Kinetický veterný generátor: konštrukcia, princíp činnosti, použitie

Súčasný kinetický vetrogenerátor umožňuje využiť silu vzduchových prúdov a premeniť ju na elektrinu. Na tento účel existujú továrenské aj podomácky vyrábané modely zariadení, ktoré sa používajú v priemysle aj v súkromných domácnostiach.

Povieme vám, ako sú veterné generátory tohto typu konštruované, a oboznámime vás s vlastnosťami konštrukcie a variantmi. V nami predloženom článku sú uvedené slabé a silné stránky vetrnej energetickej jednotky. Svojpomocní majstri tu nájdu užitočné schémy a odporúčania na montáž.

Princíp činnosti vetrogenerátora

Základom fungovania vetrogenerátora je transformácia kinetickej energie vetra na mechanickú energiu rotora, ktorá sa potom premieňa na elektrinu.

Princíp činnosti je pomerne jednoduchý: otáčanie lopatiek, upevnených na osi zariadenia, vedie ku kruhovým pohybom rotora generátora, vďaka čomu sa vyrába elekrická energia.

Veterná energetika je jednou z najperspektívnejších odvetví obnoviteľnej energetiky. Moderné konštrukcie umožňujú ekonomicky efektívne využývať silu vzdušných prúdov na výrobu elekrickej energie.

Získaný nestabilný striedavý prúd «steká» do regulátora, kde sa premieňa na jednosmerné napätie schopné nabíjať batérie. Odtiaľ napájanie smeruje do invertora, kde sa transformuje na striedavé napätie s hodnotou 220/380 V, ktoré sa následne dodáva spotrebiteľom.

Výkon veterného generátora priamo závisí od výkonu prúdu vzduchu (N), vypočítava sa podľa vzorca N=pSV³/2, kde V – rýchlosť vetra, S – pracovná plocha, p – hustota vzduchu.

Konštrukcia vetrného generátora

Rôzne typy veterných generátorov sa od seba výrazne líšia.

Na uvedenej schéme je znázornená vnútorná konštrukcia klasického horizontálneho veterného generátora. Tieto modely sa najčastejšie využývajú v priemýsle aj v domácnostiach.

Priemýselné zariadenia predstavujú zložitú viacmetrovú konštrukciu, na ktorej inštaláciu je potrebný základ, zatiaľ čo domáci model môže pozostávať z minimálneho počtu komponentov: jednosmerného motora na 3–12 V, elekrolytického kondenzátora 1000 μF 6 V a kremíkovej usmerňovacej diódy.

Týpická inštalácia zahrnie nasledovné súčasti:

• generátor striedavého prúdu (výkon závisí od rýchlosti veterných prúdov);
• lopatky, ktoré prenášajú otáčanie na hriadeľ generátora (často sú navyše vybavené prevodovkami, stabilizátormi otáčok rotora);
• stožiar veterného generátora, ku ktorému sú pripevnené lopatky (čím vyššie sú tieto prvky, tým viac veternej energie môžu získať);
• akumulátory, ktoré akumulujú energiu, čo umožňuje jej využite pri slabom vetre alebo pri jeho úplnej absencii. Batéria tiež plní funkciu stabilizácie elekrickej energie, dodávanej generátorom;
• regulátor – prevodník striedavého napätia získaného z generátora na jednosmerné napätie, ktoré sa použýva na nabíjanie batérie. Riadenie regulátora sa vykonáva natáčaním lopatiek, čo umožňuje zohľadniť smer prúdenia vzduchu;
• ATS – automatický prepínač prepájajúci veterný generátor s ostatnými zdrojmi energie (solárnymi panelmi, elekrickou sieťou);
• senzor smeru vetra – prístroj, ktorý uľahčuje lopatkám hľadať veterný prúd;
• invertor na premenu jednosmerného prúdu z akumulátorov na striedavé napätie, ktoré sa použýva v elekrických rozvodoch.

Pre úplnejšie uspokojenie používateľských potrieb môže byť prístroj vybavený rôznymi typmi meničov:

• zariadenia s meničom modifikovanej sínusoidy, ktorý vydáva obdĺžnikovú sínusovku. Zariadenia tohto typu budú vhodné pre vykurovacie telesá (TENy), žiarovky a iné prístroje, ktoré nie sú náročné na kvalitu siete;
• trojfázové meniče napätia, určené pre trojfázové elektrické siete;
• zariadenia s čistou sínusoidou, ktoré vyrábajú energiu pre citlivejšiu techniku;
• sieťové meniče schopné fungovať bez batérií. Takéto zariadenia sú určené pre schémy, ktoré predpokladajú dodávanie elektrickej energie priamo do spoločnej siete.

Pri výbere modelov je nevyhnutné venovať pozornosť typu meniča.

Typy vetrnych generátorov

Pri klasifikácii veterných turbín sa môžu zohľadňovať také charakteristiky ako:

• účel;
• konštrukčné vlastnosti;
• počet lopatiek;
• materiály, z ktorých sú vyrobené;
• os otáčania;
• stúpanie vrtule.

Podrobne si pozrime dve najčastejšie používané klasifikácie.

Klasifikácia vetrogenerátorov podľa účelu

Rozlišujú sa druhy veterných zariadení líšiace sa účelom. Od toho závisia aj hlavné charakteristiky zariadení, napríklad výkon.

Priemyselné veterné turbíny

Takéto zariadenia inštalujú veľké energetické spoločnosti alebo štát na zásobovanie priemyselných objektov elektrickou energiou. Turbíny s výkonom v desiatkach megawattov sa zvyčajne umiestňujú na veterných lokalitách (otvorené vyvýšeniny, pobrežia).

Veterné parky, kde sa inštalujú desiatky veterných turbín, sa zakladajú nielen na súši, ale aj na plytčine. Získaná elektrina sa zvyčajne využíva na priemyselné účely.

Vyrobená elektrická energia spravidla ide priamo do siete, pričom pre stabilitu a reguláciu frekvencie otáčania lopatiek sú veterné turbíny vybavené prídavnými mechanizmami.

Komerčné veterné generátory

Takéto zariadenia sa používajú na výrobu elektriny na predaj alebo na zásobovanie výrob elektrickou energiou v regiónoch so slabou elektrickou sieťou (alebo s jej úplnou absenciou). Podobné veterné elektrárne pozostávajú z viacerých elektrických generátorov, ktoré môžu mať rôzny výkon.

Energia z komerčných zariadení môže prúdiť priamo do elektrických rozvodov alebo sa používať na nabíjanie veľkého súboru batérií, kde sa akumuluje a premieňa na dodávku do energetickej sústavy.

Domáce veterné zariadenia

Zariadenia s malým výkonom sa používajú na súkromné účely. Podľa pravidiel môžu byť veterné turbíny so stožiarmi s výškou menej ako 25 metrov inštalované majiteľmi pozemkov bez súhlasu úradov, pre vyššie stožiare je potrebné získať osobitné povolenie.

Veterné turbíny s nízkym a stredným výkonom môžu slúžiť ako zdroj elektrickej energie pre chaty, chalupy, vidiecke domy, farmárske hospodárstva.

Domáce veterné generátory sú vhodné na nabíjanie batérií s napätím 12/24/48 V, z ktorých sa energia transformuje na napätie 220 Voltov. Takéto zariadenia umožňujú úplne alebo čiastočne vyriešiť problém s napájaním malých objektov, ktoré sa nachádzajú ďaleko od centralizovanej elektrickej siete.

S orientačnými bodmi výberu veterného generátora na zabezpečenie energie pre súkromný dom oboznámi článok, venovaný tejto zaujímavej otázke.

Rozdielne konštrukcie vetrnych generátorov

Podľa konštrukčných vlastností možno zariadenia tiež rozdeliť do niekoľkých kategórií, hoci všetky varianty sa dajú zredukovať na dva hlavné typy: vertikálne a horizontálne.

Klasické horizontálne veterné generátory

Takéto zariadenia (nazývajú sa aj vrtuľové alebo lopatkové) majú zvyčajne 3-5 lopatiek namontovaných na horizontálnej osi. Otáčaním sa vysokou rýchlosťou umožňujú takéto prvky získať maximálne množstvo energie (KIEV do 0,4).

Pritom množstvo vyrobenej elektrickej energie do značnej miery závisí od výšky zariadenia (čím je vyššie, tým je výsledok väčší).

Horizontálny veterný generátor využíva vztlakovú silu, ktorá vzniká pri zvyšovaní tlaku v bode, kde priamy prúd vzduchu prechádza cez lopatky, odrážajúc sa od týchto prvkov.

Takéto zariadenia sa zvyčajne inštalujú vo veterných parkoch, kde sa vyrába energia pre priemyselné a komerčné využitie, avšak sú vhodné aj na domáce použitie.

Zaujímavým riešením horizontálnej veternej turbíny je model s jednou lopatkou, s jeho vlastnosťami oboznámi nasledujúci výber fotografií:

Vertikálne veterné turbíny

Funkčným prvkom takýchto zariadení je otáčavé veterné koleso. Kvôli konštrukčným vlastnostiam sa takéto konštrukcie líšia podľa typov („Sud“, „Savonius“).

S princípom zariadenia turbíny vertikálneho generátora Savoniusa vás zoznámi nasledujúca fotogaléria:

Napriek nízkemu ukazovateľu KIEV (0,1-0,2) nachádzajú pomerne široké uplatnenie: vertikálne zariadenia fungujú na turbulentných prúdoch vzduchu, vďaka čomu ich možno umiestniť aj v oblastiach, kde zriedka fúkajú silné vetry.

Práca vertikálnych veterných generátorov nezávisí od smeru vetrov. Sú jednoduché na montáž a prevádzku, navyše takéto zariadenia možno umiestniť blízko k zemi.

Na zvýšenie účinnosti vertikálnych veterných generátorov výrobcovia často zvyšujú ich rozmerové parametre, čo vedie k výraznému zvýšeniu nákladov. Keďže takéto zariadenia sú pomerne krehké, vyžadujú si zvýšenú ochranu pred hurikánmi a inými prírodnými javmi.

Veterné generátory „Rotor Darje“

Tieto zariadenia patria do kategórie vertikálnych veterných turbín, majú však výrazné konštrukčné odlišnosti. Vďaka týmto vlastnostiam sa dosahuje nižšia hlučnosť a zvyšuje sa KIEW, ktorý sa približuje hodnotám horizontálnych modelov.

Turbína s nízkym tlakom s osou otáčania kolmou na vzdušné prostredie, navrhnutá v roku 1931 francúzskym leteckým konštruktérom Žoržom Darje, našla široké uplatnenie v veternej energetike.

Nevýhodou takýchto konštrukcií je nízky štartovací moment (kvôli prítomnosti iba dvoch lopatiek sa zariadenie ťažko rozbieha samostatne). Na riešenie problému sa často používa hybrid „Savonius+Darje“.

Plachetné veterné zariadenia

Pre takéto zariadenia možno použiť princíp vertikálneho aj horizontálneho veterníka. Hlavnou konštrukčnou črtou je veterné koleso pokryté mnohými lopatkami alebo plachtami, pričom aerodynamický profil u týchto modelov chýba.

Existuje mnoho modelov plachtových veterných generátorov, ktoré sa líšia počtom lopatiek, hmotnosťou a výkonom. Tieto parametre je potrebné zohľadniť pri výbere zariadenia.

Napriek tomu, že plachtové zariadenia sú pomalobežné a majú nízku účinnosť, často sa používajú v národnom hospodárstve. Takéto konštrukcie sú ľahké na montáž a údržbu a kombinácia vysokého krútiaceho momentu s nízkymi otáčkami umožňuje priamo poháňať rôzne užitočné mechanizmy, napríklad čerpadlo na odčerpávanie vody.

S jedným z prakticky realizovaných modelov plachtových veterníkov vás oboznámi nasledujúca galéria:

Generátor pre vetrnú turbínu

Na fungovanie veterníkov sú potrebné bežné trojfázové generátory. Konštrukcia týchto zariadení je podobná modelom používaným v automobiloch, ale má väčšie parametre.

V prístrojoch pre veterné turbíny je zabezpečené trojfázové vinutie statora (zapojenie typu „hviezda“), odkiaľ vychádzajú tri vodiče smerujúce do regulátora, kde dochádza k transformácii striedavého napätia na jednosmerné.

Rotor generátora pre veternú turbínu sa vyrába z neodýmových magnetov: v takýchto konštrukciách je neúčelné používať elektrobudenie, pretože cievka spotrebúva veľa energie.

Na zvýšenie otáčok sa často používa multiplikátor. Takéto zariadenie umožňuje zvýšiť výkon existujúceho generátora alebo použiť zariadenie menšej veľkosti, čo znižuje náklady na inštaláciu.

Multiplikátory sa častejšie používajú vo vertikálnych veterných generátoroch, u ktorých je proces otáčania veterného kolesa pomalší. Pre horizontálne zariadenia s vysokou rýchlosťou otáčania lopatiek multiplikátory nie sú potrebné, čo zjednodušuje a zlacňuje konštrukciu.

Špecifikácia montáže a inštalácie veterného generátora z práčky a veternej turbíny z automobilového generátora je podrobne opísaná v nami odporúčaných článkoch.

Výhody a nevýhody vetrogenerátora

Podrobne si rozoberieme výhody a nevýhody veterných turbín, pretože práve od nich závisí rozhodnutie kúpiť veternú turbínu alebo od nej upustiť.

Výhody vetrnych zariadení

Medzi výhody zariadení využívajúcich veternú energiu patria:

• Ekologickosť. Zariadenia využívajú obnoviteľný zdroj energie, ktorý možno neustále používať bez poškodzovania životného prostredia. Elektrina vyrobená veternými generátormi nahrádza energiu tepelných elektrární, čím znižuje emisie skleníkových plynov.
• Univerzálnosť. Veterné elektrárne možno stavať takmer všade: na rovinách, v horách, na poliach, na ostrovoch a dokonca aj v plytkej vode. Veterná energia je obzvlášť cenená v odľahlých miestach, kam je ťažké natiahnuť bežné elektrické komunikácie. Veterné generátory v tomto prípade umožňujú zabezpečiť energetické zásobovanie objektov, čím im poskytujú nezávislosť od náhodných faktorov (napríklad od včas nedodaného paliva).
• Efektívnosť používania. Moderné modely spracúvajú energiu aj slabých vetrov – minimálna hranica je 3,5 m/s. Podobným spôsobom možno vyrábať dodatočnú dodávku elektriny do centralizovanej siete, ako aj organizovať elektrické zásobovanie jednotlivých objektov (ostrovných alebo lokálnych) bez ohľadu na ich výkon.
• Dôstojná alternatíva k tradičným zdrojom. Stacionárne veterné elektrárne môžu úplne zabezpečiť elektrinu pre obytný dom alebo aj menší výrobný objekt. V tomto prípade bude turbína akumulovať v batériách potrebnú zásobu elektriny určenú na použitie počas bezveterných období.
• Hospodárnosť. V porovnaní s tradičnými zdrojmi elektrickej energie (plyn, rašelina, kamenné uhlie, ropa) umožňujú veterné turbíny výrazne znížiť náklady na energiu. V mnohých prípadoch je výstavba veternej elektrárne lacnejšia ako pripojenie k existujúcim energetickým systémom.

Používanie veterných turbín môže byť alternatívou k používaniu drahých dieselových generátorov, pričom ďalej znižuje náklady na prepravu a skladovanie paliva až o 80%.

Priemerný výkon veternej turbíny sa násobne líši od špičkového zaťaženia. Veterný generátor zodpovedá iba za množstvo vyrobenej energie za určité časové obdobie pri priemernej mesačnej rýchlosti vetra typickej pre danú lokalitu.

Na presnejšie posúdenie veterných zdrojov možno použiť špeciálne odvodené údaje (Weibullove parametre). Tieto ukazovatele odrážajú charakteristické rozdelenie vetrov rôznej sily pre konkrétnu lokalitu. Takéto informácie je dôležité zohľadniť pri navrhovaní projektov veterných parkov, ktorých výkon dosahuje desiatky MW.

Výkon produkovaný veternou turbínou je úmerný tretej mocnine rýchlosti vetra. Preto je tento ukazovateľ pri slabých vetroch veľmi nízky, no pri zosilnení vetra – prudko narastá. Kvôli premenlivosti smeru a rýchlosti vetra je potrebné pri konštrukcii veternej turbíny zahrnúť stabilizačné komponenty.

Pravidlá a vzorce na výpočet výkonu veterného generátora sú uvedené tu, odporúčame oboznámiť sa s veľmi užitočnými informáciami.

V malých autonómnych systémoch túto funkciu plnia batérie, ktorých nabíjanie sa začne zvyšovať, len čo výkon veterného generátora prekročí hodnotu zaťaženia.

Pri raste zaťaženia sa batéria môže vybiť. Túto prevádzkovú zvláštnosť je dôležité zohľadniť pri výbere domáceho zariadenia; jeho výkon by sa mal zhodovať s mesačnou alebo ročnou normou spotreby elektrickej energie.

Treba poznamenať, že efektívnemu využitiu veterných prúdov napomáha rôznorodosť konštrukcií veterných generátorov.

Horizontálne turbíny dosahujú vysoké výkony na rovinatých miestach, kde je veľa vetra, zatiaľ čo vertikálne turbíny fungujú lepšie v oblastiach s turbulentnými prúdmi, ktoré sa vyskytujú nízko nad zemou (na vrcholoch kopcov, horských hrebeňoch).

Hlavné nevýhody vetrnych generátorov

Zároveň majú veterné generátory aj svoje negatívne stránky:

• Veľkosť sily vetra je ťažké vopred predpovedať, pretože sa často mení. Z tohto dôvodu je vhodné zvážiť záložný zdroj energie (solárne panely, pripojenie k elektrickej sieti).
• Vertikálne zariadenia sú vystavené riziku zničenia lopatiek rotora v dôsledku pôsobenia odstredivých síl pri otáčaní lopatiek okolo hlavnej osi. V dôsledku tohto javu sa dôležité konštrukčné prvky časom deformujú a ničia a mechanizmus zlyhá.
• Veterné generátory je lepšie inštalovať na voľnom priestranstve, pretože okolité budovy môžu „tlmíť“ vietor a vytvárať „mŕtvu“ vzdušnú zónu.
• Na uchovanie prebytočnej energie veterných turbín je potrebné v konštrukcii zabezpečiť použitie akumulátorov a ďalších doplnkových zariadení, ktoré slúžia na premenu získanej elektriny na prúd s vhodnými spotrebiteľskými charakteristikami.
• Pri prevádzke veterné generátory vydávajú hluk, ktorý môže spôsobovať nepohodlie ľuďom, odrádzať zvieratá. Lopatky zariadení môžu tiež spôsobiť úhyn vtákov, ktoré k nim priletia.
• Podľa názoru niektorých odborníkov môžu veterné turbíny zhoršovať príjem rádiových a televíznych prenosov.

K negatívnym momentom možno tiež priradiť pomerne vysokú cenu takýchto agregátov, avšak lacnosť zdroja energie do značnej miery neutralizuje tento faktor.

Schémy a spôsoby pripojenia

Hoci veterné zariadenie môže pracovať aj autonómne, výrazne lepší výsledok sa dosahuje pomocou kombinovaných schém, ktoré zahŕňajú spojenie veterného zariadenia so solárnymi panelmi, centralizovanou elektrickou sieťou, dieselovými alebo plynovými zdrojmi energie.

Autonómna prevádzka. V tomto prípade sa umiestňuje samostatné zariadenie, pomocou ktorého sa zachytáva a akumuluje veterná energia, ktorá sa následne premieňa na elektrický prúd potrebný pre spotrebiteľov.

Na schéme je demonštrovaný najjednoduchší spôsob použitia veterného generátora, ktorý je vhodné používať v regiónoch, kde neustále fúkajú silné vetry.

Kombinácia veterného generátora so solárnymi panelmi. Kombinovaný variant sa považuje za spoľahlivý a efektívny spôsob elektrického napájania. V prípade neprítomnosti vetra akumulátor pracuje pomocou solárnych panelov, a v zamračenom počasí a počas noci nabíjanie prebieha z veterného zariadenia.

Ideálny variant pre súkromný dom alebo hospodárstvo nachádzajúce sa ďaleko od centralizovanej elektrickej siete. Takáto kombinovaná schéma umožňuje využívať dva druhy obnoviteľnej energie.

Kombinovaná prevádzka veterného generátora a elektrickej siete. Veternú turbínu je možné kombinovať s elektrickými komunikáciami.

Podobná schéma je typická pre priemyselné a komerčné zariadenia. Pripojenie k elektrickým komunikáciám predpokladajú aj niektoré modely domácich veterných generátorov.

Pri nadbytku vyrobenej elektriny sa dodáva do centralizovanej siete, a pri jej nedostatku je možné využiť elektrický prúd z celkovej energetickej sústavy.

Nuansy používania vetrogenerátorov

V súčasnosti sa veterné turbíny používajú v rôznych oblastiach národného hospodárstva. Priemyselné modely rôzneho výkonu využívajú ropné a plynárenské spoločnosti, telekomunikačné firmy, vrtné a geologicko-prieskumné stanice, výrobné objekty a štátne inštitúcie.

Veterný generátor môže byť použitý ako doplnkový zdroj energie v nemocniciach a iných zariadeniach na zabezpečenie nepretržitého napájania v núdzových situáciách.

Osobitne treba zdôrazniť dôležitosť používania veterných zariadení na rýchle obnovenie prerušeného elektrického prúdu pri katastrofách a prírodných pohromách. Na tento účel veterné generátory často používajú jednotky ministerstva pre mimoriadne situácie (MČS).

Domáce veterné turbíny sú vynikajúce na organizáciu osvetlenia a vykurovania chatových osád a súkromných domov, ako aj na hospodárske účely na farmách.

Pri tom treba zohľadniť niekoľko bodov:

• Zariadenia do 1 kW môžu poskytnúť dostatočné množstvo elektriny iba na veterných miestach. Zvyčajne vyrobená energia stačí len na LED osvetlenie a napájanie malých elektronických zariadení.
• Na úplné zabezpečenie elektrinou chaty (vidieckeho domčeka) bude potrebný veterný generátor s výkonom nad 1 kW. Takýto výkon je dostatočný na napájanie osvetlenia, počítača a televízora, ale jeho výkon nestačí na nepretržité napájanie modernej chladničky.
• Na zabezpečenie energiou chalupy bude potrebný veterný generátor s výkonom 3–5 kW, avšak ani takýto výkon nebude stačiť na vykurovanie domov. Na využitie takejto funkcie je potrebný výkonnejší variant od 10 kW.

Pri výbere modelu treba zohľadniť, že udávaný výkon na zariadení sa dosahuje iba pri maximálnej rýchlosti vetra. Napríklad zariadenie s výkonom 300 W bude produkovať uvedené množstvo energie len pri rýchlosti prúdenia vzduchu 10–12 m/s.

Tým, ktorí si chcú postaviť veterný generátor vlastnými rukami, odporúčame nasledujúci článok, v ktorom sú podrobne uvedené užitočné informácie.

Závery a užitočné video k téme

Vo videu nižšie sú uvedené podrobné informácie o princípe činnosti a konštrukcii domáceho modelu veterného generátora:

Veterný generátor je výborný zdroj výroby elektrickej energie, ktorý ocenia najmä obyvatelia odľahlých miest. Rôzne ruské a zahraničné podniky ponúkajú široký sortiment veterných konštrukcií, navyše domáce modely si možno vyrobiť aj vlastnými rukami.

Prosím, píšte komentáre do bloku nižšie. Povedzte nám, ako ste si postavili veterný generátor na svojom pozemku, alebo ako funguje veterný generátor u vašich susedov. Pýtajte sa, zdieľajte užitočné informácie a fotografie k téme.