Генератор для ветряка — автомобильный, самодельный, магнитный и цены на них, как сделать своими руками

 

Как сделать ветрогенератор своими руками

Использование автомобильного генератора как элемента ветроэлектростанции дает существенные преимущества:

Имеется готовый генератор, который может использоваться без вмешательства в конструкцию или с некоторой модернизацией.
Автомобильный генератор выдает стабильное напряжение, что важно для ветряков с их постоянно меняющейся скоростью вращения.
Используется стандартное оборудование, доступное и не нуждающееся во вмешательстве в конструкцию.
Автомобильные генераторы широко распространены, что делает их ремонтопригодными и доступными для замены при необходимости.

Наряду с достоинствами имеются и некоторые недостатки:

• Автомобильный генератор нуждается в высокой скорости вращения, что требует использования повышающего редуктора или изменений в конструкции устройства.
• Ресурс автомобильного генератора ограничен примерно 4000 часами работы (в среднем). Даже новый генератор не выдержит и года непрерывной работы и потребует ремонта.
• Система возбуждения некоторых генераторов требует подачи напряжения на катушку, что вынуждает изменять конструкцию и устанавливать постоянные магниты.

Несмотря на имеющиеся недостатки, автомобильный генератор считается оптимальным вариантом, возможным при самостоятельном создании ветроэлектростанции.

Как работает ветрогенератор

Ветрогенератором (ветроэлектрической установкой – сокращённо ВЭУ) называют устройство, которое используя потоки ветра, преобразует механическую энергию в электрическую.

Есть три типа ВЭУ:

1. Промышленные – отличаются большой мощностью (до 8 МВт). Используются госкомпаниями или крупными промышленными организациями. Часто объединяются в единую сеть.
2. Коммерческие – средние по габаритам и выдаваемой энергии. Применяются небольшими компаниями.
3. Бытовые – устанавливаются на территории дачных участков, возле частных домов.

Общая схема работы:

• Ветер раскручивает винт установки, воздействуя на его лопасти;
• Через вал (и/или редуктор) крутящий момент сообщается генератору, который вырабатывает переменный ток;
• При помощи инвертора характеристики тока стабилизируются;
• Происходит зарядка аккумулятора, а от него запитываются потребители электроэнергии.

Ветрогенератор можно изготовить самостоятельно

Ветрогенераторы отличаются тем, что для их работы не требуется топливо, при функционировании нет отходов, не выделяются выхлопные газы. Кроме периодического технического обслуживания, ВЭУ не требуют никаких вложений финансов.

Но есть и минусы: в маловетреных регионах работа таких установок не будет эффективной.

Генератор для ветряка из автогенератора

Генератор является таким же основным элементом ветряка, как и крыльчатка. Если лопасти рабочего колеса преобразуют энергию ветра во вращательное движение, то генератор вращение превращает в электроэнергию. Его конструкция и возможности определяют производительность и мощность установки, способность работы на слабых потоках ветра.

При изготовлении ветряков вопрос об использовании самодельного или готового генератора встает практически всегда. Чаще всего к решению подходят комбинированным способом — используют готовый автомобильный генератор, иногда без конструктивных изменений, но чаще всего — с некоторыми доработками, повышающими чувствительность или выходную мощность.

Автомобильные генераторы представляют собой готовые устройства, созданные для выработки электрического тока заданного напряжения. Оно постоянно на выходе, что обеспечивает стабилизатор (регулятор) напряжения, удерживающий значения в узких рамках. Единственная особенность, требующая вмешательства, это режим работы — автомобильные генераторы приводятся от двигателя и работают на больших скоростях.

Причем, скорость вращения двигателя автомобиля не постоянна, она меняется на протяжении всего времени работы в значительных пределах — от 800 об/мин до 6000 об/мин, а иногда и больше. Кроме того, автомобильный генератор имеет предел по силе тока, превысить который устройство не сможет ни при каких обстоятельствах.

Ветрогенераторы своими руками на 220 в

Для того, чтобы собрать ветроуловитель нам понадобятся: генератор на 12 вольт, аккумуляторные батареи, преобразователь с 12 v на 220 в, вольтметр, медные провода, крепежи (хомуты, болты, гайки).

Чтобы ветрогенератор получился практичным и качественным, перед его изготовлением лучше дополнительно ознакомиться с подробной инструкцией

Изготовление любого ветряка предполагает наличие таких этапов как:

1. Изготовление лопастей. Лопасти вертикального ветрогенератора можно сделать из бочки. Нарезать детали можно при помощи болгарки. Винт для небольшого ветряка можно изготовить из трубы ПВХ с сечением в 160 мм.
2. Изготовление мачты. Мачта должна быть высотой не менее 6 метров. При этом, для того, чтобы крутящее усилие не сорвало мачту, ее необходимо закрепить ее на 4 растяжки. Каждую растяжку, при этом, нужно намотать на бревно, которое следует закопать глубоко в землю.
3. Установка неодимовых магнитов. Магниты наклеиваются на диск ротора. Лучше выбирать прямоугольные магниты, магнитные поля в которых сосредотачиваются по всей поверхности.
4. Намотка катушек генератора. Намотка выполняется медной нитью с диаметром не менее двух мм. При этом, мотков должно быть не более 1200.
5. Фиксация лопастей к трубе при помощи гаек.

При наличии мощных аккумуляторных батарей и инвертора, полученное устройство сможет выработать такое количество электричества, которого будет достаточно для использования бытовой техники (например, холодильника и телевизора). Отлично подойдет такой генератор для поддержания работы систем освещения, отопления и вентиляции небольшого дачного домика, теплицы.

Обслуживание ветрогенератора

Ветрогенератор, как и любое другое устройство, нуждается в техническом контроле и обслуживании. Для бесперебойной работы ветряка периодически проводят следующие работы.

Схема работы ветрогенератора

1. Наибольшего внимания требует токосъёмник. Щётки генератора нуждаются в чистке, смазке и профилактической регулировке раз в два месяца.
2. При первых признаках неисправности лопастника (дрожание и разбалансировка колеса) ветрогенератор опускают на землю и ремонтируют.
3. Раз в три года металлические детали покрывают антикоррозийной краской.
4. Регулярно проверяют крепления и натяжение тросов.

Теперь, когда установка окончена, можно подключать приборы и пользоваться электроэнергией. По крайней мере, пока ветрено.

Самодельный ветрогенератор: достоинства и недостатки

Установка ветряка может понадобиться в том случае, если к вашему участку не подведено электричество, в сети электропередач постоянно возникают перебои или вы хотите сэкономить на оплате электроэнергии. Ветряк можно приобрести, а можно изготовить своими силами.

Преимущество самодельного ветрогенератора заключается в значительной экономии средств

Самодельный ветрогенератор обладает такими достоинства:

• Он позволяет сэкономить средства на покупку заводского устройства, ведь изготовление чаще всего производится из подручных деталей;
• Идеально подходит под ваши потребности и условия эксплуатации, ведь мощность устройства вы рассчитываете самостоятельно, учитывая плотность и силу ветра в вашем регионе;
• Лучше гармонирует с оформлением дома и ландшафтным дизайном, ведь внешний вид ветряка зависит только от вашей фантазии и умений.

К недостаткам самодельных устройств можно отнести их ненадежность и недолговечность: часто самоделки делают из старых двигателей от бытовых приборов и машин, поэтому они быстро выходят из строя. Вместе с тем, для того, чтобы ветродвигатель был эффективным, необходимо правильно произвести расчет мощности устройства.

Правила установки

Рекомендуется устанавливать ветряк на относительно дальнем расстоянии от дома и других сооружений (от 20 метров и более). Желательно выбрать для этого открытое пространство. Кроме того, учитывайте плотность почвы: от неё зависит длина клиньев, предназначенных для растяжки мачты, а также материал для их изготовления. Если грунт мягкий, нужно подбирать более массивный и длинный клин, чем в случае с твёрдой почвой. Их необходимо использовать не менее трёх. Идеальным вариантом, который обеспечит наибольшую надёжность, является обустройство четырёх клиньев.

Способы растяжки выбираются с учётом длины мачты и состояния почвы. Для высоких конструкций, которые устанавливаются на мягком грунте, к клиньям предъявляются более жёсткие требования.

Нижняя часть мачты крепится болтами к металлической подставке и бетонируется

Мачта опускается в почву на глубину от 0,5 метров или ниже, крепления растяжек бетонируются, поскольку грунту свойственна рыхлость после дождя. Эта особенность может привести к тому, что они ослабнут и создадут угрозу падения всей конструкции.

Если мачта не опускается, значит, нужно предусмотреть устройство для подъёма к главным элементам ветрогенератора, что позволит проводить его обслуживание. Средство для подъёма на высоту следует закрепить на мачте, ведь оно должно обеспечивать надёжность и удобство во время проведения ремонтных работ. Необходимо понимать, что скорость ветра может быть высокой, в связи с чем рекомендуется построить площадку с приваренной лестницей.

Что касается высоты мачты, она должна на 10 метров превосходить наивысшую помеху, которая находится в радиусе 100 метров.

Нужно ли браться за изготовление ветряка?

Ответить на вопрос нужен или не нужен ветрогенератор, каждый должен для себя сам. Но вот если вопрос стоит остро и существует лишь дилемма покупать ветряк или делать, мы приведем вам конкретные цифры. Ветрогенератор китайского производства в сборе «со всеми потрохами» и монтажом (что называется «под ключ») обойдется вам в 75 000 рублей и это по докризисным ценам. Ветрогенератор из стиральной машины, сделанный своими руками обойдется в среднем в 3500 рублей (может быть чуть дороже, если есть «напряг» с металлоломом). Как говорится, почувствуй разницу.

Разумеется, дело не только в деньгах, чтобы «довести до ума» самодельный ветрогенератор, потребуется немало времени, смекалка и «золотые руки», но в целом результат стоит того, ведь на выходе вы получите стабильное устройство мощностью 2,5 кВт. Этого хватит, чтобы по минимуму электрифицировать небольшую дачу. В частности, наш ветряк обеспечивает освещение двух комнат дачного домика, работу компьютера и небольшого переносного телевизора.

Особенности конструкции лопастей

Относительно конструктивных особенностей лопастей будущего генератора следует отметить, что они не должны быть слишком длинными, а их общее количество обычно не превышает трёх. Подобный выбор объясняется тем, что вес вращающихся элементов в этом случае будет меньше, и риск их разрушения резко снижается.

Обратите внимание! В ряде промышленных образцов используются длинные и сравнительно тяжёлые лопасти, но при этом в их конструкции предусмотрен изменяющийся угол наклона плоскости вращения. Такое устройство подвижного механизма позволяет менять обороты с одновременным снижением уровня шумности

Такое устройство подвижного механизма позволяет менять обороты с одновременным снижением уровня шумности.

Примерная стоимость самого недорого образца промышленной ветроустановки мощностью до 1 кВт составляет около 50-ти тыс. руб. и более. Для большинства пользователей такая сумма оказывается абсолютно «неподъёмной». Этим объясняется желание многих из них попытаться изготовить ветряной агрегат самостоятельно, воспользовавшись возможностями старого, но ещё рабочего автогенератора.

Ветровое колесо

Лопасти, пожалуй, самая важная часть ветрогенератора. От конструкции будет зависеть работа остальных узлов устройства. Изготавливают их из разных материалов. Даже из пластиковой канализационной трубы. Лопасти из трубы просты в изготовлении, стоят дёшево и не подвержены воздействию влаги. Порядок изготовления ветроколеса следующий:

1. Необходимо рассчитать длину лопасти. Диаметр трубы должен быть равен 1/5 от общего метража. К примеру, если лопасть будет метровая, то подойдёт труба диаметром 20 см.
2. Разрезаем трубу лобзиком вдоль на 4 части.
3. Из одной части изготавливаем крыло, которое послужит шаблоном для вырезания последующих лопастников.
4. Заусенца на краях сглаживаем абразивом.
5. Лопасти фиксируют к алюминиевому диску с приваренными полосами для крепления.
6. Далее к этому диску прикручивается генератор.

Лопасти для ветрового колеса

После сборки ветроколесо нуждается в балансировке. Его закрепляют на штативе горизонтально. Операцию проводят в закрытом от ветра помещении. В случае правильно проведённой балансировки колесо не должно двигаться. Если же лопасти вращаются сами, то их требуется подточить до придания равновесия всей конструкции.

Только после успешного завершения данной процедуры следует перейти к проверке точности вращения лопастей, они должны крутиться в одной плоскости без перекоса. Допускается погрешность в 2 мм.

Схема сборки генератора

Что представляет собой ветрогенератор?

Ветрогенератор — это комплекс механических устройств, относящиеся к альтернативному источнику электроэнергии, которые преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую при помощи лопастей, а потом в электрическую.

Ветрогенератор — альтернативный источник энергии для частного дома

Современные модели имеют три лопасти, это обеспечивает больший КПД установки. Минимальная скорость ветра, при которой запускается ветряк – 2-3 м/с. Также в технических характеристиках всегда указывается номинальная скорость – показатель ветра, при котором установка дает максимальный показатель КПД, обычно это 9-10 м/с. При скорости ветра ближе к 25 м/с, лопасти приобретают перпендикулярное положение относительно ветра, за счет чего выработка энергии значительно падает.

Для того чтобы обеспечить частный дом электроэнергией, при скорости ветра 4 м/с, достаточно:

• 0,15-0,2 кВт для основных потребностей: освещение комнат, телевизор;
• 1-5 кВт для обеспечения работы основных электроприборов (холодильник, стиральная машинка, компьютер, утюг и др.) и освещения;
• 20 кВт обеспечит энергией весь дом, включая отопление.

Т.к. ветер может в любое время прекратится, ветряк не подключают напрямую к электроприборам, а к аккумуляторным батареям с контроллером заряда. Т.к. аккумуляторные батареи производят переменный ток, а для бытовых приборов нужен постоянный в 220В, устанавливают инвертор, к которому и подключают все электроприборы. К недостаткам ветрогенераторов можно отнести производимый от них шум и вибрацию, особенно это касается мощных установок, более 100 кВт.

Виды лопастей ветрогенератора

Самовозбуждение автомобильного генератора

Чтобы генератор самовозбуждался без аккумулятора в ротор нужно поставить пару маленьких магнитиков. Если катушку возбуждения запитать от аккумулятора, то она постоянно и не зависимо от того вырабатывает энергию или нет ветрогенератор, будет потреблять свои 3 ампера и заряжать аккумулятор. Чтобы этого не происходило нужно поставить блокирующий диод, чтобы ток шол только в акб, а обратно не уходил.

Катушку возбуждения можно запитать от самого генератора, минус на от корпуса, а плюс от плюсового болтика. А в зубы ротора нужно поставить пару маленьких магнитиков для самовозбуждения. Для этого можно просверлить сверлом дырочки и на клей посадить маленькие неодимовые магнитики. Если нет неодимовых магнитов то можно вставить обычные ферритовые от динамиков, если маленькие, то просверлится и вставить, или проложить между когтей и залить эпоксидной смолой.

Так-же можно использовать так-называемую таблетку, то-есть реле-регулятор как в автомобиле, который будет отключать возбуждение если напряжение АКБ достигло14.2 вольта, чтобы не перезарядить. Ниже на рисунке схема самовозбуждения генератора. Вообще генератор сам возбуждается так-как ротор имеет остаточную намагниченность, но это происходит на высоких оборотах, лучше для надёжности добавить магниты. В схему включен реле-регулятор, но его можно исключить. Развязывающий диод нужен чтобы аккумулятор не разряжался так-как без диода ток будет течь в обмотку возбуждения (ротор).

Так-как ветрогенератор будет очень маленький с винтом диаметром всего 1 метр, то никакие защиты от сильного ветра не нужны и с ним ничего не случится если будет крепкая мачта и крепкий винт.

Есть генераторы на 28 вольт, но если их использовать для зарядки 12 вольт АКБ, то оборотов нужно в два раза меньше, около 600 об/м. Но так-как напряжение будет не 28 вольт, а 14, то катушка возбуждения будет давать только половину мощности и напряжение генератора будет меньше, по-этому ничего не получится из этого. Можно конечно попробовать в генератор, статор которого намотан на 28 вольт, поставить ротор на 12 вольт, тогда должно быть получше и зарядка начнётся раньше, но тогда нужны два одинаковых генератора чтобы заменить ротор, или искать отдельно ротор или статор.

Подготовительный этап

Перед тем как приступать к созданию ветряной установки, необходимо подготовить и собрать все составные элементы будущей конструкции. Подготовка начинается с выбора автомобильного генератора. Он должен обладать повышенной мощностью, поэтому лучше всего подойдет агрегат с грузового автомобиля или автобуса. Все остальные узлы рекомендуется брать с одной и той же машины, чтобы не нарушать комплектность. В первую очередь это касается аккумулятора, реле и других деталей.

Поскольку потребители должны обеспечиваться переменным током, нужно заранее позаботиться о приобретении инвертора или другого преобразователя. Мощность инвертора должна соответствовать мощности будущего ветрогенератора.

• Генератора
• Аккумуляторная батарея
• Реле зарядки аккумулятора
• Вольтметр
• Материал для изготовления лопастей
• Болты в комплекте с гайками и шайбами
• Хомуты для креплений

Могут потребоваться и другие детали, в зависимости от индивидуальных особенностей конструкции. Далее, прежде чем изготавливать ветряк своими руками из автомобильного генератора, необходимо выполнить расчеты, для которых используется мощность генератора и инвертора, емкость аккумулятора и другие параметры, в том числе и количество потребителей, имеющихся в доме. Расчет мощности следует производить в зависимости от напора ветра и площади лопастей, на которые воздействует ветер. Как правило, работа установки начинается при скорости ветра 2 м/с, а максимальная эффективность наступает при 10-12 м/с.

Из всех предлагаемых формул рекомендуется воспользоваться наиболее простой. Для определения мощности установки необходимо площадь винта умножить на коэффициент 0,6. Полученное значение вновь умножается на скорость ветра, возведенную в третью степень. Окончательный результат сравнивается с потенциальными потребностями. Если мощности достаточно, то можно приступать к монтажу установки. Если же потребности не обеспечиваются, в этом случае можно воспользоваться несколькими ветрогенераторами малой мощности или гибридной установкой, в состав которой входят солнечные батареи.

В большинстве частных домов среднемесячное потребление электроэнергии составляет 360 квт, при средней нагрузке 0,5 квт и пиковой – 5 квт. Таким образом, потребуется ветрогенератор, мощностью 5 квт, способный потянуть имеющуюся нагрузку. Если же потребление будет превышать нормативное значение или ветер будет стабильно слабым, в этих условиях установка не сможет нормально работать.

Ветряная электростанция из автомобильного генератора: преимущества и недостатки

Самодельный ветрогенератор можно сконструировать из:

• электродвигателя, демонтируемого с фрезерного станка;
• роторной части шуруповёрта или дрели;
• скутерных мотор-колёс;
• компьютерного кулера;
• двигателя от стиральной машины;
• автомобильного генератора.

Последний вариант используется чаще всего, поскольку он имеет массу достоинств, а также для многих является наиболее доступным.

Преимущества ветряной станции на основе автомобильного генератора:

• быстрота сооружения;
• дешевизна;
• ремонтопригодность;
• тихая работа;
• синхронность (выдаётся стабильное напряжение);
• возможность использования стандартных аккумуляторов на 12 Вольт.

Что касается недостатков, их всего три:

1. Такой вид ветрогенератора нуждается в высокой скорости, составляющей до 2000 оборотов в минуту, поэтому он менее надёжный, чем специализированные устройства.
2. Гарантия на генераторы автомобиля составляет около 4000 часов работы. Учитывая это, несложно догадаться, что ветрогенератор потребует ежегодного ремонта. Однако в данном случае не придётся слишком тратиться, можно просто заменить устройство, вышедшее из строя.
3. Многие генераторы обладают электромагнитным возбуждением, что снижает КПД (около 15% энергии приходится на катушку возбуждения).

Разбор ошибок конструирования

Сборка ветрогенератора в бытовых условиях собственными руками – дело, конечно же, не безошибочное. Даже в конструкциях промышленных ветряков инженерами допускаются ошибки. Но на ошибках учатся, о чём подтверждают вполне состоявшиеся бытовые конструкции.

Итак, среди ошибок при устройстве бытовых ветряных генераторов часто фигурирует такая деталь, как отсутствие в конструкции генератора модуля торможения. Стандартное исполнение таких приборов (автомобильных или тракторных) такой детали не предусматривает. Значит, генератор необходимо дорабатывать.

Однако не каждому «конструктору» хочется заниматься этим тонким делом. Многие игнорируют эту деталь, надеясь на «авось».

Как результат – при сильном ветре винт раскручивается до неимоверно высоких скоростей. Подшипники генератора не выдерживают, разбивают посадочные места алюминиевых крышек. Происходит клин ротора.

Разрушенный ветрогенератор по причине недоработок в конструкции. Ошибки конструирования и монтажа подобных конструкций приводят к тяжёлым последствиям

К этой же теме относится недоработка, связанная с отсутствием ограничителя поворота флюгера. Нередко этот компонент попросту забывают установить и вспоминают только тогда, когда потоки ветра начинают раскручивать «петушка» вокруг своей оси, как юлу в передаче «Что? Где? Когда?». Результат плачевный.

Минимум ущерба – перекручивание и обрыв электрического кабеля, а в тяжёлых случаях – разнос всей конструкции.

Другая примечательная ошибка сборки – неправильный расчёт точки центра тяжести на основании флюгера. В этом случае устройство какое-то время может функционировать нормально. Но со временем образуется перекос на подшипниковом узле, свобода вращения ограничивается, эффективность конструкции по отдаче энергии резко снижается.

Нередко током, полученным от генератора, пытаются напрямую питать аккумуляторную батарею. Совсем скоро начинают удивляться – почему аккумулятор не держит заряд или обнаруживают пробой 2-3 банок.

Это банальная и естественная ошибка, так как в любом случае заряд АКБ должен проходить в условиях определённых токов и напряжений. Здесь нужен контроль этого процесса.

Технология проведения работ

Мастер должен увеличить число витков в 5 раз, это позволит уменьшить диаметр провода. На холостых оборотах напряжение будет равно 20 В. Если произвести загрузку с помощью электрической лампочки, позаимствованной от автомобильной фары на 60 свечей, то вольтметр покажет 12 В, тогда как амперметр — 5 А. Если вам покажется незначительным, что 1,3-киловаттный генератор выдает 60 ватт, можно использовать редуктор. Это обусловлено тем, что 600 оборотов в минуту является слишком маленьким показателем для сравнения с генератором автомобиля. Мощность будет расти пропорционально по отношению к количеству оборотов. Если удастся приобрести неодимовые магниты, размер которых составит 50 x 20 x 5 миллиметров, в количестве 12 штук, то можно изготовить новый ротор.

Основные элементы конструкции

Несмотря на большое разнообразие ветрогенераторов и способов их изготовления, все они состоят из одинаковых конструктивных элементов.

Ветровое колесо

Лопасти считаются одним из важнейших элементов ветровой установки. Их конструкция влияет на работу других узлов генератора. Для изготовления лопастей применяются различные материалы.

Перед изготовлением нужно выполнить расчеты длины лопасти. Если для изготовления берется труба, то ее диаметр должен быть не менее 20 см, при запланированной длине лопасти в 1 метр. Далее труба разрезается на 4 части с помощью лобзика. Одна часть используется для изготовления шаблона, по которому вырезаются остальные лопасти. После этого они собираются на общем диске, и вся конструкция закрепляется на валу генератора. Собранное ветровое колесо необходимо отбалансировать. Балансировка должна выполняться в помещении, закрытом от ветра. Если операция проведена правильно, колесо не будет самопроизвольно вращаться. В случае самопроизвольного вращения лопастей, они подтачиваются до тех пор, пока вся конструкция не придет в равновесие. В самом конце проверяется точность вращения лопастей. Они должны вращаться в одной плоскости, без каких-либо перекосов. Допустимая погрешность составляет 2 мм.

Мачта

Следующим элементом конструкции ветрогенератора является мачта. Чаще всего она изготавливается из старой водопроводной трубы, диаметр которой должен быть не 15 см, а длина – до 7 метров. Если в радиусе 30 метров от запланированного места установки имеются какие-либо сооружения или постройки, в этом случае высота мачты увеличивается.

Для того чтобы вся установка работала максимально эффективно, колесо с лопастями поднимается выше окружающих препятствий не менее чем на 1 метр. После установки основание мачты и колышки для крепления растяжек заливаются бетоном. В качестве растяжек рекомендуется использовать оцинкованный трос, диаметром 6 мм.

Генератор

Для ветровой установки можно использовать любой автомобильный генератор, желательно с более высокой мощностью. Они все обладают идентичной конструкцией и требуют переделки. Подобная переделка автомобильного генератора для ветряка предполагает перемотку проводника статора, а также изготовление ротора с использованием неодимовых магнитов. Чтобы их надежно зафиксировать, требуется высверлить отверстия в полюсах ротора. Установка магнитов выполняется с чередованием полюсов. Сам ротор оборачивается бумагой, а все пустоты, образующиеся между магнитами, заливаются эпоксидной смолой.

В процессе наклейки магнитов должна соблюдаться их полярность. Поэтому ротор подключается к источнику питания. Включенный ротор создает магнитное поле и каждый магнит приклеивается на свое место той стороной, которая притягивается.

Для подключения ротора можно использовать любой блок питания, напряжением 12 вольт и силой тока от 1 до 3 ампер. Подключение осуществляется таким образом, что съемное кольцо, расположенное ближе к клыкам, является минусом, а положительная сторона располагается ближе к концу ротора. Магниты, установленные в промежутки ротора или клыки, вызывают самовозбуждение генератора, и это считается их основной функцией.

В самом начале вращения ротора, магниты начинают возбуждать ток в генераторе, который также поступает на катушку, приводя к увеличению магнитных полей клыков. В результате, генератор выдает ток с еще большей величиной. Получается своеобразный круговорот тока, когда происходит возбуждение генератора и дальнейшее питание собственного ротора, на который установлены электромагнитные полюса. Собранный генератор необходимо опробовать и произвести измерения полученных выходных данных. Если агрегат при 300 оборотах выдает примерно 30 вольт, то это считается нормальным результатом.

Окончание сборки ветряной установки

Для изготовления рамы генератора используется профильная труба, для хвоста – оцинкованная жесть. Конструкция поворотной оси состоит из трубки с двумя подшипниками. Крепление генератора к мачте осуществляется таким образом, чтобы расстояние от мачты до лопастей составляло не менее 25 см. В целях обеспечения безопасной сборки и монтажа, все работы следует выполнять в безветренную погоду. Сильный ветер может погнуть лопасти, и они разобьются о мачту.

Если для питания потребителей, работающих от сети 220 вольт, планируется использовать аккумуляторы, то в этом случае потребуется установка инвертора, выполняющего преобразование напряжения. Емкость аккумуляторной батареи подбирается в зависимости от технических характеристик генератора. На этот показатель оказывают влияние скорость ветра в данной местности, общая мощность подключаемых потребителей и частота их использования.

Для того чтобы предотвратить выход аккумуляторов из строя под влиянием чрезмерной зарядки, необходимо использовать контроллер напряжения, который бывает самодельный или заводского изготовления. Готовый ветряной генератор необходимо периодически обслуживать и своевременно производить регламентные работы.

Автомобильный инвертор с 12 на 220

АВР для генератора

Генератор переменного тока: принцип работы

Принцип работы генераторов переменного тока

Подготовительные мероприятия перед работой

Перед началом работы необходимо определиться, какое именно устройство хотите сделать, так как существует несколько видов ветрогенераторов:

• роторный;
• аксиальный, на магнитах и т.д.

Бывает два расположения оси:

• горизонтальное – самое распространённое, КПД у такого вида в 2 раза больше;
• вертикальное – устанавливается внизу, так как имеет большой вес. А ветер внизу тише в 2 раза и, следовательно, мощность устройства уменьшается раз в 8. Преимущество – в меньшем шуме и удобстве использования.

Независимо от типа конструкции, для изготовления самодельного ветрогенератора следует запастись:

• автомобильным генератором;
• вольтметром;
• реле зарядки аккумулятора;
• регулятором напряжения для переменного тока;
• материалом для изготовления лопастей;
• аккумулятором кислотным или гелиевым;
• коробкой для закрывания провода;
• ёмкостью (нержавеющая кастрюля или ведро из алюминия);
• выключателем на 12 вольт;
• электрическим трёхжильным кабелем (сечение не меньше 2,5 мм кв.);
• старой водопроводной трубой (диаметр не меньше 15 мм, длина 7 м);
• лампочкой-зарядкой;
• четырьмя болтами с гайками и шайбами;
• металлическими хомутами для крепления.

Кроме того, необходимо иметь для работы специальные инструменты:

• болгарку с дисками;
• маркер;
• шуруповёрт;
• дрель и свёрла;
• ножницы по металлу;
• набор накидных ключей;
• газовые ключи разных номеров;
• кусачки;
• рулетку.

Рекомендации

Перед тем как приобретать установку или пытаться ее собрать самостоятельно, следует оценить экономический эффект от ее применения.

Кроме этого, перед установкой ветрогенератора рекомендуется проводить аэрологию места установки.

На карте скорости ветров имеется три зоны, каждой из которых соответствуют свои типы установок:

1. Для зоны ветров со скоростями менее 3 м/с рекомендуется использование устройств с парусными рабочими колесами. Эти установки способны работать при малом ветре и обеспечивать мощность до 2-3 кВт.
2. При ветре до 5 м/с возможно применение фабричных установок или самодельных вертикальных конструкций.
3. В районах со скоростями ветра более 5 м/с оправдано применение любых установок. Все зависит от бюджета и необходимой мощности.

Карта скорости ветров

Особенности сборки ветрогенератора из стиральной машины своими руками

Рассмотрим, как сделать ветрогенератор на 220В своими руками, используя двигатель стиральный машины старого образца.

Таблица 1. Подробная инструкция ветрогенератора из стиральной машины с фото

Что необходимо сделать/ Фотопример

Следует купить неодимовые магниты, которые монтируются в углубления на роторе двигателя. Сами выемки делаются на токарном станке, для правильного размещения используйте схему.
Приклеивать магниты надо на суперклей в подготовленные углубления. Затем, их следует обернуть бумагой, а остальное пространство залить эпоксидкой.
Далее готовим ось, которую лучше заказать у токаря. Внутри полой конструкции должно остаться место для кабеля и отверстие для его входа. Держатель монтируем из железного прута. Для него используем болгарку, которой отрезаем две трубки (на них закрепляете генератор), а с другого конца следует приварить.
Переходим к лопастям, которые можно изготовить из 16 см трубы для наружной канализации. В данном случае используйте лобзик.
Осталось собрать ветрогенератор, закрепив все элементы. Для начала на несущую рейку крепим генератор, лопасти, ротор и хвост. Не забудьте закрыть генератор кожухом.
Силовую установку следует крепить при помощи шарнирного механизма, а мачта монтируется в бетонное основание на 4 болта.
Проведите провод до распределительного щитка.
Подключите все элементы и проведите тестирование работоспособности.

Чтобы было проще понять всю последовательность действий при сборке ветряной электростанции своими руками из старой стиральной машинки, посмотрите видео:

Принцип работы

Устройство состоит из ротора с лопастями, электрогенератора, мачты для установки, инверторов, аккумулятора, контролёра заряда, проводов, по которым проходит электроэнергия. Мачта может быть с растяжками и без них. В зависимости от типа сооружения, иногда она способна опускаться для профилактики или ремонта устройства.

Ветрогенератор — устройство для преобразования энергии силы ветра в электрическую

Работа ветрогенератора включает в себя 5 основных этапов:

1. Ветер раскручивает ротор или лопасти.
2. Происходит соединение электрогенератора и ротора.
3. Выработанная энергия поступает сначала на контролёр заряда, а после этого на аккумулятор.
4. Затем она проходит к инверторам и преобразуется из 12 в 220 Вольт (или из 24 в 380 Вольт).
5. Электроэнергия подаётся в сеть.

Мощности ветрогенератора хватает для уличного освещения, сигнализации и других устройств

Правильный выбор генератора для ветряка

Конструкция всего агрегата состоит из основных и вспомогательных элементов.

В список главных элементов ветрогенератора входят:

К вспомогательным элементам этого “технологического прорыва” относятся:

1. Батареи, которые в свою очередь состоят из аккумуляторов.
2. Инвертор (его можно еще назвать контроллером).
3. Также к вспомогательным элементам относится автоматический переключатель источника питания.

Устройство:

1. Мачта, пропеллер и генератор. Их назначение всем понятно: На огромной мачте, стоит пропеллер, ветер приводит его в движение, он крутится, образуя энергию. Далее эта полученная энергия направляется к генератору, он в свою очередь генерирует простую энергию ветра в электроэнергию.
2. Контролер. Задача контролера заключается в том, чтобы преобразовать переменный ток в постоянный, чтобы его можно было накапливать в аккумуляторы.
3. Инвертор. Он работает в обратном режиме, относительно контролера. При выходе постоянного тока из аккумуляторов, инвертор перебазирует его на переменный, который пригоден для работы с бытовыми электроприборами.
4. Аккумулятор. Его предназначение понятно всем – он накапливает в себе полученную энергию и выполняет работу ресивера.
5. Автоматический переключатель источника питания обеспечивает непрерывную доставку электроэнергии, переключаясь между источниками. Например, если пропал ветер и ваш ветряк не может предоставить то количество энергии, которое нужно, то переключатель переформируется на дизельную электростанцию.

На что нужно обратить внимание?

1. При выборе ветрогенератора для домашнего использования, нужно обратить внимание на коэффициент использования ветра и, конечно же, самое главное – это мощность. В хороших вариантах ветрогенераторов для дома, коэффициент достигает до 45%, что является очень продуктивным. Мощность же на домашних приспособлениях начинается от 300 Вт до 10 кВт (второго показателя с головой хватит на то, чтобы в вашем доме работали все электрические приборы).
2. Очень важным аспектом при выборе ветряка для дома является его быстроходность. В стандартных версиях она колеблется от 5 до 7 единиц. К примеру, если вы выбрали ветряк с единицей быстроходности “5”,- то это значит, что при ветре 10 метров в секунду ваш пропеллер будет крутится со скоростью в 5 раз быстрее, то есть 50 метров в секунду.

Создаются как стандартные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения, так и вертикально-ориентированные, их винт представляет не вертикальную, а горизонтальную крыльчатку. При выборе второго устройства, не нужно ориентироваться на направление ветра, однако они сложнее в производстве, установке и эксплуатации, поэтому огромной популярностью они не пользуются.

От чего зависит эффективность работы:

1. Конструкции определенного агрегата. От этого зависит многое, ведь у каждого ветряка свои особенности в сборке, поэтому и по производительности каждый из них будет отличатся. Многое зависит от размеров самого ветряка и легкости его лопастей. Не малую роль играет и сам генератор (сердце всей конструкции).
2. Погодных условий местности, на которой установлен ветряк. Как и было сказано ранее, нет смысла устанавливать эту штуку на не ветряной местности. Установив его в условиях низкой ветрености, вы никакой пользы от него не получите.

Установка

Монтаж ветряка очень сложная процедура. Первым делом, следует купить закладные в фундамент, детали крепления. Затем, следует залить бетонную основу, которая будет держать ваш агрегат. При заливке фундамента, нужно сразу установить купленные ранее элементы для крепления. После того, как фундамент залит, он должен простоять 21 день, прежде чем начинать установку мачты.

Далее, идет работа посложнее. Самому вам не справится, нужен специально обученный персонал и тяжелая техника (подъемный кран обязательно). Сборка одного ветрогенератора для дома, займет не менее одного целого дня.

Все работы связанные со сборкой и установкой оборудования (сюда входят и подсоединение к сети, подключение всей проводки, сборка всего агрегата и так далее), должны осуществляется исключительно квалифицированными работниками.

Самодеятельность в этом сложном деле не приветствуется. Монтировка всего оборудования осуществляется в сухом помещении с температурой от 10 до 30 градусов Цельсия. Специальные работники, которые монтировали и устанавливали оборудование, должны предоставить пакет услуг, по которому они обязаны будут в период эксплуатации ремонтировать ветрогенератор.

Плюсы использования ветрогенератора у себя дома:

1. Самым главным преимуществом является бесплатная электроэнергия. Заплатив однажды за все оборудование и установку этого агрегата, вам больше не придется платить за электроэнергию. Теперь вы сами еще вырабатываете.
2. Очень частое явление, когда в сложные времена года, происходят перебои энергоснабжения. Происходит это зачастую из-за порванной линии, либо какие-то проблемы с трансформатором. Установив у себя дома ветрогенератор, на ваши электроприборы больше не повлияет погода. В сложных погодных условиях, ветряк будет работать даже быстрее обычного режима.
3. Эти агрегаты безопасны для окружающей среды и практически не производит шума при работе. Это значительно лучший вариант энергии, нежели тот, из-за которого уничтожается экосистема планеты.
4. Ветряк очень хорош в техническом понимании. Ведь он может работать в сочетании с несколькими источниками энергии, например: дизельная электростанция, солнечные батареи и так далее. Это удобно, если какой-то источник электричества на полную силу не может обеспечить ваш дом энергией.

Минусы ветрогенераторов:

1. Первый значительный минус – это конечно зависимость от погодных условий. Ветряк не станет работать там, где слабые потоки ветра. Устанавливать его разумно лишь на побережье моря и в местах, где повышена ветреность. Установив ветрогенератор у себя дома, на местности, где потоки ветра ниже среднего показателя, вы никогда не добьетесь того, чтобы этот вид добычи электричества был основным.
2. Цена тоже не очень приятна. Стоит такое удовольствие очень и очень дорого. Окупиться этот агрегат сможет, в лучшем случаи спустя лишь 10 лет. Сам генератор, мачта и ветряк – это лишь 30 процентов стоимости всей конструкции, остальную долю берут на себе аккумуляторы и инвертор. К тому же сами аккумуляторы на сегодняшний день не долговечны, и вам придется очень часто производить их замену, что тоже будет сильными ударами бить по вашему карману.
3. Безопасность этого альтернативного добытчика энергии не самая продвинутая. Лопасти при сильном износе попросту могут оторваться и принести значительный ущерб имуществу, или что еще хуже – жизни человека.

Видео по установке ветрогенератора:

Как относится законодательство к установке ветрогенератора у себя на участке?

1. По закону всех стран бывшего СССР, законодательство по энергоресурсам не сертифицирует ветряки, поэтому при установке ветряка у себя на участке, вам не нужно брать какие-либо сертификаты у должностных учреждений.
2. Если ваш ветряк мощностью до 75 кВт, то он приравнивается к бытовым электроприборам, то есть как дизельный или бензиновый генератор.
3. В том случае, если ваш агрегат не превышает высоту 30 метров и мощность 75 кВт, то при его установке, вам не понадобится никаких документов, связанных с законодательными органами.
4. Вся конструкция ветрогенератора экологически чиста для окружающей среды и для здоровья человека, поэтому никакие экологические фанатики не предъявят вам свои требования.

Видео по установке генератора своими руками:

Какой выбрать генератор для домашней ветроэлектростанции?

От автомобиля

1. Достоинства: не дорогой, очень легко отыскать, уже полностью собран.
2. Недостатки: для работы нужна большая скорость вращения, по этому требуется установка дополнительных шкив. Непродуктивен.

Цена: Зависит от модели и марки автомобиля.

Самодельный генератор

1. Достоинства: не высока стоимость всей комплектации, довольно хорошая продуктивность, относительно автомобильного генератора, при правильной сборке, возможно получение большой мощности, очень крепкая и неразрушимая сборка.
2. Недостатки: очень сложная затея для не обученного человека, требует обработки на токарном станке.

Цена: Зависит от купленных вами запчастей и номинальной, желаемой мощности.

Переменного тока, асинхронный

1. Достоинства: не высокая стоимость, очень легко найти и приобрести, не сложно переоборудовать под ветряк, при низких оборотах очень хорошая продуктивность.
2. Недостатки: максимальная мощность ограниченная, так как агрегат имеет внутреннее сопротивление, при высоких оборотах лопасти, генератор не производит достаточное количество электроэнергии для того, чтобы установить на ветряк, нужно обработать на токарном станке.

Цена: можно найти от одной тысячи рублей.

Постоянного тока

1. Достоинства: простая и понятная конструкция, уже собранный и готов к использованию, достаточно хорошо работает на низких оборотах.
2. Недостатки: очень сложно найти генераторы нужной мощности, ведь маленькие агрегаты не выдают нужную мощность, очень похотливый.

Цена: начинается от 7 тысяч рублей.

С постоянными магнитами

1. Достоинства: Очень высокая эффективность, есть возможность получить много мощности, конструкция крепкая и устойчивая.
2. Недостатки: Если делать своими руками, то очень сложный проект, требуется обработка на токарском станке.

Цена: на 500 Вт конструкцию колеблется в районе 14 – 15 тысяч рублей.

Низкооборотный

1. Достоинства: Простой в использовании, не требует больших затрат, хорошо работает на низких оборотах.
2. Недостатки: Не будет работать на высоких оборотах, слабая мощность.

Цена: Около 10 тысяч рублей.

Асинхронный

1. Достоинства: Не дорогой, легко найти, не сложно переоборудовать под ветряк, отлично работает на низких оборотах.
2. Недостатки: Внутреннее сопротивление ограничивает мощность, малая эффективность на высоких скоростях.

Цена: Имеется очень огромный сортимент данного товара, цена колеблется в районе 5 тысяч рублей, до пятиста тысяч, ценовой диапазон ориентируется по мощности.

Ископаемые, которые дают человечеству энергию скоро закончатся, нам нужно искать выход. Одним из таких выходов и является ветрогенератор. Его конструкция и установка дорогая, однако, установив его сейчас, вы обеспечиваете светлое будущее своим детям.

Выбор электрогенераторов для ветроэнергетических установок

Выбор электрогенераторов для ветроэнергетических установок / Ералы Ертайулы Нурахмет, А. А. Гафаров, М. С. Бенке [и др.]. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2016. — № 28.2 (132.2). — С. 68-79. — URL: https://moluch.ru/archive/132/36983/ (дата обращения: 05.07.2022).

В статье рассмотрены основные виды и конструкции электрогенераторов, применяемых в ветроэнергетических установках, а также проведен их анализ. Рассмотрены формулы для выбора генераторов ВЭУ, приведены основные параметры, характеризующие ВЭУ, описаны формулы для выбора генераторов ВЭУ. Указаны основные факторы, влияющие на выбор электрогенераторов. Подробно рассмотрены конструкции электрогенераторов с их отличительными функциями. Исследованы модели электрогенераторов с использованием электрических эквивалентных схем.

Ключевые слова: электрогенераторы, ветроэнергетическая установка, возобновляемые источники энергии.

Энергия ветра для производства электроэнергии сегодня является уже сформированной, конкурентоспособной и практически незагрязняющей технологией, широко используемая во многих странах мира. Системы преобразования энергии ветра стали координационным центром в исследовании возобновляемых источников энергии. Это не только из-за быстрого развития мощности ветряных генераторов, но и из-за улучшения электроники и их применение в получении энергии ветра. Эта статья имеет взаимосвязь с последними открытиями в системах преобразования энергии ветра, их классификации, выбор генераторов и их социальных, экономических и экологических преимуществ и недостатков, обзор вопросов присоединения распределенных ресурсов, включая ветровую энергию с электроэнергетическими системами.

Основными параметрами, характеризующими ВЭУ, являются: — номинальная мощность; — начальная скорость, при которой ветроколесо начинает вращаться; — номинальная скорость; — максимальная скорость, при которой ВЭУ выводится из рабочего режима; h — высота, на которой расположена ось ветроколеса; d — диаметр ветроколеса [1].

Электрическая мощность, вырабатываемая ВЭУ в зависимости от скорости ветра U, равна:

, (1)

где – рабочая характеристика ВЭУ. Для многих ВЭУ она имеет следующий вид:

(2)

Скорость ветра U – случайная непрерывная величина. Для аппроксимации результатов измерений скорости ветра обычно используют функцию распределения Вейбулла [2]:

, (3)

гдеk – параметр формы, а c – параметр, близкий к средней скорости ветра .

Математическое ожидание и дисперсия распределения скорости ветра равны:

(4)

(5)

где – гамма-функция.

Метеорологические службы регистрируют параметры ветра на стандартной высоте флюгера (равной 10 м). Оси ветроколес современных ВЭУ находятся на высотах h от 10 до 100 м. Для определения средней скорости ветра на этих высотах используют приближенную эмпирическую формулу [1]

(6)

где – средняя скорость ветра на высоте флюгера. Для открытых мест

b = 1/7=0,14. Отметим, что увеличение высоты h не изменяет параметр k, а приводит только к увеличению параметра cна фактор .

Мощность ветрового потока единичного сечения (удельная мощность) равна:

(7)

где – плотность воздуха. Величина есть плотность распределения энергии ветра. Она имеет максимум при скорости ветра:

(8)

Номинальную мощность ВЭУ с горизонтальной осью вращения можно оценить по формуле [2, 3]

(9)

где – площадь, ометаемая ветроколесом; – КПД ротора ветроколеса; – КПД электрогенератора; – коэффициент мощности, который учитывает долю получаемой ветродвигателем мощности ветрового потока. Для ориентировочных расчетов можно приближенно принять: = 1,2кг/; = 0,9; = 0,95; = 0,45.

Условие выбора оптимальной ВЭУ можно записать в виде

(10)

При выборе ВЭУ по соотношениям (10) следует также учесть зависимость величин от высоты расположения ветроколеса h.

Средняя мощность ВЭУ

(11)

где – среднее значение рабочей характеристики, которое можно интерпретировать как коэффициент использования располагаемой мощности ВЭУ. При использовании функции распределения Вейбулла получим

(12)

где – неполная гамма-функция.

Средняя производительность ВЭУ за период времени Tсоставит [1,4]

(13)

Таким образом, выбор наиболее подходящей ВЭУ и оценка ее производительности сводится к статистической оценке параметров функции распределения Вейбулла k и c.

Известно, что выходная мощность генератора ветроэлектрической установки (ВЭУ) зависит от конструкции лопастей и кинетической энергии ветра [3]. Кинетическую энергию воздушного потока, со средней скоростью V, проходящего через поперечное сечение с площадью S, перпендикулярно скорости ветра, и массу воздуха m определяется по формуле:

(14)

гдеm — ; = 1,226 кг/ – плотность воздуха соответствующая нормальным климатическим условиям: t = C, давление равно 760 мм рт. ст (101,3 кПа); S – ометаемая площадь ветроколеса (ВК) с горизонтальной осью вращения, определяется по формуле:

(15)

где D – диаметр ветроколеса.

Если в (14) подставить значение массы воздуха m и отметаемой площади ветроколеса S, получим формулу для определения механической мощности ВЭУ:

(16)

где = 0,4…0,45 – коэффициент использования энергии ветра.

Электрическая мощность ВЭУ:

(17)

где = 0,8…0,9 – механическое КПД ветроагрегата; = 0,7…0,9 – КПД генератора электроэнергии с учётом КПД стабилизатора напряжения.

После постановки всех указанных средних значений коэффициента в (17) и (16) получается ориентировочная формула для определения электрической мощности генератора ВЭУ:

(18)

Как видно из формулы (18) электрическая мощность генератора ВЭУ в основном зависит от диаметра ветроколеса и скорости ветра. Известно также, что мощность генератора ВЭУ зависит также от формы и профиля лопастей [4]. В настоящее время широкое распространение получили ВЭУ с крыльчатыми ВК и горизонтальной осью вращения.

Основными преимуществами ВЭУ с горизонтальной осью вращения ВК является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ВК, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому значению коэффициента использования энергии ветра, ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение. Здесь основным критерием является экономическая эффективность ВЭУ [5].

Мощность генератора ВЭУ пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Поэтому при изменении скорости ветра в широком диапазоне происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких КПД на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют два генератора с номинальными мощностями ВЭУ. При слабых ветрах первый генератор отключается. В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра [6].

На выбор генератора ВЭУ оказывают влияние три основных фактора:

1) Выходная мощность (кВт), определяется только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависит от скорости ветра, ёмкости аккумуляторов. Еще её называют «пиковой нагрузкой». Этот параметр определяет максимальное количество электроприборов, которые могут быть одновременно подключены к системе электроснабжения. Невозможно одновременно потреблять больше электроэнергии, чем позволяет мощность инвертора. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов [4].

2) Время непрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется ёмкостью АБ и зависит от мощности и длительности потребления. Если потребление электроэнергии происходит редко, но в больших количествах, то необходимо выбрать АБ с большой ёмкостью.

3) Скорость заряда АБ зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель зависит от скорости ветра, высоты мачты, рельефа местности. Чем мощнее генератор, тем быстрее будут заряжаться АБ, а это значит, что быстрее будет потребляться электроэнергия из батарей. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или потребители потребляют электроэнергию постоянно, но в небольших количествах.

Одним из ограничивающих факторов в ветряных турбинах является сама конструкция генератора. Среди ученых нет единого мнения на наилучшую конструкцию ветряных турбин генератора. Существуют три основных типа генератора применяемых в ВЭУ, которые могут быть рассмотрены для различных систем ветротурбины:

— синхронные генераторы постоянного тока;

— синхронные генераторы переменного тока;

— асинхронные генераторы переменного тока.

В принципе, каждый может работать по фиксированной или переменной скорости. Из-за меняющегося характера ветровой энергии, это выгодно для работы ВЭУ с переменной скоростью, которая снижает физическую нагрузку на лопатки турбины и трансмиссии, улучшает аэродинамическую эффективность системы и крутящий момент переходного процесса.

Конструкция генератора постоянного тока

В машинах постоянного тока, магнитное поле возникает в статоре, якорь расположен на роторе. Статор включает в себя некое количество полюсов, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо обмоткой постоянного поля.

Пример системы генератора ветра постоянного тока показан на рис. 1. Он состоит из ветровой турбины, генератора постоянного тока, с изолированным затвором биполярного транзистора, инвертора, контроллера, трансформатора и электросети. В генераторе постоянного тока, ток возбуждения (и, следовательно, магнитного поля) возрастает с увеличением рабочей скорости, в то время как фактическая частота вращения ветродвигателя определяется балансом между крутящим моментом и моментом нагрузки. Ротор включает в себя проводники, намотанные на арматуру. Электроэнергия добывается с помощью щеток, соединяющих комментатор, который используется для устранения генерируемой мощности переменного тока в напряжение постоянного тока. Они требуют регулярного обслуживания и являются относительно дорогостоящими из-за использования коммутаторов и щеток.

В общем, применение генераторов постоянного тока является необычным в турбине ветряных электрогенераторов разве, что в условиях низкого потребления энергии, где нагрузка физически близка к ветродвигателю, в отопительных системах или в зарядке аккумулятора.

Рис. 1. Схема системы генератора постоянного тока

Конструкция синхронного генератора переменного тока

Синхронные генераторы обладают самой надежной конструкцией. С момента их появления они были широко изучены для выработки электроэнергии. Схема в разрезе обычного синхронного генератора показана на рисунке 2. В теории, реактивная характеристика мощности синхронного генератора может легко управляться с помощью цепи возбуждения для электрического возбуждения. При использовании фиксированной скорости синхронных генераторов, случайной скорости ветра колебания и периодических возмущений, вызванных башенным эффектом и естественным резонансом, компоненты будут переданы в электросеть. Как следствие, они требуют дополнительного демпфирующего элемента (например, гибкая муфта в приводе), или редуктор, установленный на пружине и в амортизаторах.

Когда они внедрены в энергосистему, синхронизация их частоты в сети требует аккуратной работы. Кроме того, они, как правило, более сложные, дорогостоящие и более склонны к отказу, чем асинхронные генераторы.

Рис. 2. Вид синхронного генератора в разрезе

В последние десятилетия, генераторы на постоянных магнитах постепенно используются в ветровых турбинах из-за их высокой мощности и низкой массы. Часто эти машины рассматриваются для выбора в малых ВЭУ. Структура генератора относительно проста. Как показано на рис. 3. Прочные постоянные магниты установлены на роторе для создания постоянного магнитного поля, и произведенная электроэнергия берется из якоря (статора) через использование коллекторных, контактных колец или щеток. Постоянные магниты могут быть установлены в цилиндрическом роторе из литого алюминия, чтобы снизить затраты. Принцип работы генераторов на постоянных магнитах аналогичен синхронному генератору за исключением того, что генераторы на постоянных магнитах могут работать асинхронно. Преимущества генераторов на постоянных магнитах включают устранение коллектора, контактных колец и щеток, так что машины прочны, надежны и просты. Использование постоянных магнитов удаляет поле обмотки (и связанные с ним потери мощности), но делает управление на местах невозможно, а стоимость премьеров может быть непомерно высокой для больших машин.

Поскольку фактические скорости ветра переменны, генераторы на постоянных магнитах не могут генерировать электроэнергию с фиксированной частотой. Они должны быть подключены к электросети через преобразование переменного тока с помощью преобразователя энергии. Генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Целесообразно использовать эти машины с постоянными магнитами для непосредственного применения привода. Очевидно, что в этом случае они могут устранить проблемы с коробкой передач, которые вызывают большинство аварий ветровых турбин.

Рис. 3. В разрезе постоянный магнит синхронного генератора

Аналогом синхронных генераторов является высокотемпературный сверхпроводящий генератор (рис. 4) для нескольких мощностей. Машина содержит статор, сердечник с медной обмоткой, опорная конструкция, система охлаждения, криостат и внешний холодильник, электромагнитный экран и демпфер, подшипник, вал и корпус. В конструкции машины, механизмы статора, ротора, охлаждения и коробка передач могут представлять особые проблемы, с тем, чтобы сохранить обмотки в эксплуатационных условиях низких температур.

Рис. 4. Схема синхронного генератора

Сверхпроводящие катушки могут нести в 10 раз больше тока, чем обычные медные провода с пренебрежимо малыми потерями сопротивления на проводниках. Без сомнения, использование сверхпроводников позволит устранить все потери мощности цепи возбуждения и увеличит плотность тока, который сильно увеличит магнитные поля, что приведет к значительному снижению массы и размеров для ветрогенераторов. Таким образом, сверхпроводящие генераторы обеспечивают широкие перспективы в большой емкости и сокращения веса, возможно, подходит лучше для ветровых турбин мощностью 10 МВт или более. В 2005 году «Сименс» успешно запустила первый в мире сверхпроводящий генератор ветротурбины мощностью 4МВТ. Тем не менее, есть много технических проблем, одна из которых срок службы, малообслуживаемых ветровых турбинных систем.

Асинхронные генераторы переменного тока

Для выработки электроэнергии обычно используются синхронные машины, энергетические системы современных ветровых установок используют индукционные машины. Эти асинхронные генераторы делятся на два типа: индукционные генераторы с фиксированной скоростью с короткозамкнутым ротором (иногда называют короткозамкнутые асинхронные генераторы) и двойные индукционные генераторы с намотанным ротором. Наглядные изображения с короткозамкнутого асинхронного генератора представлены на рисунках 5 и 6, соответственно, и их системы топологий дополнительно проиллюстрированы на рисунке 7.

При поставке энергии с трехфазной сети переменного тока статора, вращающееся магнитное поле устанавливается поперек воздушного зазора. Если ротор вращается со скоростью, отличной от синхронной скорости, создается слип, и цепь ротора находится под напряжением. Вообще говоря, индукционные машины просты, надежны, недороги и хорошо развиты. Они имеют высокую степень демпфирования и способны поглощать колебания скорости вращения ротора. Для фиксированной скорости вращения асинхронных генераторов, статор соединен с сеткой через трансформатор, а ротор соединен с ветротурбиной через редуктор. Скорость ротора считается фиксированной (на самом деле, варьируя в пределах узкого диапазона). До 1998 года большинство производителей ветряных турбин не строили их с фиксированной скоростью асинхронных генераторов мощностью 1,5 МВт и ниже. Эти генераторы обычно работают со скоростью 1500 оборотов в минуту для электрической сети 50 Гц , с трехступенчатой ​​коробкой передач.

Рис. 5. Короткозамкнутый генератор в разрезе

Рис. 6. В разрезе дважды кормили асинхронный генератор с вращающегося трансформатора

Асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором могут быть использованы в переменной скорости ветровых турбин, как и в управлении синхронных машин. Тем не менее, выходное напряжение не может контролироваться и реактивной мощности необходимо внешнее питание. Очевидно, что асинхронные генераторы с фиксированной скоростью ограничены, чтобы работать только в очень узком диапазоне дискретных скоростей. Другие недостатки машины связаны с размером машины, уровня шума, низкой эффективностью и надежностью. Эти машины оказались причиной сбоев, требовали огромного обслуживания и последующее техническое обслуживание.

(а) асинхронный генератор с фиксированной скоростью

Рис. 7. Схемы двух систем индукционного генератора

Асинхронный генератор с короткозамкнутым ротором преобладал на рынке ветряных турбин до последних лет, не давший широкому внедрению асинхронные генератором с двойным питанием. В настоящее время, более 85% установленных ветряных турбин используют асинхронные генераторы с двойным питанием. В схемах асинхронных генераторов с двойным питанием, статор напрямую подключен к сети через трансформаторы, и ротор подключен к сети через ШИМ-преобразователей энергии. Преобразователи могут контролировать роторные цепи тока, частоты и угла сдвига фазы. Такие асинхронные генераторы способны работать в широком диапазоне скольжения (обычно ±30% от синхронной скорости). В результате, они предлагают много преимуществ, таких как высокий выход энергии, уменьшение механических напряжений, колебаний мощности и управляемой реактивной мощности.

Асинхронные генераторы не зависят от нестабильности напряжения. Когда конденсаторы используются для компенсации коэффициента мощности, есть риск возникновения самовозбуждения. Кроме того, эффект демпфирования может привести к потерям мощности в роторе.

Как показано на рисунке 7(б), ротор асинхронного генератора с двойным питанием механически соединен с ветродвигателем через систему приводов, которые могут содержать высокоскоростные и низкоскоростные валы, подшипники и редуктора. Ротор питается от двунаправленного преобразователя источника напряжения. Таким образом, скорость и крутящий момент асинхронного генератора с двойным питанием можно регулировать путем контроля со стороны крыльчатки преобразователя. Еще одна особенность заключается в том, что асинхронный генератор с двойным питанием может работать при суб-синхронных и синхронных условиях. Статор всегда передает мощность в сеть, а ротор может отрегулировать мощность в обоих направлениях. Последнее связано с тем, что в широтно-импульсный преобразователь энергии способен передавать напряжение и ток при разных фазовых углах. В суб-синхронных условиях, роторный преобразователь работает как инвертор и сетевой конвертер в качестве выпрямителя. В этом случае активная мощность течет от сети к ротору.

Рис. 8. Эквивалентная схема на каждую фазу асинхронного генератора с двойным питанием

Для анализа производительности асинхронного генератора с двойным питанием, всегда необходимо учитывать и анализировать его каждую фазу эквивалентной схемы, как показано на рисунке 8. Из этого рисунка видно, что асинхронный генератор с двойным питанием отличается от обычной индукционной машины тем что, в цепи ротора, напряжение источника добавляется для поддержания напряжения в цепи ротора.

В матричной форме уравнение для этой цепи

(19)

входной мощности можно суммировать из выходной мощности и полной потери мощности . Последняя включает в себя потери статора , потери ротора , основные потери сердечника , потери на трение и случайные потери нагрузки . Среди этих потерь, предполагается, изменение в зависимости от квадрата тока статора в то время как изменяется в зависимости от площади ротора ток . Случайные потери нагрузки можно разделить на две части: основная составляющая происходит на стороне статора и на стороне ротора. Таким образом, пропорциональна в то время как пропорциональна .

Общие потери определяются по формуле [12]

(20)

Эффективность асинхронного генератора с двойным питанием определяется [12]

(21)

Эффективность может быть выражена в виде функции от тока нагрузки и эта функция непрерывна и бесконечна. Следовательно, максимальная эффективность может быть найдена, если:

(22)

То есть, условие достижения максимальной эффективности для асинхронного генератора с двойным питанием соблюдается при:

(23)

Для того чтобы оптимизировать конструкцию асинхронного генератора с двойным питанием, то необходимо вывести численно или экспериментально ее потери и коэффициент полезного действия. Условие максимального возникновения эффективности показывает: когда потери в зависимости от нагрузки уравновешенны.

Для контроля асинхронного генератора с двойным питанием составлена математическая модель, которая основана на синхронной системе отсчета следующим образом [12],

(24)

(25)

(26)

(27)

где и статора и ротора сопротивления; синхронная электрическая скорость в рад/сек. скорость ротора;

Электромагнитный крутящий момент задается:

(28)

В асинхронных генераторах с двойным питанием, активная мощность используется для оценки выходной мощности и реактивной мощности и отвечает за его электрические характеристики в электрической сети. Асинхронные генераторы с двойным питанием требуют потребления некоторого количества реактивной мощности, чтобы начать вырабатывать свое магнитное поле. В случае соединения генератора с сетью, генератор получает реактивную мощность из самой сети [12].

Основной проблемой, описываемой в статье, является выбор электрогенератора для ВЭУ. В качестве генераторов в ВЭУ чаще используются асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором. Отличие, которых от синхронных генераторов является большая надежность, простота конструкции и малая масса, что необходимо для повышения надежности ветроэнергоустановки.

В качестве электромеханического преобразователя ВЭУ в основном используют синхронные генераторы. При выборе генератора с постоянными магнитами на роторе необходимо учитывать высокую стоимость постоянных магнитов и возможность их размагничивания при возникновении коротких замыканий в нагрузке. Асинхронные генераторы (АГ) с короткозамкнутым ротором также перспективны для ВЭУ малой и средней мощности. В частности, при использовании АГ отпадает необходимость в настройке генераторов на параллельную работу, повышается надёжность за счёт отказа от щёточных контактов, как в АГ двойного питания. Снижается стоимость ВЭУ. Компоновка предполагает возможность использования как горизонтально-осевых ветроколёс, так и вертикально-осевых, например, быстроходных роторов Дариуса. Вентильное возбуждение асинхронных генераторов позволяет более эффективно осуществлять запуск генератора, а также требует меньших габаритов, чем конденсаторное. Разработана инновационная конструкция электрических машин, улучшающая их массогабаритные и энергетические характеристики. Оригинальность заключается в выполнении лобовых частей обмотки статора, где применяются проводники переменного сечения. В этом случае, лобовые части представляют собой как бы части окружностей, сгруппированные из нескольких проводников. Сечение проводников лобовых проводников равно сечению активных проводников, а проводники, их соединяющие, имеют в два раза меньшее сечение.

Заключение.

Проектирование и успешное функционирование систем преобразования энергии ветра (СПЭВ) является очень сложной задачей и требует навыков многих междисциплинарных навыков, например, гражданское строительство, машиностроение, электротехника и электроника, географии, аэрокосмической, окружающей среды и т.д. Производительность СПЭВ зависит от подсистем, как ветровая турбина (аэродинамическая), шестерни (механические), генератор (электрический); в то время как наличие ресурсов ветра регулируются климатическими условиями соответствующего региона, для которых опрос ветра чрезвычайно важно использовать энергию ветра. Эта статья представляет собой ряд вопросов, связанных с выработки электроэнергии из СПЭВ например, факторы, влияющие на энергию ветра, их классификация, выбор генераторов, основные конструктивные соображения в аэродинамической конструкции турбины, проблемы, связанные с сетевыми соединениями, ветро-дизельных автономных энергетических систем гибридных, регулирования реактивной мощности системы ветра, экологические аспекты производства электроэнергии, экономики ветра выработка электроэнергии и последняя тенденция производства ветровой энергии от береговых участков выходных.

1. Константинов, В.Н. Выбор ВЭУ и оценка их производительности / В.Н. Константинов, Р.С. Абдрахманов // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2005. – №11-12. – С. 48-52.
2. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. – М.: Энергоатомиздат. – 1990. – 388 с.
3. Григораш О.В., Степура Ю. П., Сулейманов Р. А. Возобновляемые источники электроэнергии. – Краснодар, 2012. – 272 с.
4. Григораш О.В., Божко С. В., Попов А. Ю. Автономные источники электроэнергии: Состояние и перспективы. – Краснодар, 2012. – 174 с.
5. Григораш, О.В. К расчету экономической эффективности ветроэлектрических установок / О.В. Григораш, Р. А. Сулейманов, А. В. Квитко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2011. – №33. – С. 192-195.
6. Федянин, В.Я. Оценка параметров ветроагрегатов, определяющих эффективность выработки электроэнергии / В.Я. Федянин, В.А. Мещеряков // Вестник Алтайской науки. – 2008. – №2. – С. 122-127.
7. Грачев, П.Ю. Перспективы применения инновационных генераторов переменного тока в автономных ВЭУ / П.Ю. Грачев, Е.Е. Горбачев, А.С. Табачинский // Инновации в сельском хозяйстве. – 2016. – №5(20). – С. 259-264.
8. Андриенко, П.Д. Использование высокочастотных генераторов для повышения мощности ВЭУ с аэродинамической мультипликацией / П.Д. Андриенко, В.П. Метельский, И.Ю. Немудрый // Электротехнические и компьютерные системы. – 2013. – №10(86). – С. 45-49.
9. Грачев, П.Ю. Особенности инновационных проектов ВЭУ и микроГЭС с асинхронными генераторами / П.Ю. Грачев, М.Л. Костырев, П.А. Кунцевич, Н.Н. Конохов // Инновации в сельском хозяйстве. – 2014. – №3(8). – С. 52-56.
10. Велькин, В.И. Разработка конструкции роторно-лепестковой ВЭУ с тихоходным безредукторным генератором / В.И. Велькин, В.А. Дмитриевский, В.А. Прахт, А.И. Якимов, Ю.А. Якимов // Международный научный журнал альтернативная энергетика и экология. – 2012. – №3. – С. 72-76.
11. Omid Alavi, Behzad Vatandoust Economic Selection of Generators for a Wind Farm/ Omid Alavi, Behzad Vatandoust// Indonesian Journal of Electrical Engineering and Informatics (IJEEI). – 2015. – V. 1. – No. 3 – P. 121-128
12. Wenping Cao, Ying Xie and Zheng Tan Wind Turbine Generator Technologies/ Wenping Cao, Ying Xie and Zheng Tan//INTECH open science/open minds/ – 2012.
13. M. Bencherif, B. N. Brahmi, A. Chikhaoui Optimum selection of wind turbines/ M. Bencherif , B. N. Brahmi , A. Chikhaoui// Science Journal of Energy Engineering. – 2014. – No. 2(4). – P. 36-46.

Основные термины (генерируются автоматически): двойное питание, генератор, асинхронный генератор, скорость ветра, переменный ток, синхронный генератор, короткозамкнутый ротор, ротор, ток, фиксированная скорость.

Источник https://oboiman.ru/ingeneer/vetrogenerator-iz-avtomobilnogo-generatora-svoimi-rukami.html

Источник https://slarkenergy.ru/vetrogenerator/generator-dlya-vetryaka.html

Источник https://moluch.ru/archive/132/36983/