ВЕТРОГЕНЕРАТОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

August 25, 2012 by admin Комментировать »

Ветер является одним из самых доступных источников энергии. В отличие от Солнца, он может «работать» днем и ночью,, на севере и на юге, летом и зимой. Единственная проблема при использовании силы ветра – выбрать место, где ветер дует достаточно постоянно. При этом ветровая энергия доступна, имеется везде и практически неисчерпаема. Главные преимущества энергии ветра: энергонезави­симость, отсутствие потребности в каком-либо топливе, экологичес­кая чистота, экономическая выгода.

Широкую популярность приобретают устройства преобразования кинетической энергии ветра в электрическую – ветрогенераторы. В настоящее время маломощные ветроэлектрические генераторы яв­ляются наиболее удобными и доступными для частного пользова­теля альтернативными источниками энергии.

Часть регионов нашей страны совсем не имеют линии электро­передач в силу крайней удаленности. Те, кто сегодня используют «ветряки», делают это из-за отсутствия возможности подключения к центральному электроснабжению или хотят быть энергонезави­симыми.

ВЭУ (ветроэлектрическая установка, ветрогенератор или просто «ветряк») используется для обеспечения автономным питанием – электроэнергией – различных бытовых и специальных промышлен­ных потребителей при отсутствии центрального электроснабжения или его нерегулярной подаче.

Такие устройства можно использовать практически повсеместно, что и делают люди в последнее время, не смотря на большую (не­сколько сот тысяч руб.) стоимость комплекта необходимых составля­ющих частей установки: генераторов, аккумуляторов, контроллеров заряда и инверторов – для полного альтернативного энергообеспече­ния дома. Тем не менее, для стабильного энергообеспечения неболь­шой мощности (единицы кВт) все вышеперечисленные устройства, включая однолопастный ветрогенератор с комплектом крепления можно приобрести за вполне реальные сегодня деньги. Именно поэтому лично я представляю себе возможным такое устройство приобрести, либо изготовить самостоятельно, используя опыт и с оглядкой на промышленные образцы.

На рис. 2.1 представлен однолопастный ветрогенератор в работе.

Но есть и недостатки ВЭУ: неравномерность поступления энер­гии, дороговизна оборудования, шум от работы ветродвигателей, вредные для людей и животных низкочастотные вибрации, обледе-

Рис. 2.2. Винт, штанга для генератора 5 кВт перед установкой

Основная комплектация ВЭУ

•  лопасть;

•  кольцевой генератор;

•  система ориентации на ветер;

•  регулятор скорости вращения;

•  узел крепления к мачте;

•  посадочная шайба на мачту.

Чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД (как ни странно). Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями в таких экспериментах незначительна, потому что мощ­ность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие «идеализации» воздушного потока в трубе.

Вертикально-осевые ВЭУ имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравне­нию с горизонтально-осевыми. Это примерно как гребные колеса у старых пароходов по сравнению с обычным винтом любого совре­менного корабля или катера. Ведь ВЭУ – это целый комплекс, куда обязательно входят:

•  ветроэлектрический агрегат – это генератор, лопасти, узел кре­пления к мачте (рис. 2.2), сюда же может входить регулятор скорости вращения винта (центробежный, механический) и устройство ориентации на ветер (хвост или виндроза);

•  мачта может быть как специальная, так и самодельная – со­оруженная из мачты для радиоантенны, водопроводной трубы или даже столба, перпендикулярно врытого в землю;

•  аккумуляторы;

•  контроллер их заряда;

•  инвертор для преобразования энергии.

На этом этапе выбора комплектующих можно реально сэконо­мить, так как специальная мачта для ВЭУ обойдется много дороже. А последние 3 позиции необходимы для ветрогенератора постоян­ного тока.

Мачтовый комплект

На примере иллюстрации (рис. 2.1) мачтовый комплект состоит из:

•  закладные детали для 4-х растяжек;

•  4 тяги от закладных деталей;

•  4/8/12 канатов для растяжек;

•  4/8/12 талрепов с коушами;

•  24/48/72 зажима для троса;

•  основание (шарнирное) мачты;

•  подкос с Ьсью стрелы подъема;

•  хомуты для крепления тросов к мачте;

•  хомуты для стыковки труб мачты;

•  «птичка» стрелы подъема;

•  пробойник для тяг растяжек.

Стоимость описанной выше комплектации ВЭУ составит сегодня от 90 ООО руб. за 5 кВт полезной мощности, что вполне реально. К сло­ву, если предполагать, что вы ради экономии из бюджета на «ветряк» бросаете курить, а ранее тратили на сигареты 50 руб. (стоимость пач­ки) в 3 дня, то простые расчеты показывают, что почти через 15 лет вы на сэкономленные деньги сможете приобрести весь комплект для ВЭУ. Ведь «сэкономленные деньги – это заработанные деньги».

Как правило, сам по себе ветряк радует мало; он является только первой ступенью к обеспечению (хотя бы частично) дома альтерна­тивной энергией. Необходимость запасать электроэнергию на слу­чай безветрия (для стабильного энергообеспечения) предполагает оснащение дополнительным оборудованием:

•  аккумуляторные батареи (автомобильные или иные, рассмо­тренные в главе 3);

•  блок обработки электроэнергии и зарядки аккумуляторов (контроллер);

•  преобразователь напряжения (инвертор).

Дополнительная комплектация ВЭУ (кроме непосредственно генератора)

•  блок обработки электроэнергии и зарядки аккумуляторов (контроллер) с функцией оптимального отбора мощности до 5 кВт и зарядкой аккумуляторов 2 кВт для 8-ми АКБ 190 А/ч, 12 В;

•  инвертор 5 кВт;

•  аккумуляторы (8 шт.) энергоемкостью по 190 А/ч, 12 В обе­спечат работу электроприборов общей мощностью 300 Вт в течение 25-50 час.

Как я уже заметил, применение ВЭУ (и устройств накопления электроэнергии) с полезной мощностью менее 5 кВт в современных условиях, из-за большого количества потребителей, неэффективно.

Расчеты экономии

Ресурс безредукторной ВЭУ – более 10 лет.

Средняя выработка электроэнергии составит 800-1200 кВт/час в месяц, то есть около 12 000 кВт/час в год, что при стоимости сете­вого электричества 1,85 руб.(по С-Петербургу) за 1 кВт/ч экономия составит более 22 000 рублей в год. Таким образом, весь срок оку­паемости ВЭУ составит около 5 лет при среднегодовой скорости ветра 5 м/с.

А если сравнивать с автономным электричеством от бензогенера­тора, у которого себестоимость 1 кВт/часа – около 7 руб., то срок окупаемости ВЭУ будет соответственно в 5 раз меньше, то есть не более 1 года.

Важные замечания

Не стоит увлекаться поиском ВЭУ, работающих на малых скоростях ветра – до 3 м/с, так как на этих скоростях ветра его энергия нич­тожно мала. К примеру, для ВЭУ с диаметром винта 5 м выдаваемая мощность при скорости ветра 2 м/с будет менее 30 Вт (минус 50% этой мощности уйдет на трение в подшипниках и прочие потери, а оставшиеся полезные 15 Вт – очень малая величина, ведь для за­рядки одной аккумуляторной батареи емкостью 50 А/ч необходимо 70 Вт). Выводы, что называется, делайте сами.

При работе ВЭУ в дождь или снег, выдаваемая мощность снижа­ется на Ю…30%.

Один из главный побочных отрицательных эффектов от ВЭУ (особенно самодельных) – шумность. Шум от работы безредуктор- ной ВЭУ напоминает свист ветра через приоткрытое окно легково­го автомобиля на большой скорости. При работе редукторных ВЭУ гудение редуктора может быть значительным, а их ресурс намного ниже.

В районах (и местах) с невысокой среднегодовой скоростью ветра – до 5 м/с для максимально возможной автономности электрообес­печения дополнительно устанавливают бензоэлектрический агрегат мощностью 2 кВт, либо модули солнечных батарей – как допол­нительные и комплексные источники альтернативной энергии; они зарядят аккумуляторы в период безветрия.

Итак, мы рассмотрели экономические выкладки при покупке вет- рогенератора и комлектующих с полезной мощностью 5 кВт.

Мощность менее рассмотренной на мой взгляд серьезному анали­зу не подлежит, ибо ВЭУ (в отличие, к примеру от солнечных ба­тарей) предназначен для альтернативного (нетрадиционного) энер­гообеспечения мощных потребителей (в доме, в быту). А в частном доме, особенно в сельской местности, где никто не мешает исполь­зовать кинетическую энергию ветра, в отличии от частой городской застройки, найдется много мощных потребителей (насосная стан­ция, освещение, сепаратор для молока, бойлер, тепловой конвектор); да один только электрический чайник (СВЧ-печь, утюг) потребует на себя около 2 кВт. Придется поочередно выключать потребители энергии, явная необходимость чего привнесет в нашу жизнь скорее более забот, нежели долгожданного и так теоретически лелеемого комфорта.

Поэтому нет смысла ставить ветрогенератор для питания одной лампочки или в виде зарядного устройства для сотовых телефонов. Это основное отличие в практике применения источников альтерна­тивной энергетики на современном этапе – мощность в нагрузке и обоснование к применению. Установить же мощный ветрогенератор (с соответствующими устройствами контроля и аккумулирования энергии) – мечта, которая воплотившись в реальность, действитель­но способна преобразить ваш коттедж (деревенский дом), но это потребует на сегодняшний день вложении в несколько сот тысяч (до

1 млн.) рублей, что, конечно, не каждому под силу. ВЭУ небольшой мощности, рассмотренные выше, в данном случае, представляются как некий образец для набора опыта, то есть, с позволения сказать, моделист-конструктор, на основе которого можно сделать (усовер­шенствовать) много полезного. Этот путь очень важен для творчес­ких натур (именно они движут прогресс), но все же мне лично он напоминает установку на отечественный ВАЗ-21112 преобразую­щий внешний тюнинг и наклейку от Мерседеса; от этого ВАЗ не перестает быть вазом.

Использовать же ВЭУ для отопления дома экономически целесо­образно только при среднегодовой скорости ветра более 5-6 м/с и, естественно, с запасом мощности самого ветрогенератора.

Тем не менее, продолжим и рассмотрим наиболее подходящие места установки ВЭУ.

■нанм

Лучшее место установки ВЭУ – вершина холма или посреди поля. Но в реальной жизни все гораздо сложнее. Если Вы хотите устано­вить ВЭУ рядом с домом, то высота мачты должна быть на 3-5 м выше дома, либо при более низкой мачте ее надо устанавливать от дома на расстоянии не менее 3-кратной высоты дома, то есть если высота дома 10 м, то мачту надо ставить не ближе 30 м от дома. При наличии высоких деревьев расстояние до них должно быть не менее 2-кратной высоты дерева. Все это накладывает на хозяина «ветряной мельницы» дополнительные расходы в электропроводке до непос­редственно потребителя, длина ее будет увеличиваться, равно как и потери энергиц.

Ниже в табл. 2.2 приведены сведения о рааных проводах с боль­шим сечением (рекомендованных к установке в составе ВЭУ) и со­противлении проводников на 100 м длины. Отечественный кабель ПВС-3/2,5 (бухта 100 м) стоит 4 тыс. руб.

Высокая мачта среди прочих равных условий более выгодна, так как ветер на высоте 15-20 м даст прирост по выработке электроэнер­гии более, чем на 20% по сравнению с мачтой вдвое ниже, особенно в застроенной или насыщенной высокими деревьями местности.

Не рекомендуется устанавливать ВЭУ в оврагах и впадинах (по определению), а также на крыше дома, так как шум и вибрации в этом случае будут заметны.

Таким образом, высота мачты, на которой установлен ветрогене­ратор, имеет важное значение. Она позволяет избежать так называ­емого «мертвого угла», при котором даже средней силы ветер для «ветряка» бывает не эффективен.

Для тех, кто считает возможным сборку ветрогенераторов своими руками, в качестве электрогенератора рекомендую использовать ге­нератор от легковых и грузовых автомобилей. К примеру, генератор от автобуса ПАЗ дает высокую стабильность выходного напряжения (номинальное 24 В) уже при скорости вращения лопасти 500 об/мин. Электрическую часть станции можно составить из: генератора Г273А от автомобиля КамАЗ напряжением 24 В и мощностью 2200 Вт; при 5000 об/мин может теоретически развивать мощность 560 Вт, если хотя бы 4 ч в сутки дул ветер со скоростью 6 м/с.

Простейший вариант преобразования механической энергии вет­родвигателя в электричёскую в сельских условиях – использование автомобильного или тракторного вентильного генератора напряже­нием 14 или (24)28 В. Генератор имеет обмотку статора, выпря­митель и регулятор напряжения. Регулятор настроен так, что на выходе поддерживается неизменное напряжение (отклонение – до 5% при изменении частоты вращения ротора в диапазоне 1:12 в ав­томобильных и 1:4 в тракторных генераторах). Благодаря такому регулятору автомобильный генератор может вырабатывать электро­энергию постоянного тока с практически неизменным напряжением при значительных колебаниях частоты вращения ветродвигателя.

Вращающий момент передается от вала ветродвигателя (мини­мальная частота вращения без потери стабильности выходного на­пряжения 200-300 об/мин) к валу генератора (номинальная частота вращения – 5000 об/мин) напрямую или с помощью многоступен­чатого редуктора, что намного усложняет конструкцию, равно как и ее надежность (долговечность).

Для выравнивая мощности, отдаваемой ВЭУ при изменении ско­рости ветра, и здесь необходима аккумуляторная батарея. Она на­капливает энергию при сильном ветре и отдает ее в безветренную погоду или при слабом ветре.

Выбор емкости аккумуляторной батареи зависит от многих фак­торов: средней скорости и частоты ветра в данной местности, мощ­ности ВЭУ, мощности потребителей электроэнергии, продолжитель­ности максимума потребления за сутки. .

Вращающийся корпус генератора выполняют достаточно длин­ным (0,5 м), чтобы иметь возможность закрепить лопасть (лопасти) в задней части на шарнирах.

Опора для установки ветрогейератора может быть стальной, ре­шетчатой, модульной. С высотой одного модуля 2,5 м конструкция позволяет «набрать» необходимую высоту в зависимости от типа местности и окружающей застройки. В верхней части опоры ветря­ка устанавливается «коромысло», с вертикальной осью вращенйя. На одном конце коромысла установлен ветрогенератор, на другом

–   противовес (по аналогии с рис. 2.1).

Некоторые примеры и выводы

Обычный асинхронный электродвигатель переменного тока, под­ключенный к лопасти в безредукторном исполнении и включенный в режиме генерации (на выходе 220 В) я видел на действующей мо­дели ВЭУ, собранной «кустарным» способом в Вологодской области одним московским «конструктором». В данном случае, кажущаяся экономия налицо – необходимость в дорогостоящих инверторах, контроллере заряда и аккумуляторах отпадает, ибо от генератора ток поступает непосредственно в энергоконтур деревенского дома, но и эффективность устройства невелика.

Хозяин установки – местный «кулибин» по имени Захарычев с гордостью’продемонстрировал мне ее работу, я даже снял эпизод на камеру.

Итак, мощность на выходе установки – 350 Вт, 100-Вт лампочка сильно мерцает из-за нестабильности частоты вращения генератора (скорости ветра), кроме того, электрические провода длиной более 50 м с напряжением 220 В от ВЭУ в дом – не самое лучшее решение в части безопасности. Ну, конечно, самое главное – подключать что- либо еще (тем более из дорогостоящей бытовой техники) к такому ветрогенератору просто опасно – может выйти из строя из-за неста- бильностй. Поэтому, лучше все же пользоваться профессионально изготовленными ВЭУ большой мощности, хотя они и обойдутся намного дороже.

Более подробно «кустарные» устройства ВЭУ описаны по ссылке http://www.svoy-vetrogenerator.ru/index/samodelny_ vetrogenerator/0-35.

Источник: Кашкаров А. П., Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструк¬ции. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 144 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты