Как устроен и работает ветрогенератор?

Обновлено: 18.08.2021
Как правило, для производства электричества используют промышленные трехлопастные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения.

Устройство и принцип действия ветрогенератора



Устройство ветрогенератора показано на рисунке. Работает он так:

Ветер вращает турбину. Она передает вращение ротору, и через редуктор (который повышает частоту вращения) - электрогенератору, вырабатывающему переменный, трехфазный ток.

Т.к. этот ток нестабильный и с плавающей частотой, он преобразуется (с помощью Инвертора) сначала в постоянный, а потом в стандартный переменный ток 220В/50Гц, который передается в электросеть. Постоянный ток также используется для зарядки аккумулятора, который питает собственные системы ветрогенератора.

Чтобы турбина всегда была повернута к ветру, на гондоле стоит датчик направления ветра. По сигналу датчика включается поворотный механизм гондолы.

Чтобы ветрогенератор не ломался при сильном ветре, в нем предусмотрена Тормозная система, которая снижает скорость вращения или вообще останавливает турбину.

Также в промышленном ветрогенераторе есть:
- система изменения угла атаки лопастей
- система пожаротушения
- телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
- система молниезащиты

Почему турбина ветрогенератора крутится под напором ветра?



Лопасть турбины ветрогенератора имеет форму, подобную крылу самолета. За счет такой формы при напоре ветра на одной стороне лопасти образуется более высокое давление воздуха, чем на другой. Возникает сила тяги, которая толкает лопасть в одном направлении.

Почему в ветрогенераторе обычно 3 лопасти?

Конечно, если бы в ветрогенераторе было 4 или больше лопастей, он бы крутился быстрее при слабом ветре и давал больше мощность. Однако, при сильном ветре возросли бы энергозатраты на торможение турбины и опасность поломки ветряка. Кроме того, турбина бы стала тяжелее и хуже подстраивалась бы под направление ветра. Увеличились бы затраты на строительство и обслуживание ветрогенератора. Поэтому, опытным путем все производители промышленных ветрогенераторов пришли именно к трехлопастной конструкции.

Мощность и КПД ветрогенератора

Средняя мощность промышленного ветрогенератора - 2-3 МВт. Крупнейший в мире коммерческий ветрогенератор имеет мощность почти 9 МВт

Теоретически доказано, что КПД идеальной ветротурбины не может быть выше 59.3%. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 40%.

Однако, при принятии решения о строительстве ветроэлектростанций обычно думают не о КПД, а о рентабельности, которая зависит, в основном, от ветрового паттерна данной местности.

Почему ветрогенераторы обычно такие большие и высокие?

Высота несущей башни ветрогенератора (от основания до оси ротора) - обычно более 100 м.

Основной причиной такой высокой конструкции является то, что вверху скорость ветра всегда больше и стабильнее, а турбулентность меньше. Это происходит из-за снижения трения между движущейся массой воздуха и поверхностью земли. Стабильный ветер - наиболее эффективен для выработки энергии. А турбулентность ветра - наоборот, вызывает износ турбины и увеличивает затраты на обслуживание.

Ну и, конечно, высокое расположение вращающихся лопастей над землей - необходимо для безопасности обслуживающего персонала и случайных прохожих.

Стоимость ветрогенератора

Стоимость строительства промышленного ветрогенератора примерно рассчитывается $1 млн за 1МВт мощности. Например, установка на 3МВт будет стоить примерно $3 млн

18.08.21. Видео: летающий ветрогенератор Awesome


Как известно ветер на большой высоте - сильнее и стабильнее чем около земли. Но даже огромные наземные ветряки с горизонтальной осью (HAWT) до такого ветра не дотягиваются. Немецкий стартап EnerKíte разработал летающий ветрогенератор (планер) Awesome, который летает на больших высотах, описывая замысловатую траекторию из нескольких восьмерок. А наземная станция вырабатывает электричество из крутящего момента, который формируется тросом, к которому привязан планер. Очевидно, кроме энероэффективности, преимуществом такой системы является простота ее развертывания и мобильность. На данном этапе компания разработала рабочий прототип мощностью 30 кВт, который обеспечил самую длительную автономную работу (72 часа +) среди всех производителей подобных систем (AWE) в мире.


2020. Видео: как строили самый большой в мире офшорный ветрогенератор


Компания GE Renewable Energy построила в роттердамском порту Маасвлакте ветровую турбину Haliade-X высотой 260 метров и мощностью 12 МВт. Процесс строительства в быстрой перемотке - показан на видео. Хотя ветрогенератор сконструирован для получения энергии морского ветра, GE установила его на берегу, чтобы упростить процесс тестирования. Компания намерена коммерциализировать турбину в 2021, а во второй половине года запустить серийное производство. Модель Haliade-X уже рассматривается в качестве основной ветровой турбины в нескольких офшорных проектах.


2019. Украинский стартап Sirocco Energy создал поступательный ветрогенератор


Ребята из стартапа Sirocco Energy говорят, что создали идеальный ветрогенератор для городских условий. Говорят, он шумит значительно меньше, чем обычный ветряк, и при этом имеет больше КПД (52% против 35% обычного), безопасен и дешев для производства. Прототип, показанный на видео - якобы выдает 5 кВт. Что ж, судя по видео, у такого ветрогенератора КПД действительно должен быть выше, за счет большего перекрытия рабочей плоскости. Безопасность - тоже лучше (птиц он вряд-ли будет сбивать). Но по остальным параметрам (шум, мощность, стоимость производства) - есть сомнения. Тем не менее, стартап планирует уже начать продажу ветрогенераторов во второй половине 2019. Ветровая панель будет продаваться по цене $2300 за 1 кВт.


2017. Google запустил летающий ветрогенератор


Говорят, на высоте ветер более стабилен. Там - идеальные условия для ветряной электростанции. Остается одна проблема - поднять ветрогенератор на высоту. Ребята из дочерней компании компании Google - Makani, придумали установить ветрогенераторы на планер, привязать его тросом-кабелем к земле и запустить кружить над пустыней. И что интересно - им эта (с первого взгляда, дурацкая) затея - удалась. Аппарат, выполненный в виде самолета с размахом крыла 25,9 метра, подялся на высоту до 305 метров и полетал. Он оснащен восемью небольшими генераторами, которые способны вырабатывать 600 киловатт энергии.


2014. Видео: Ветряные деревья


Обычные ветрогенераторы не устанавливают в городах, потому что они шумят и сбивают птиц. Французский стартап NewWind придумал для городов ветряные деревья. Восьмиметровое дерево, на котором установлены вертикальные вращающиеся листья-турбины способно вырабатывать мощность до 3,1 кВт. При этом оно шумит только при сильном ветре и этот шум теряется в шелесте листьев обычных деревьев. Кроме того, оно выглядит прикольно и будет служить достопримечательностью для туристов. Еще одно преимущество электродерева - оно работает даже при слабом ветре любого направления. Одно такое дерево стоит порядка 29 тысяч евро и (как говорят создатели) окупается за два года, даже если ветер все это время не превышает 3,5 м/с.


2014. EWICON - ветрогенератор без лопастей


Обычные ветрогенераторы имеют ряд недостатков: большое количество движущихся деталей, износ лопастей, шум и прочее. Голландская компания Mecanoo представила пробную модель электростатического ветрогенератора, у которого вообще нет лопастей и движущихся частей. В нем из горизонтально размещенных сопел капает вода. Капли воды имеют положительный заряд, и при обычном раскладе дел эти капли притягиваются к отрицательно заряженным элекродам/поверхностям. Но ветер относит капли в обратную сторону, к положительно заряженным электродам. Таким образом разность потенциалов между электродами увеличивается и течет ток. В общем, идея интересная, но до практической реализации, приносящей энергию в значительных количествах, еще далеко.


2014. В США промышленный ветрогенератор окупается за 5-7 месяцев



Ученые из Орегонского университета провели анализ энергетической окупаемости двух моделей ветрогенераторов (Siemens Gamesa и Elsam) мощностью 2 МВт с заявленным сроком службы 20 лет. Были учтены расходы энергии на добычу полезных ископаемых, производство деталей, доставку частей ветрогенератора с разных заводов, установку на месте, обслуживание в течение всего срока и, в конце концов, его утилизацию с частичной переработкой по окончании срока службы. Выяснилось, что 78% энергии на всём 20-летнем жизненном цикле ВЭУ расходуется на этапе производства, главным образом, на изготовление деталей из стали, меди, стекловолокна, пластмассы и других материалов. Учитывая расчётную мощность ветряной энергоустановки в условиях северо-западного побережья США (6,12 ГВтч в год при загруженности 35%), исследователи оценили срок энергетической окупаемости двух моделей ВЭУ в 5 и 7 месяцев соответственно. За это время окупаются затраты не только на производство, но и эксплуатационные расходы на весь 20-летний срок службы.