeit, akár 80%-kal.

A szélturbina átlagos teljesítménye többszörösen eltér a csúcsterheléstől. Egy szélgenerátor csak az adott területre jellemző havi átlagos szélsebesség mellett egy bizonyos időtartam alatt megtermelt energiamennyiségért felelős.

A szélerőforrások pontosabb felméréséhez speciálisan származtatott adatokat (Weibull-paraméterek) használhat. Ezek a mutatók az adott területre jellemző, különböző erősségű szelek eloszlását tükrözik. Az ilyen információkat fontos figyelembe venni több tíz MW teljesítményű szélerőműpark projektek kidolgozásakor.

A szélturbina által termelt teljesítmény a szélsebesség háromszorosával arányos.Következésképpen ez a mutató nagyon kicsi, ha gyenge a szél, de ha felerősödik, akkor meredeken növekszik. A szélirány és a szélsebesség változékonysága miatt a szélturbina tervezésébe stabilizáló alkatrészeket kell beépíteni.

A szélgenerátor teljesítményének kiszámításának szabályai és képletei itt vannak megadva, javasoljuk, hogy ismerkedjen meg a nagyon hasznos információkkal.

Kis autonóm rendszerekben funkciójukat akkumulátorok látják el, amelyek töltése azonnal növekedni kezd, amint a szélgenerátor teljesítménye meghaladja a terhelést.

A terhelés növekedésével az akkumulátor lemerülhet. Ezt a tulajdonságot fontos figyelembe venni a háztartási egység kiválasztásakor, teljesítményének meg kell egyeznie a havi vagy éves áramfogyasztási rátával

Meg kell jegyezni, hogy a széláramok hatékony felhasználását a szélgenerátorok változatos kialakítása segíti elő.

A vízszintes turbinák jól teljesítenek sík területeken, ahol erős a szél, míg a függőleges turbinák jobban működnek azokban a régiókban, ahol a turbulens áramlások alacsonyan vannak a talajtól (felső dombok, hegyláncok).

A szélturbinák fő hátrányai

Ugyanakkor a szélturbináknak vannak negatív oldalai is:

• A szélerő nagyságát nehéz előre megjósolni, mivel gyakran változik. Emiatt célszerű megfontolni egy biztonsági hálót tartalék energiaforrás biztosításával (napelemek, csatlakozás az elektromos hálózatra).
• A függőleges eszközöknél fennáll a légcsavarlapátok tönkremenetelének veszélye a centrifugális erők hatása miatt, amikor a lapátok a főtengely körül forognak. E hatás következtében a fontos szerkezeti elemek idővel deformálódnak, megsemmisülnek, és a mechanizmus meghibásodik.
• Jobb a szélturbinákat szabad térbe telepíteni, mivel a közeli épületek „csillapíthatják” a szelet, „halott” légzónát képezve.
• A szélturbinák többletenergiájának megtakarítása érdekében a tervezésbe bele kell foglalni az akkumulátorok és egyéb kiegészítő eszközök használatát, amelyek arra szolgálnak, hogy a megtermelt villamos energiát megfelelő fogyasztói jellemzőkkel rendelkező árammá alakítsák.
• Működés közben a szélgenerátorok olyan zajt keltenek, amely kényelmetlenséget okozhat az embereknek és elriaszthatja az állatokat. Az installációk pengéi a feléjük repülő madarak halálát is okozhatják.
• Egyes szakértők szerint a szélturbinák ronthatják a rádió- és televízióadások vételét.

A negatív szempontok közé tartozhat az ilyen egységek meglehetősen magas költsége is, azonban az energiaforrás alacsony költsége nagymértékben ellensúlyozza ezt a tényezőt.

Kapcsolódási diagramok és módszerek

Bár egy szélturbina képes önállóan is működni, sokkal jobb eredmények érhetők el olyan kombinált rendszerek alkalmazásával, amelyek kombinálják a szélturbinát napelemekkel, központi áramhálózattal, dízel- vagy gázenergia-forrásokkal.

Autonóm működés. Ebben az esetben egyetlen berendezést telepítenek, amelynek segítségével a szélenergiát felfogják és felhalmozzák, amelyet aztán a fogyasztók számára szükséges elektromos árammá alakítanak át.

Az ábra a szélgenerátor használatának legegyszerűbb módját mutatja, amelyet olyan területeken célszerű használni, ahol folyamatosan erős szél fúj.

Szélgenerátor kombinálása napelemekkel. A kombinált opció megbízható és hatékony áramellátási módnak tekinthető. Ha nincs szél, az akkumulátor működik napelemek, és felhős időben és éjszaka a töltés szélturbináról történik.

Ideális választás magánlakásokhoz vagy farmokhoz, amelyek távol helyezkednek el a központi áramhálózattól. Ez a kombinált rendszer kétféle megújuló energia felhasználását teszi lehetővé

Szélgenerátor és elektromos hálózat kombinált működése. A szélturbina elektromos kommunikációval kombinálható.

Ez az elrendezés az ipari és kereskedelmi eszközökre jellemző. A háztartási szélgenerátorok egyes modelljeinél elektromos kommunikációhoz is csatlakoztatható

Ha többlet termelt villamos energiát, az a központosított hálózatba kerül, hiány esetén pedig az általános energiarendszerből lehet áramot használni.

A szélgenerátorok használatának árnyalatai

Jelenleg a szélturbinákat a nemzetgazdaság különböző ágazataiban használják. Változó kapacitású ipari modelleket használnak olaj- és gázipari, távközlési vállalatok, fúró- és geológiai kutatóállomások, termelő létesítmények és kormányzati szervek.

A szélturbina kiegészítő energiaforrásként használható kórházakban és más intézményekben a folyamatos áramellátás biztosítására vészhelyzetekben

Különösen figyelemre méltó a szélturbinák használatának fontossága a kataklizmák és természeti katasztrófák során megsérült villamos energia gyors helyreállítására. Erre a célra gyakran használnak szélgenerátorokat a Vészhelyzetek Minisztériumának egységei.

A háztartási szélturbinák kiválóan alkalmasak nyaralóközösségek és magánházak világításának és fűtésének megszervezésére, valamint gazdaságok gazdasági célra.

Néhány szempontot figyelembe kell venni:

• Az 1 kW-ig terjedő készülékek csak szeles helyeken biztosítanak elegendő áramot.Az általuk termelt energia jellemzően csak a LED-es világítás és a kis elektronikai eszközök táplálására elegendő.
• A dacha (vidéki ház) teljes áramellátásához 1 kW-nál nagyobb teljesítményű szélgenerátorra lesz szüksége. Ez a mutató elegendő a világítótestek, valamint a számítógép és a TV áramellátásához, de teljesítménye nem elegendő egy modern, éjjel-nappal működő hűtőszekrény áramellátásához.
• Egy nyaraló energiaellátásához 3-5 kW teljesítményű szélturbinára lesz szüksége, de még ez a szám sem lesz elegendő a házak fűtéséhez. A funkció használatához nagy teljesítményű opcióra van szüksége, 10 kW-tól kezdve.

A modell kiválasztásakor figyelembe kell venni, hogy a készüléken feltüntetett teljesítményjelző csak maximális szélsebességgel érhető el. Így egy 300 V-os telepítés csak 10-12 m/s légáramlási sebesség mellett állítja elő a megadott mennyiségű energiát.

Azok számára, akik saját kezűleg szeretnének szélgenerátort építeni, ajánljuk következő cikk, amely részletesen nyújt hasznos információkat.

Következtetések és hasznos videó a témában

Az alábbi videó részletes információkat tartalmaz a szélgenerátor háztartási modelljének működési elvéről és kialakításáról:

A szélgenerátor az elektromos energia előállításának kiváló forrása, amelyet a távoli területek lakói különösen értékelni fognak. Különböző orosz és külföldi vállalatok szélszerkezetek széles választékát kínálják, emellett a háztartási modellek saját kezűleg is elkészíthetők.

Kérjük, írja meg észrevételeit az alábbi blokkba. Meséljen nekünk arról, hogyan épített szélgenerátort az ingatlanán, vagy arról, hogyan működik a szomszédok szélturbinája.Tegyen fel kérdéseket, osszon meg hasznos információkat és fotókat a témában.