Generator wiatrowy kinetyczny: budowa, zasada działania, zastosowanie

Nowoczesny kinetyczny wiatrogenerator umożliwia wykorzystanie siły strumieni powietrza, przekształcając ją w energię elektryczną. W tym celu istnieją fabryczne i samodzielnie wykonane modele urządzeń, które są stosowane zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwach domowych.

Opowiemy o tym, jak zbudowane są wiatraki tego typu, zapoznamy z cechami konstrukcyjnymi i wariantami budowy. W naszym artykule przedstawiamy słabe i mocne strony wiatrowej instalacji energetycznej. Samodzielni majsterkowicze znajdą u nas przydatne schematy i zalecenia dotyczące montażu.

Zasada działania wiatrogeneratora

Funkcjonowanie wiatrogeneratora opiera się na przekształceniu energii kinetycznej wiatru w energię mechaniczną wirnika, która następnie jest zamieniana na energię elektryczną.

Zasada działania jest dość prosta: obrót łopat, zamocowanych na osi urządzenia, powoduje ruchy obrotowe rotorów generatora, dzięki czemu wytwarzana jest energia elektryczna.

Energetyka wiatrowa jest jedną z najbardziej perspektywicznych gałęzi odnawialnych źródeł energii. Nowoczesne konstrukcje umożliwiają ekonomicznie efektywne wykorzystanie siły przepływu powietrza do produkcji energii elektrycznej.

Otrzymywany niestabilny prąd przemienny „spływa” do kontrolera, gdzie jest przekształcany w stałe napięcie, które może naładować baterie. Stamtąd zasilanie dociera do inwertera, gdzie jest przekształcane w napięcie przemienne o wartości 220/380 V, które następnie podawane jest do odbiorników.

Moc generatora wiatrowego zależy bezpośrednio od mocy strumienia powietrza (N), obliczanej według wzoru N=pSV³/2, gdzie V – prędkość wiatru, S – powierzchnia robocza, p – gęstość powietrza.

Budowa generatora wiatrowego

Różne warianty generatorów wiatrowych znacznie różnią się od siebie.

Na przedstawionym schemacie pokazane jest wewnętrzne urządzenie klasycznego poziomego generatora wiatrowego. Takie modele są najczęściej wykorzystywane zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwie domowym.

Przemysłowe urządzenia to złożona, wielometrowa konstrukcja, której montaż wymaga fundamentu, podczas gdy model domowy może składać się z minimalnej liczby komponentów (silnika prądu stałego 3-12V, kondensatora elektrolitycznego 1000 μF 6V, krzemowej diody prostowniczej).

Typowa instalacja obejmuje następujące części składowe:

• generator prądu przemiennego (moc zależy od prędkości przepływu wiatru);
• łopaty, które przekazują obrót na wał generatora (często są one dodatkowo wyposażone w reduktory, stabilizatory prędkości obrotowej wirnika);
• maszt wiatraka, do którego przymocowane są łopaty (im wyżej znajdują się te elementy, tym więcej energii wiatrowej mogą one uzyskać);
• akumulatory, gromadzące energię, co umożliwia jej wykorzystanie przy niewielkim przepływie wiatru lub jego całkowitym braku. Bateria pełni również funkcję stabilizacji energii elektrycznej pochodzącej z generatora;
• kontroler – przetwornica napięcia przemiennego, uzyskanego z generatora, na stałe, które jest używane do ładowania baterii. Sterowanie kontrolerem odbywa się poprzez obrót łopat, co pozwala uwzględniać kierunek przepływu powietrza;
• SZR – urządzenie automatycznego przełączania, łączące generator wiatrowy z innymi źródłami energii (panelami słonecznymi, siecią elektryczną);
• czujnik kierunku wiatru – przyrząd ułatwiający łopatkom znajdowanie przepływu wiatru;
• inwerter do przekształcania prądu stałego z akumulatorów w napięcie przemienne, które jest stosowane w sieciach elektrokomunikacyjnych.

W celu pełniejszego zaspokojenia potrzeb użytkowników, urządzenie może być wyposażone w różne typy falowników:

• urządzenia z falownikiem o zmodyfikowanym przebiegu sinusoidalnym, generującym prostokątną falę sinusoidalną. Urządzenia tego typu nadają się do elementów grzejnych, żarówek i innych urządzeń nie wymagających wysokiej jakości sieci;
• falowniki trójfazowe, przeznaczone do trójfazowych sieci elektrycznych;
• urządzenia z czystą falą sinusoidalną, które wytwarzają energię dla bardziej wrażliwych urządzeń;
• falowniki sieciowe, zdolne do pracy bez akumulatorów. Tego typu urządzenia są przeznaczone do układów, w których energia elektryczna trafia bezpośrednio do sieci ogólnej.

Przy wyborze modeli należy koniecznie zwrócić uwagę na rodzaj falownika.

Rodzaje generatorów wiatrowych

Przy klasyfikacji turbin wiatrowych można uwzględniać takie cechy, jak:

• przeznaczenie;
• cechy konstrukcyjne;
• liczba łopat;
• materiały, z których są wykonane;
• oś obrotu;
• skok śmigła.

Przyjrzyjmy się szczegółowo dwóm najczęściej stosowanym klasyfikacjom.

Klasyfikacja wiatrogeneratorów według przeznaczenia

Wyróżnia się rodzaje elektrowni wiatrowych różniące się przeznaczeniem. Od tego zależą również główne cechy urządzeń, na przykład moc.

Przemysłowe turbiny wiatrowe

Takie urządzenia są instalowane przez duże firmy energetyczne lub państwo w celu zasilania obiektów przemysłowych. Turbiny o mocy dziesiątek megawatów są zazwyczaj umieszczane na obszarach wietrznych (otwartych wzniesieniach, wybrzeżach).

Farmy wiatrowe, na których instaluje się dziesiątki turbin wiatrowych, są zakładane nie tylko na lądzie, ale także na płyciznach. Uzyskana energia elektryczna jest zazwyczaj wykorzystywana do celów przemysłowych.

Wytworzona energia elektryczna z reguły trafia bezpośrednio do sieci, przy czym dla stabilności i regulacji prędkości obrotowej łopat, turbiny wiatrowe są wyposażane w dodatkowe mechanizmy.

Komercyjne generatory wiatrowe

Takie instalacje są używane do wytwarzania energii elektrycznej na sprzedaż lub do zasilania zakładów produkcyjnych w regionach o słabej sieci elektrycznej (lub jej całkowitym braku). Takie elektrownie wiatrowe składają się z grupy generatorów elektrycznych, które mogą mieć różną moc.

Energia z instalacji komercyjnych może trafiać bezpośrednio do sieci elektrycznej lub być wykorzystywana do ładowania dużego zestawu akumulatorów, gdzie jest gromadzona i przekształcana w celu dostarczenia do systemu energetycznego.

Domowe urządzenia wiatrowe

Agregaty małej mocy są używane do użytku prywatnego. Zgodnie z przepisami, wiatraki z masztami o wysokości poniżej 25 metrów mogą być instalowane przez właścicieli działek bez uzgodnienia z władzami, dla wyższych masztów konieczne jest uzyskanie specjalnego zezwolenia.

Wiatraki o małej i średniej mocy mogą stanowić źródło energii elektrycznej dla domków jednorodzinnych, domów letniskowych, domów na wsi, gospodarstw rolnych.

Domowe generatory wiatrowe nadają się do ładowania akumulatorów o napięciu 12/24/48V, a energia z nich jest przekształcana na napięcie 220 woltów. Takie urządzenia pozwalają całkowicie lub częściowo rozwiązać problem zasilania energią elektryczną małych obiektów, które znajdują się z dala od scentralizowanej sieci elektroenergetycznej.

Z wytycznymi dotyczącymi wyboru generatora wiatrowego do zasilania domu jednorodzinnego zapozna artykuł, poświęcony temu interesującemu zagadnieniu.

Odmiany konstrukcji wiatraków

Ze względu na cechy konstrukcyjne urządzenia można również podzielić na kilka kategorii, choć wszystkie odmiany sprowadzają się do dwóch podstawowych typów: pionowe i poziome.

Klasyczne poziome generatory wiatrowe

Podobne urządzenia (nazywane również śmigłowymi lub łopatowymi) zwykle mają 3-5 łopat zamocowanych na poziomej osi. Obracając się z dużą prędkością, elementy te pozwalają uzyskać maksymalną ilość energii (współczynnik wykorzystania energii wiatru do 0,4).

Przy tym ilość wytworzonej energii elektrycznej w dużej mierze zależy od wysokości urządzenia (im wyższe, tym większy wynik).

Poziomy generator wiatrowy wykorzystuje siłę nośną, która powstaje przy wzroście ciśnienia w punkcie, gdzie bezpośredni strumień powietrza przechodzi przez łopaty, odbijając się od tych elementów.

Podobne urządzenia zwykle są instalowane w farmach wiatrowych, gdzie wytwarzana jest energia do użytku przemysłowego i komercyjnego, jednak nadają się one również do zastosowań domowych.

Interesującym rozwiązaniem poziomego wiatraka jest model z jedną łopatą, z jego cechami zapozna następujący zestaw zdjęć:

Pionowe turbiny wiatrowe

Elementem roboczym takich instalacji jest obrotowe koło wiatrowe. Ze względu na cechy konstrukcyjne, tego rodzaju konstrukcje różnią się typami („Beczka”, „Savonius”).

Z zasadą budowy turbiny pionowego generatora Savoniusa zapozna następujący zestaw zdjęć:

Pomimo niskiego wskaźnika KIEV (0.1-0.2), znajdują one dość szerokie zastosowanie: instalacje pionowe działają na turbulentnych strumieniach powietrza, dzięki czemu można je umieszczać nawet w rejonach, gdzie rzadko wieją silne wiatry.

Działanie pionowych generatorów wiatrowych nie zależy od kierunku wiatrów. Są proste w montażu i eksploatacji, a ponadto takie urządzenia można ustawiać blisko ziemi.

Aby zwiększyć efektywność pionowych wiatraków, producenci często zwiększają ich parametry wymiarowe, co prowadzi do znacznego wzrostu kosztów. Ponieważ tego rodzaju instalacje są dość kruche, wymagają wzmożonej ochrony przed huraganami i innymi zjawiskami naturalnymi.

Generatory wiatrowe „Rotor Darrieus”

Takie urządzenia należą do kategorii pionowych turbin wiatrowych, ale mają wyraźne różnice konstrukcyjne. Dzięki tym cechom osiąga się obniżenie hałasu oraz wzrost współczynnika wykorzystania energii wiatru, który zbliża się do wskaźników modeli poziomych.

Zaproponowana w 1931 roku przez francuskiego konstruktora lotniczego Georgesa Darrieusa turbina niskiego ciśnienia z osią obrotu prostopadłą do przepływu powietrza znalazła szerokie zastosowanie w energetyce wiatrowej.

Wadą takich konstrukcji jest niski moment rozruchowy (ze względu na obecność tylko dwóch łopatek urządzeniu trudno jest ruszyć samodzielnie). Aby rozwiązać ten problem, często stosuje się hybrydę „Savonius+Darrieus”.

Żaglowe generatory wiatrowe

Dla takich instalacji może być stosowana konstrukcja zarówno pionowych, jak i poziomych wiatraków. Główną cechą konstrukcyjną jest wirnik pokryty wieloma łopatkami lub żaglami, przy czym modele te nie posiadają profilu aerodynamicznego.

Istnieje wiele modeli żaglowych generatorów wiatrowych, które różnią się liczbą łopatek, wagą i mocą. Wszystkie te parametry należy wziąć pod uwagę przy wyborze urządzenia.

Pomimo tego, że instalacje żaglowe charakteryzują się małą prędkością obrotową i niewielką efektywnością, często znajdują zastosowanie w gospodarstwie domowym. Takie konstrukcje są łatwe w montażu i eksploatacji, a połączenie wysokiego momentu obrotowego z niskimi obrotami pozwala bezpośrednio napędzać różne przydatne mechanizmy, na przykład pompę do wypompowywania wody.

Z jednym z praktycznie zrealizowanych modeli żaglowych wiatraków zapozna Państwa następująca galeria:

Generator do turbiny wiatrowej

Do działania wiatraków potrzebne są zwykłe generatory trójfazowe. Konstrukcja takich urządzeń jest podobna do modeli stosowanych w samochodach, ale ma większe parametry.

W urządzeniach do turbin wiatrowych przewidziano trójfazowe uzwojenie stojana (połączenie w gwiazdę), z którego wychodzą trzy przewody prowadzące do sterownika, gdzie następuje przekształcenie napięcia zmiennego na stałe.

Rotor generatora dla turbiny wiatrowej wykonuje się na magnesach neodymowych: w takich konstrukcjach niecelowe jest stosowanie wzbudzenia elektrycznego, ponieważ cewka pobiera dużo energii.

W celu zwiększenia obrotów często stosuje się multiplikator. Takie urządzenie pozwala zwiększyć moc działającego generatora lub użyć mniejszego urządzenia, co obniża koszt instalacji.

Multiplikatory są częściej stosowane w pionowych generatorach wiatrowych, w których proces obrotu wirnika zachodzi wolniej. W przypadku poziomych urządzeń o dużej prędkości obrotowej łopat, multiplikatory nie są wymagane, co upraszcza i obniża koszt konstrukcji.

Specyfika składania i montażu generatora wiatrowego z pralki oraz turbiny wiatrowej z alternatora samochodowego została szczegółowo opisana w polecanych przez nas artykułach.

Plusy i minusy wiatrogeneratora

Rozważmy szczegółowo zalety i wady turbin wiatrowych, ponieważ to od nich zależy decyzja o zakupie wiatraka lub rezygnacji z niego.

Zalety urządzeń wiatrowych

Do zalet urządzeń wykorzystujących energię wiatru należą:

• Ekologiczność. Urządzenia wykorzystują odnawialne źródło energii, które można używać nieustannie, nie szkodząc środowisku. Energia elektryczna wytwarzana przez turbiny wiatrowe zastępuje energię z elektrowni cieplnych, redukując emisję gazów cieplarnianych.
• Uniwersalność. Elektrownie wiatrowe można budować praktycznie wszędzie: na równinach, w górach, na polach, na wyspach, a nawet na płytkich wodach. Energia wiatru jest szczególnie ceniona w odległych miejscach, do których trudno jest doprowadzić zwykłe linie energetyczne. W takich przypadkach turbiny wiatrowe umożliwiają zapewnienie zasilania obiektów, dając im niezależność od przypadkowych czynników (np. od nieterminowo dostarczonego paliwa).
• Efektywność wykorzystania. Nowoczesne modele przetwarzają energię nawet słabych wiatrów – minimalna granica wynosi 3,5 m/s. W ten sposób można uzupełniać dostawy energii elektrycznej do sieci centralnej, a także organizować zasilanie poszczególnych obiektów (wyspowych lub lokalnych) niezależnie od ich mocy.
• Godna alternatywa dla tradycyjnych źródeł. Stacjonarne elektrownie wiatrowe mogą w pełni zapewnić energię elektryczną dla domu mieszkalnego lub nawet niewielkiego obiektu produkcyjnego. W takim przypadku turbina będzie gromadzić w akumulatorach wymagany zapas energii elektrycznej, przeznaczony do wykorzystania w okresach bezwietrznych.
• Ekonomiczność. W porównaniu z tradycyjnymi źródłami energii elektrycznej (gaz, torf, węgiel kamienny, ropa naftowa) turbiny wiatrowe pozwalają znacznie obniżyć koszty energii. W wielu przypadkach budowa elektrowni wiatrowej jest tańsza niż podłączenie do istniejących systemów energetycznych.

Zastosowanie turbin wiatrowych może stanowić alternatywę dla korzystania z drogich generatorów diesla, dodatkowo obniżając koszty transportu i przechowywania paliwa nawet o 80%.

Uśredniona moc turbiny wiatrowej różni się wielokrotnie od wskaźnika obciążenia szczytowego. Generator wiatrowy odpowiada jedynie za ilość energii wytworzonej w określonym przedziale czasu przy średniej miesięcznej prędkości wiatru charakterystycznej dla danego obszaru.

W celu dokładniejszej oceny zasobów wiatru można skorzystać ze specjalnie opracowanych danych (parametry Weibulla). Wskaźniki te odzwierciedlają charakterystyczny dla danego obszaru rozkład wiatrów o różnej sile. Takie informacje są ważne przy opracowywaniu projektów farm wiatrowych, których moc sięga dziesiątek MW.

Moc wytwarzana przez turbinę wiatrową jest proporcjonalna do sześcianu prędkości wiatru. W związku z tym wskaźnik ten jest bardzo mały przy słabych strumieniach wiatru, ale gdy się nasilają – gwałtownie wzrasta. Ze względu na zmienność kierunku i prędkości wiatru, w konstrukcji turbiny wiatrowej należy przewidzieć elementy stabilizujące.

Zasady i wzory do obliczania mocy generatora wiatrowego przedstawiono tutaj, zalecamy zapoznanie się z bardzo przydatnymi informacjami.

W małych systemach autonomicznych ich funkcję pełnią akumulatory, których ładowanie zaczyna się zwiększać, gdy tylko moc generatora wiatrowego przekroczy wartość obciążenia.

Wraz ze wzrostem obciążenia akumulator może się rozładować. Tę cechę pracy należy wziąć pod uwagę przy wyborze agregatu domowego – jego moc powinna odpowiadać miesięcznemu lub rocznemu normatywowi zużycia energii elektrycznej.

Należy zauważyć, że efektywnemu wykorzystaniu strumieni wiatru sprzyja różnorodność konstrukcji generatorów wiatrowych.

Turbiny poziome osiągają wysokie wyniki na równinnych obszarach, gdzie jest dużo wiatru, podczas gdy turbiny pionowe lepiej sprawdzają się w regionach z turbulentnymi strumieniami występującymi nisko nad ziemią (na szczytach wzgórz, pasm górskich).

Główne wady wiatraków

Jednocześnie turbiny wiatrowe mają również swoje negatywne strony:

• Siłę wiatru trudno przewidzieć z wyprzedzeniem, ponieważ często się zmienia. Z tego powodu wskazane jest rozważenie zabezpieczenia poprzez przewidzenie dodatkowego źródła energii (panele słoneczne, podłączenie do sieci elektrycznej).
• Urządzenia pionowe są narażone na ryzyko zniszczenia łopat wirnika z powodu działania sił odśrodkowych podczas obracania się łopat wokół głównej osi. W wyniku tego efektu ważne elementy konstrukcji z czasem ulegają deformacji i zniszczeniu, a mechanizm ulega awarii.
• Turbiny wiatrowe najlepiej instalować na otwartej przestrzeni, ponieważ znajdujące się w pobliżu budynki mogą „tłumić” wiatr, tworząc „martwą” strefę powietrzną.
• Aby zachować nadmiar energii z turbin wiatrowych, należy w konstrukcji przewidzieć zastosowanie akumulatorów i innych dodatkowych urządzeń służących do przekształcania wytworzonej energii elektrycznej w prąd o odpowiednich parametrach dla odbiorców.
• Podczas pracy generatory wiatrowe emitują hałas, który może powodować dyskomfort u ludzi oraz odstraszać zwierzęta. Łopaty instalacji mogą również być przyczyną śmierci ptaków, które podleciały zbyt blisko.
• Zdaniem niektórych specjalistów, turbiny wiatrowe mogą pogarszać odbiór transmisji radiowych i telewizyjnych.

Do negatywnych aspektów można również zaliczyć dość wysoki koszt tego typu urządzeń, jednak niska cena źródła energii w dużej mierze niweluje ten czynnik.

Schematy i sposoby podłączenia

Chociaż instalacja wiatrowa może pracować również autonomicznie, znacznie lepsze rezultaty można osiągnąć za pomocą schematów kombinowanych, przewidujących połączenie urządzenia wiatrowego z panelami słonecznymi, scentralizowaną siecią elektryczną, źródłami energii na olej napędowy lub gaz.

Praca autonomiczna. W tym przypadku instaluje się pojedyncze urządzenie, za pomocą którego wychwytywana i gromadzona jest energia wiatru, a następnie przekształcana w prąd elektryczny niezbędny dla odbiorców.

Na schemacie przedstawiono najprostszy sposób zastosowania generatora wiatrowego, który warto stosować w regionach, gdzie stale wieją silne wiatry.

Połączenie generatora wiatrowego z panelami słonecznymi. Wariant kombinowany uznawany jest za niezawodny i efektywny sposób zasilania energią elektryczną. W przypadku braku wiatru akumulator działa z panelami słonecznymi, a w pochmurną pogodę i w nocy ładowanie następuje z instalacji wiatrowej.

Idealna opcja dla domu prywatnego lub gospodarstwa oddalonego od scentralizowanej sieci elektrycznej. Taki schemat kombinowany umożliwia wykorzystanie dwóch rodzajów energii odnawialnej.

Praca kombinowana generatora wiatrowego i sieci elektrycznej. Turbinę wiatrową można łączyć z instalacjami elektrycznymi.

Taki schemat jest typowy dla urządzeń przemysłowych i komercyjnych. Podłączenie do instalacji elektrycznych przewidują również niektóre modele domowych generatorów wiatrowych.

Przy nadmiarze wytworzonej energii elektrycznej trafia ona do scentralizowanej sieci, a przy jej niedoborze istnieje możliwość skorzystania z prądu elektrycznego z ogólnego systemu energetycznego.

Niuanse zastosowania wiatrogeneratorów

Obecnie turbiny wiatrowe są wykorzystywane w różnych sektorach gospodarki. Modele przemysłowe o różnej mocy są stosowane przez firmy naftowo-gazowe, telekomunikacyjne, stacje wiertnicze i geologiczno-poszukiwawcze, obiekty produkcyjne oraz instytucje państwowe.

Wiatrak może być używany jako dodatkowe źródło energii w szpitalach i innych placówkach, aby zapewnić ciągłe zasilanie w sytuacjach awaryjnych.

Szczególnie należy podkreślić znaczenie stosowania instalacji wiatrowych do szybkiego przywracania przerwanych dostaw energii podczas kataklizmów i klęsk żywiołowych. W tym celu generatory wiatrowe są często używane przez jednostki służb ratowniczych.

Domowe turbiny wiatrowe doskonale nadają się do organizacji oświetlenia i ogrzewania osiedli domków jednorodzinnych i domów prywatnych, a także do celów gospodarczych na farmach.

Należy przy tym uwzględnić kilka kwestii:

• Urządzenia do 1 kW mogą dostarczyć wystarczającą ilość energii tylko w miejscach wietrznych. Zazwyczaj wytworzona przez nie energia wystarcza jedynie na oświetlenie LED i zasilanie drobnych urządzeń elektronicznych.
• Aby w pełni zapewnić energię elektryczną domkowi letniskowemu (domowi wiejskiemu), potrzebny będzie generator wiatrowy o mocy powyżej 1 kW. Taka wartość wystarcza do zasilania opraw oświetleniowych, a także komputera i telewizora, jednak jego moc jest niewystarczająca, aby zasilić pracującą całą dobę nowoczesną lodówkę.
• Do zasilania domku jednorodzinnego potrzebny będzie wiatrak o mocy 3-5 kW, jednak nawet taka wartość nie wystarczy do ogrzewania domów. Aby skorzystać z takiej funkcji, potrzebny jest wydajniejszy wariant, zaczynając od 10 kW.

Przy wyborze modelu należy uwzględnić, że wskaźnik mocy podany na urządzeniu jest osiągany tylko przy maksymalnej prędkości wiatru. I tak instalacja o mocy 300 W będzie wytwarzać podaną ilość energii tylko przy prędkości strumieni powietrza wynoszącej 10-12 m/s.

Osobom pragnącym zbudować generator wiatrowy własnymi rękami polecamy następujący artykuł, w którym szczegółowo przedstawiono przydatne informacje.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Na poniższym filmie przedstawiono szczegółowe informacje o zasadzie działania i budowie domowego modelu generatora wiatrowego:

Generator wiatrowy to doskonałe źródło wytwarzania energii elektrycznej, które szczególnie docenią mieszkańcy odległych miejscowości. Różne rosyjskie i zagraniczne firmy oferują szeroki asortyment konstrukcji wiatrowych, ponadto modele domowe można wykonać własnoręcznie.

Proszę pisać komentarze w bloku poniżej. Proszę opowiedzieć, jak budowali Państwo generator wiatrowy na swojej działce, lub jak działa wiatrak u sąsiadów. Proszę zadawać pytania, dzielić się przydatnymi informacjami i zdjęciami na ten temat.