Kinetični vetrogenerator: zgradba, princip delovanja, uporaba

Sodobni kinetični vetrni generator omogoča izrabo moči zračnih tokov in njeno pretvorbo v električno energijo. V ta namen obstajajo tovarniški in samogradni modeli naprav, ki se uporabljajo tako v industriji kot v zasebnih gospodinjstvih.

Povedali vam bomo, kako so vetrnice te vrste zasnovane, ter vam predstavili značilnosti zgradbe in konstrukcijske različice. V članku so navedene šibke in močne strani vetrne energetske naprave. Samostojni mojstri bodo pri nas našli uporabne sheme in priporočila za sestavo.

Princip delovanja vetrnega generatorja

Delovanje vetrnega generatorja temelji na pretvorbi kinetične energije vetra v mehansko energijo rotorja, ki se nato pretvori v električno energijo.

Princip delovanja je dokaj preprost: vrtenje lopatic, pritrjenih na os naprave, povzroča krožno gibanje rotorja generatorja, zaradi česar nastaja električna energija.

Vetrna energetika je ena najobetavnejših panog obnovljive energije. Sodobne konstrukcije omogočajo gospodarno izrabo moči zračnih tokov za proizvodnjo električne energije.

Dobljeni nestabilni izmenični tok »steče« v krmilnik, kjer se pretvori v enosmerno napetost, ki lahko polni akumulatorje. Od tam gre napajanje na razsmernik, kjer se pretvori v izmenično napetost 220/380 V, ki se nato dovaja porabnikom.

Moč vetrnega generatorja je neposredno odvisna od moči zračnega toka (N) in se izračuna po formuli N = pSV³/2, kjer je V – hitrost vetra, S – delovna površina, p – gostota zraka.

Zgradba vetrnega generatorja

Različne izvedbe vetrnih generatorjev se med seboj precej razlikujejo.

Predstavljena je notranja zgradba klasičnega horizontalnega vetrnega generatorja. Takšni modeli se najpogosteje uporabljajo tako v industriji kot v gospodinjstvih.

Industrijske naprave so zapletene večmetrske konstrukcije, za postavitev katerih je potreben temelj, medtem ko je lahko gospodinjski model sestavljen iz minimalnega števila komponent (enosmerni elektromotor 3–12 V, elektrolitski kondenzator 1000 µF 6 V, silicijeva usmerniška dioda).

Tipična naprava vključuje naslednje sestavne dele:

• generator izmeničnega toka (moč je odvisna od hitrosti vetrovnih tokov);
• lopatice, ki prenašajo vrtenje na gred generatorja (pogosto so dodatno opremljene z reduktorji, stabilizatorji vrtilne hitrosti rotorja);
• drog vetrnice, na katerega so pritrjene lopatice (višje ko so ti elementi, več vetrne energije lahko pridobijo);
• akumulatorji, ki shranjujejo energijo, kar omogoča njeno uporabo ob majhnem vetrnem toku ali ob njegovi popolni odsotnosti. Baterija prav tako opravlja funkcijo stabilizacije električne energije, ki prihaja iz generatorja;
• krmilnik – pretvornik izmenične napetosti, pridobljene iz generatorja, v enosmerno, ki se uporablja za polnjenje baterije. Krmiljenje se izvaja z vrtenjem lopatic, kar omogoča upoštevati, kam se premikajo zračni tokovi;
• AVR (avtomatsko preklopno stikalo) – naprava za samodejno preklapljanje, ki povezuje vetrni generator z drugimi viri energije (sončnimi paneli, električnim omrežjem);
• senzor smeri vetra – naprava, ki lopaticam olajša iskanje vetrnega toka;
• inverter za pretvorbo enosmernega toka iz akumulatorjev v izmenično napetost, ki se uporablja v električnih napeljavah.

Za bolj celostno zadovoljevanje uporabniških potreb je lahko naprava opremljena z različnimi vrstami inverterjev:

• naprave z modificirano sinusoido, ki oddaja kvadratno sinusoido. Te vrste naprav so primerne za grelne elemente (TEH), žarnice z žarilno nitko in druge naprave, ki niso zahtevne glede kakovosti omrežja;
• inverterji trifazne napetosti, namenjeni za trifazna električna omrežja;
• naprave s čisto sinusoido, ki proizvajajo energijo za občutljivejšo tehniko;
• omrežni inverterji, ki lahko delujejo brez baterij. Takšne naprave so namenjene za sheme, pri katerih električna energija prehaja neposredno v javno omrežje.

Pri izbiri modelov je treba obvezno biti pozoren na vrsto inverterja.

Vrste vetrnih generatorjev

Pri razvrščanju vetrnic se lahko upoštevajo naslednje značilnosti:

• namen;
• konstrukcijske značilnosti;
• število lopatic;
• materiali, iz katerih so izdelane;
• os vrtenja;
• korak vijaka.

Podrobneje si oglejmo dve najpogosteje uporabljeni klasifikaciji.

Razvrstitev vetrnih generatorjev po namenu

Razlikujemo vrste vetrnih naprav, ki se razlikujejo po namenu. Od tega so odvisne tudi glavne značilnosti naprav, na primer moč.

Industrijske vetrne turbine

Takšne naprave nameščajo velike energetske družbe ali država za oskrbo industrijskih objektov z električno energijo. Turbine z močjo več deset megavatov so običajno postavljene na vetrovnih območjih (odprte vzpetine, obale).

Vetrni parki, kjer je nameščenih več deset vetrnih turbin, so urejeni ne le na kopnem, temveč tudi na plitvinah. Pridobljena električna energija se običajno uporablja v industrijske namene.

Proizvedena električna energija praviloma gre neposredno v omrežje, pri čemer so vetrne turbine za stabilnost in uravnavanje vrtilne frekvence lopatic opremljene z dodatnimi mehanizmi.

Komercialni vetrni generatorji

Takšne naprave se uporabljajo za pridobivanje električne energije za prodajo ali za oskrbo proizvodnih obratov v regijah s šibkim električnim omrežjem (ali z njegovo popolno odsotnostjo). Tovrstne vetrne elektrarne so sestavljene iz skupine električnih generatorjev, ki imajo lahko različne moči.

Energija iz komercialnih naprav lahko prihaja neposredno v električne komunikacije ali pa se uporablja za polnjenje velikega sklopa baterij, kjer se kopiči in pretvarja za napajanje energetskega sistema.

Gospodinjske vetrne naprave

Agregati majhne moči se uporabljajo za zasebno uporabo. V skladu s pravili lahko lastniki zemljišč nameščajo vetrnice z drogom višine manj kot 25 metrov brez odobritve oblasti; za višje drogove je potrebno posebno dovoljenje.

Vetrnice majhne in srednje moči so lahko vir električne energije za vikende, počitniške hiše, podeželske hiše in kmetije.

Gospodinjski vetrni generatorji so primerni za polnjenje akumulatorjev napetosti 12/24/48 V, iz katerih se energija pretvarja v napetost 220 V. Takšne naprave omogočajo popolno ali delno rešitev težave z električnim napajanjem manjših objektov, ki se nahajajo daleč od centraliziranega električnega omrežja.

Z usmeritvami za izbiro vetrnega generatorja za oskrbo z energijo zasebne hiše se lahko seznanite v članku, ki je posvečen tej zanimivi temi.

Različice konstrukcij vetrnic

Glede na konstrukcijske značilnosti lahko naprave razdelimo tudi v več kategorij, čeprav se vse različice zreducirajo na dve osnovni vrsti: vertikalne in horizontalne.

Klasični horizontalni vetrni generatorji

Takšne naprave (imenujejo jih tudi propelerji ali rotorji) imajo običajno 3–5 lopatic, nameščenih na horizontalni osi. Z vrtenjem pri visoki hitrosti ti elementi omogočajo pridobitev največje količine energije (KIEV do 0,4).

Pri tem je količina proizvedene električne energije močno odvisna od višine naprave (višja kot je, večji je rezultat).

Horizontalna vetrna turbina uporablja vzgonsko silo, ki nastane ob povečanju tlaka na mestu, kjer neposreden zračni tok prehaja skozi lopatice in se od teh elementov odbija.

Takšne naprave so običajno nameščene v vetrnih parkih, kjer se proizvaja energija za industrijsko in komercialno uporabo, vendar so primerne tudi za gospodinjsko uporabo.

Zanimiva rešitev horizontalne vetrnice je model z eno lopatico, o njegovih značilnostih pa vas bo seznanil naslednji nabor fotografij:

Vertikalne vetrne turbine

Delovni element takšnih naprav je vrteče se vetrno kolo. Zaradi konstrukcijskih značilnosti se takšne konstrukcije razlikujejo po tipih (»Sod«, »Savonius«).

Naslednji izbor fotografij vas bo seznanil z načelom delovanja turbine vertikalnega generatorja Savonius.

Kljub nizkemu kazalniku KIEV (0,1–0,2) se precej pogosto uporabljajo: vertikalne naprave delujejo na turbulentnih zračnih tokovih, zaradi česar jih je mogoče namestiti tudi na območjih, kjer redko pihajo močni vetrovi.

Delovanje vertikalnih vetrnih generatorjev ni odvisno od smeri vetra. Enostavni so za montažo in vzdrževanje, poleg tega pa lahko takšne naprave postavite blizu tal.

Za povečanje učinkovitosti vertikalnih vetrnic proizvajalci pogosto povečujejo njihove dimenzijske parametre, kar vodi do znatnega povečanja stroškov. Ker so takšne naprave precej krhke, potrebujejo večjo zaščito pred orkani in drugimi naravnimi pojavi.

Vetrni generatorji »Darrieusov rotor«

Takšne naprave spadajo v kategorijo vertikalnih vetrnih turbin, vendar imajo izrazite razlike v konstrukciji. Zaradi takšnih posebnosti se doseže zmanjšanje hrupa, poveča pa se tudi KIEV, ki se približuje vrednostim horizontalnih modelov.

Turbino z nizkim tlakom, ki jo je leta 1931 predlagal francoski letalski inženir Georges Darrieus, z osjo vrtenja, pravokotno na zračno okolje, je našla široko uporabo v vetrni energetiki.

Pomanjkljivost takšnih konstrukcij je nizek začetni navor (zaradi le dveh lopatic se naprava težko zažene sama). Za rešitev težave se pogosto uporablja hibrid „Savonius+Darrieus“.

Jadralne vetrne naprave

Za takšne naprave se lahko uporablja načelo tako vertikalnih kot horizontalnih vetrnic. Glavna konstrukcijska značilnost je vetrno kolo, prekrito s številnimi lopaticami ali jadri, pri čemer takšni modeli nimajo aerodinamičnega profila.

Obstaja veliko modelov jadrnih vetrnih generatorjev, ki se razlikujejo po številu lopatic, teži, moči. Vse te parametre je treba upoštevati pri izbiri naprave.

Kljub temu da se jadrne naprave odlikujejo po nizki hitrosti in majhni učinkovitosti, se pogosto uporabljajo v gospodarstvu. Takšne konstrukcije so lahke za montažo in uporabo, kombinacija visokega navora z nizkimi vrtljaji pa omogoča neposreden pogon različnih uporabnih mehanizmov, na primer črpalke za črpanje vode.

Z enim od v praksi uresničenih modelov jadrnih vetrnic se bo seznanila naslednja galerija:

Generator za vetrno turbino

Za delovanje vetrnic so potrebni običajni trifazni generatorji. Konstrukcija takšnih naprav je podobna modelom, ki se uporabljajo v avtomobilih, vendar ima večje parametre.

V napravah za vetrne turbine je predvidena trifazna statorska navitja (povezava tipa »zvezda«), od koder izhajajo tri žice, ki gredo do krmilnika, kjer poteka transformacija izmenične napetosti v enosmerno.

Rotor generatorja za vetrno turbino je izdelan na neodimovih magnetih: v takšnih konstrukcijah ni smiselno uporabljati električnega vzbujanja, ker tuljava porabi veliko energije.

Za povečanje vrtljajev se pogosto uporablja multiplikator. Takšna naprava omogoča povečanje moči obstoječega generatorja ali uporabo manjše naprave, kar zniža stroške namestitve.

Multiplikatorji se pogosteje uporabljajo v vertikalnih vetrnih generatorjih, pri katerih poteka vrtenje vetrnega kolesa počasneje. Pri horizontalnih napravah z visoko hitrostjo vrtenja lopatic multiplikatorji niso potrebni, kar poenostavi in poceni konstrukcijo.

Specifika sestavljanja in montaže vetrnega generatorja iz pralnega stroja in vetrne naprave iz avtomobilskega generatorja je podrobno opisana v člankih, ki jih priporočamo.

Prednosti in slabosti vetrnega generatorja

Podrobno bomo preučili prednosti in slabosti vetrnih turbin, saj je od njih odvisno, ali se bomo odločili za nakup vetrnice ali ne.

Prednosti vetrnih naprav

Med prednosti naprav, ki uporabljajo vetrno energijo, sodijo:

• Okolju prijaznost. Naprave uporabljajo obnovljiv vir energije, ki ga je mogoče stalno uporabljati, ne da bi škodovale okolju. Elektrika, ki jo proizvajajo vetrnice, nadomešča energijo iz termoelektrarn, s čimer se zmanjšujejo emisije toplogrednih plinov.
• Vsestranskost. Vetrne elektrarne je mogoče graditi skoraj povsod: na ravninah, v gorah, na poljih, na otokih in celo v plitvinah. Vetrna energija je še posebej cenjena na oddaljenih mestih, kamor je težko napeljati običajne električne komunikacije. Vetrnice v tem primeru omogočajo vzpostavitev oskrbe z energijo za objekte, kar jim zagotavlja neodvisnost od naključnih dejavnikov (na primer od nepravočasno dostavljenega goriva).
• Učinkovitost uporabe. Sodobni modeli predelujejo energijo tudi pri šibkem vetru – minimalna meja je 3,5 m/s. Na ta način je mogoče proizvajati dodatno električno energijo za centralizirano omrežje ter organizirati oskrbo posameznih objektov (otoških ali lokalnih) ne glede na njihovo moč.
• Dostojna alternativa tradicionalnim virom. Stacionarne vetrne elektrarne lahko popolnoma oskrbijo stanovanjsko hišo ali celo manjši proizvodni objekt z elektriko. V tem primeru bo turbina v akumulatorjih shranjevala potrebno zalogo električne energije, namenjeno uporabi v brezvetrnih obdobjih.
• Gospodarnost. V primerjavi s tradicionalnimi viri električne energije (plin, šota, premog, nafta) vetrne turbine omogočajo znatno zmanjšanje stroškov energije. V mnogih primerih je gradnja vetrne elektrarne cenejša od priklopa na obstoječe energetske sisteme.

Uporaba vetrnic je lahko alternativa dragim dizelskim generatorjem, kar dodatno zmanjša stroške prevoza in skladiščenja goriva do 80 %.

Povprečna moč vetrne turbine se večkrat razlikuje od vrednosti konične obremenitve. Vetrni generator je odgovoren le za količino proizvedene energije v določenem časovnem obdobju pri povprečni mesečni hitrosti vetra, značilni za to območje.

Za natančnejšo oceno vetrnih virov je mogoče uporabiti posebej izračunane podatke (Weibullovi parametri). Ti kazalniki odražajo za določeno območje značilno porazdelitev vetrov različnih jakosti. Tovrstne informacije je pomembno upoštevati pri načrtovanju vetrnih parkov, katerih moč znaša desetine MW.

Moč, ki jo proizvaja vetrna turbina, je sorazmerna s trojno hitrostjo vetra. Zato je ta kazalnik zelo majhen pri šibkih vetrovih, vendar se pri njihovi krepitvi – močno poveča. Zaradi spremenljivosti smeri in hitrosti vetrov je treba pri načrtovanju vetrne turbine predvideti stabilizacijske komponente.

Pravila in formule za izračun moči vetrnega generatorja so navedena tukaj, priporočamo, da si ogledate zelo koristne informacije.

V majhnih avtonomnih sistemih njihovo funkcijo opravljajo baterije, katerih naboj se začne povečevati, takoj ko moč vetrnega generatorja preseže vrednost obremenitve.

Pri povečanju obremenitve se lahko baterija izprazni. To značilnost delovanja je pomembno upoštevati pri izbiri gospodinjskega agregata, njegova moč mora sovpadati z mesečno ali letno normo porabe električne energije.

Treba je opozoriti, da učinkoviti uporabi vetrnih tokov pripomore raznolikost konstrukcij vetrnih generatorjev.

Horizontalne turbine dajejo visoke vrednosti na ravninskih območjih, kjer je veliko vetrov, medtem ko vertikalne turbine bolje delujejo v regijah s turbulentnimi tokovi, ki se pojavljajo nizko od tal (v zgornjem delu gričev, gorskih grebenov).

Glavne pomanjkljivosti vetrnic

Hkrati pa imajo vetrniki tudi svoje negativne strani:

• Vrednost moči vetra je težko vnaprej napovedati, saj se pogosto spreminja. Zaradi tega je priporočljivo premisliti o rezervni rešitvi, tako da predvidite dvojni vir energije (sončne panele, priključitev na električno omrežje).
• Vertikalne naprave so izpostavljene nevarnosti uničenja lopatic vijaka zaradi vpliva centrifugalnih sil pri vrtenju lopatic okoli glavne osi. Zaradi podobnega učinka se pomembni elementi konstrukcije sčasoma deformirajo in uničijo, mehanizem pa odpove.
• Vetrnike je bolje nameščati na prostem prostoru, saj lahko bližnje stavbe »ugasijo« veter, pri čemer ustvarijo »mrtvo« zračno območje.
• Za ohranjanje presežne energije vetrnih turbin je treba v konstrukciji predvideti uporabo akumulatorjev in drugih dodatnih naprav, ki služijo za pretvorbo pridobljene elektrike v tok s primernimi porabniškimi karakteristikami.
• Pri delovanju vetrni generatorji oddajajo hrup, ki lahko povzroča nelagodje ljudem, odganja živali. Lopatice naprav so lahko tudi vzrok smrti ptic, ki priletijo k njim.
• Po mnenju nekaterih strokovnjakov so vetrne turbine sposobne poslabšati sprejem radijskih in televizijskih oddaj.

K negativnim vidikom lahko prištejemo tudi precej visoko ceno takšnih agregatov, vendar cenenost vira energije v veliki meri izničuje ta dejavnik.

Sheme in načini priključitve

Čeprav lahko vetrna naprava deluje tudi avtonomno, je bistveno boljšega rezultata mogoče doseči s pomočjo kombiniranih shem, ki predvidevajo kombinacijo vetrne naprave s sončnimi baterijami, centraliziranim električnim omrežjem, dizelskimi ali plinskimi viri energije.

Avtonomno delovanje. V tem primeru se postavi enotna naprava, s pomočjo katere se zajame in shrani vetrna energija, ki se nato pretvori v električni tok, potreben porabnikom.

Na shemi je prikazan najpreprostejši način uporabe vetrnega generatorja, ki ga je smiselno uporabljati v regijah, kjer nenehno pihajo močni vetrovi

Združitev vetrnega generatorja s sončnimi paneli. Kombinirana možnost velja za zanesljiv in učinkovit način oskrbe z elektriko. V primeru odsotnosti vetra akumulator deluje prek sončnih panelov, v oblačnem vremenu in ponoči pa polnjenje poteka z vetrne naprave.

Idealna možnost za zasebno hišo ali kmetijo, ki se nahaja daleč od centraliziranega električnega omrežja. Takšna kombinirana shema omogoča uporabo dveh vrst obnovljive energije

Kombinirano delovanje vetrnega generatorja in električnega omrežja. Vetrno turbino je mogoče združiti z električnimi komunikacijami.

Podobna shema je značilna za industrijske in komercialne naprave. Priključitev na električne komunikacije predvidevajo tudi nekateri modeli gospodinjskih vetrnih generatorjev

Ob presežku proizvedene elektrike ta odteka v centralizirano omrežje, ob pomanjkanju pa je mogoče uporabiti električni tok iz skupnega energetskega sistema.

Posebnosti uporabe vetrnih generatorjev

Trenutno se vetrne turbine uporabljajo na različnih področjih nacionalnega gospodarstva. Industrijske modele različnih moči uporabljajo naftne in plinske, telekomunikacijske družbe, vrtalne in geološko-raziskovalne postaje, proizvodni objekti in državne ustanove.

Vetrnica se lahko uporablja kot dodaten vir energije v bolnišnicah in drugih ustanovah, da se zagotovi neprekinjena dobava električne energije v izrednih razmerah

Posebej je treba poudariti pomen uporabe vetrnih naprav za hitro obnovitev prekinjene elektrike ob kataklizmah in naravnih nesrečah. V ta namen vetrne generatorje pogosto uporabljajo enote MČS.

Gospodinjske vetrne turbine so odlične za organizacijo razsvetljave in ogrevanja vikend naselij in zasebnih hiš ter za gospodarske namene na kmetijah.

Pri tem je treba upoštevati nekaj točk:

• Naprave do 1 kW lahko zagotovijo zadostno količino električne energije le v vetrovnih krajih. Običajno zadostuje proizvedena energija le za LED razsvetljavo in napajanje majhnih elektronskih naprav.
• Da bi v celoti oskrbeli z elektriko počitniško hišo (podeželsko hišo), boste potrebovali vetrni generator z močjo nad 1 kW. Takšna moč zadostuje za napajanje svetilnih naprav, računalnika in televizorja, vendar njegova moč ni zadostna za oskrbo z elektriko sodobnega hladilnika, ki deluje 24 ur na dan.
• Za oskrbo z energijo hiše boste potrebovali vetrno turbino z močjo 3–5 kW, vendar niti ta moč ne bo zadostovala za ogrevanje hiš. Za uporabo takšne funkcije je potreben močnejši model, od 10 kW naprej.

Pri izbiri modela upoštevajte, da je navedena moč na napravi dosežena le pri največji hitrosti vetra. Tako bo naprava z močjo 300 V proizvajala navedeno količino energije le pri hitrosti zračnih tokov 10–12 m/s.

Tistim, ki želijo izdelati vetrni generator z lastnimi rokami, ponujamo naslednji članek, v katerem so podrobno opisane koristne informacije.

Zaključki in koristen video na to temo

V spodnjem videoposnetku so podrobne informacije o principu delovanja in zgradbi domačega modela vetrnega generatorja:

Vetrni generator je odličen vir proizvodnje električne energije, ki ga bodo še posebej cenili prebivalci oddaljenih krajev. Različna ruska in tuja podjetja ponujajo široko paleto vetrnih naprav, poleg tega pa lahko domače modele izdelate tudi sami.

Prosim, napišite komentarje v spodnjem polju. Povejte nam, kako ste izdelali vetrni generator na svojem zemljišču, ali kako deluje vetrna turbina pri vaših sosedih. Postavljajte vprašanja, delite koristne informacije in fotografije na to temo.