Kinetisk vindgenerator: opbygning, arbejdsprincip, anvendelse

En moderne kinetisk vindgenerator gør det muligt at udnytte luftstrømmenes kraft og omdanne den til elektricitet. Til dette formål findes der fabriksfremstillede og hjemmelavede modeller, der bruges både i industrien og i private husholdninger.

Vi fortæller om, hvordan vindmøller af denne type er opbygget, og gennemgår enhedens særlige egenskaber og konstruktionsvarianter. I vores artikel beskriver vi vindenergianlæggets fordele og ulemper. Gør-det-selv-folk finder nyttige diagrammer og monteringsanvisninger hos os.

Funktionsprincip for vindgenerator

Driften af en vindgenerator er baseret på omdannelse af vindens kinetiske energi til rotorens mekaniske energi, som derefter omdannes til elektrisk energi.

Arbejdsprincippet er ret simpelt: rotation af vingerne, der er fastgjort på enhedens aksel, fører til cirkulære bevægelser af rotor-generatoren, hvorved der genereres elektricitet.

Vindenergi er en af de mest lovende grene inden for vedvarende energi. Moderne konstruktioner gør det muligt at anvende luftstrømmes kraft økonomisk effektivt til at generere elektricitet.

Den opnåede ustabile vekselstrøm 'løber' ind i controlleren, hvor den omdannes til jævnspænding, der kan oplade batterierne. Derfra går strømmen til inverteren, hvor den omdannes til vekselspænding på 220/380 V, som så leveres til forbrugerne.

Vindgeneratorens effekt afhænger direkte af luftstrømmens effekt (N), beregnes efter formlen N=pSV³/2, hvor V er vindhastighed, S er arbejdsareal, p er lufttæthed.

Opbygning af en vindgenerator

Forskellige varianter af vindgeneratorer adskiller sig betydeligt fra hinanden.

På det viste diagram ses den indvendige opbygning af en klassisk horisontal vindgenerator. Sådanne modeller bruges oftest både i industrien og i hjemmet.

Industrielle enheder er komplekse mange meter høje konstruktioner, til installation kræves et fundament, mens en husstandsmodel kan bestå af et minimum af komponenter (jævnstrømsmotor 3-12V, elektrolytkondensator 1000 µF 6V, silicium ensretterdiode).

En typisk installation omfatter følgende dele:

• vekselstrømsgenerator (effekt afhænger af vindhastighed);
• vinger, der overfører rotation til generatorakslen (ofte yderligere udstyret med gear, rotorhastighedsstabilisatorer);
• vindmøllens mast, som vingerne er fastgjort til (jo højere disse elementer er, desto mere vindenergi kan de opfange);
• batterier, der lagrer energi, så den kan bruges ved svag vind eller ingen vind. Batteriet stabiliserer også den elektriske energi fra generatoren;
• controller – omformer vekselspænding fra generatoren til jævnspænding til opladning af batteriet. Controlleren styres ved at dreje vingerne, så luftstrømmenes retning tages i betragtning;
• ATS – automatisk omskifterenhed, der forbinder vindgeneratoren med andre energikilder (solpaneler, elnettet);
• vindretningssensor – instrument, der hjælper vingerne med at finde vindstrømmen;
• inverter til omdannelse af jævnstrøm fra batterierne til vekselspænding, som bruges i elektriske kommunikationer.

For at imødekomme brugernes behov mere fuldstændigt, kan enheden udstyres med forskellige typer af invertere:

• Udstyr med en modificeret sinusbølge-inverter, der producerer en firkantbølge. Denne type enhed er velegnet til varmelegemer, glødepærer og andre apparater, der ikke kræver høj netkvalitet;
• Trefasede spændingsinvertere beregnet til trefasede elnet;
• Anlæg med ren sinusbølge, som producerer energi til mere følsomt udstyr;
• Netinvertere, der kan fungere uden batterier. Sådanne enheder er beregnet til systemer, hvor elektrisk energi føres direkte ind i det offentlige net.

Når du vælger modeller, skal du sørge for at være opmærksom på typen af inverter.

Typer af vindgeneratorer

Ved klassificering af vindmøller kan følgende egenskaber tages i betragtning:

• formål;
• konstruktionsmæssige funktioner;
• antal vinger;
• materialer, de er fremstillet af;
• rotationsakse;
• propellens stigning.

Lad os se nærmere på de to mest almindelige klassifikationer.

Klassificering af vindgeneratorer efter anvendelse

Der skelnes mellem typer af vindmøller, der adskiller sig efter formål. De vigtigste egenskaber, som f.eks. effekt, afhænger af dette.

Industrielle vindmøller

Sådanne anlæg installeres af store energiselskaber eller staten for at forsyne industrielle anlæg med elektricitet. Møller med en effekt på titusinder af megawatt placeres normalt på vindblæste steder (åbne højder, kyster).

Vindmølleparker, hvor der installeres snesevis af vindmøller, etableres ikke kun på land, men også på lavt vand. Den producerede elektricitet bruges normalt til industrielle formål

Den genererede elektricitet går som regel direkte til nettet, og for stabilitet og regulering af vingernes rotationshastighed er vindmøllerne udstyret med yderligere mekanismer.

Kommercielle vindgeneratorer

Sådanne anlæg bruges til at producere elektricitet til salg eller til at forsyne produktion i regioner med svagt elnet (eller helt uden). Sådanne vindkraftværker består af en samling af generatorer, der kan have forskellig effekt.

Energien fra kommercielle anlæg kan gå direkte til elnettet eller bruges til at oplade et stort batterisystem, hvor den lagres og omdannes til forsyning af energisystemet.

Husholdningsvindmøller

Små enheder bruges til privat brug. Ifølge reglerne kan vindmøller med master under 25 meter installeres af grundejere uden godkendelse fra myndighederne, for højere master kræves en særlig tilladelse.

Vindmøller med lav og mellem effekt kan være en kilde til elektrisk energi for sommerhuse, landhuse, villaer og landbrug.

Husholdningsvindmøller er velegnede til opladning af batterier med spænding på 12/24/48V, hvor energien transformeres til 220 volt. Sådanne enheder kan helt eller delvist løse problemet med strømforsyning til små objekter, der ligger langt fra det centrale elnet.

En artikel om dette interessante emne introducerer dig til retningslinjerne for valg af vindmølle til at forsyne et privat hjem med energi.

Forskellige vindmøllekonstruktioner

Efter konstruktionsmæssige træk kan enhederne også opdeles i flere kategorier, selvom alle varianter kan reduceres til to hovedtyper: lodrette og vandrette.

Klassiske vandrette vindmøller

Sådanne anlæg (også kaldet propel- eller vingemøller) har normalt 3-5 vinger monteret på en vandret akse. Ved at dreje med høj hastighed giver sådanne elementer maksimal energi (effektivitetsfaktor op til 0,4).

Mængden af produceret elektricitet afhænger i høj grad af enhedens højde (jo højere, desto større resultat).

En vandret vindmølle udnytter løftekraften, der opstår, når trykket stiger i det punkt, hvor den direkte luftstrøm passerer gennem vingerne og reflekteres fra disse elementer.

Sådanne enheder installeres normalt i vindmølleparker, hvor der produceres energi til industrielt og kommercielt brug, men de er også velegnede til husholdningsbrug.

En interessant løsning for en vandret vindmølle er modellen med en enkelt vinge, og dens funktioner præsenteres i følgende fotogalleri:

Vertikale vindturbiner

Det aktive element i sådanne anlæg er et roterende vindhjul. På grund af konstruktionsmæssige forskelle adskiller disse konstruktioner sig i typer ('Tønde', 'Savonius').

Følgende fotoserie præsenterer princippet bag Savonius-vertikalturbinens opbygning:

På trods af den lave KIEV-koefficient (0,1-0,2) finder de ret bred anvendelse: vertikale anlæg fungerer på turbulente luftstrømme, hvilket gør det muligt at placere dem selv i områder, hvor der sjældent blæser kraftig vind.

Vertikale vindmøllers funktion afhænger ikke af vindretningen. De er nemme at installere og betjene, og desuden kan sådanne enheder placeres tæt på jorden.

For at øge effektiviteten af vertikale vindmøller øger producenterne ofte deres dimensioner, hvilket fører til en betydelig stigning i omkostningerne. Da sådanne anlæg er ret skrøbelige, kræver de øget beskyttelse mod orkaner og andre naturfænomener.

Darrieus-rotor vindgeneratorer

Disse enheder tilhører kategorien af vertikale vindmøller, men har markante konstruktionsmæssige forskelle. Takket være disse særlige træk opnås lavere støj, og samtidig øges KIEV, som nærmer sig niveauet for horisontale modeller.

Den i 1931 af den franske flykonstruktør Georges Darrieus foreslåede lavtryksturbine med en rotationsakse vinkelret på luftstrømmen har fundet bred anvendelse inden for vindenergi.

Ulempen ved sådanne konstruktioner er det lave startmoment (på grund af kun to vinger har enheden svært ved at starte alene). For at løse problemet anvendes ofte en hybrid 'Savonius+Darrieus'.

Sejlvindmøller

For sådanne anlæg kan princippet om både vertikale og horisontale vindmøller anvendes. Den vigtigste konstruktive egenskab er vindhjulet, som er dækket af mange vinger eller sejl, og disse modeller har ikke en aerodynamisk profil.

Der findes mange modeller af sejlvindgeneratorer, som adskiller sig i antal vinger, vægt og effekt. Alle disse parametre bør tages i betragtning ved valg af en enhed.

Selvom sejlanlæg er kendetegnet ved lav hastighed og lille effektivitet, anvendes de ofte i almindelig industri. Sådanne konstruktioner er nemme at montere og betjene, og kombinationen af højt drejningsmoment med lave omdrejninger gør det muligt direkte at drive forskellige nyttige mekanismer, f.eks. en pumpe til at pumpe vand.

Det følgende galleri præsenterer en af de i praksis realiserede modeller af sejlvindmøller:

Generator til vindturbinen

Til drift af vindmøller er der brug for almindelige trefasede generatorer. Konstruktionen af sådanne enheder svarer til modeller, der anvendes i biler, men har større parametre.

I enheder til vindmøller er der en trefaset statorvikling (stjernekobling), hvorfra tre ledninger går til controlleren, hvor AC-spænding omdannes til DC.

Rotoren til generatoren i vindturbinen er fremstillet med neodymmagneter: i sådanne konstruktioner er det ikke hensigtsmæssigt at bruge elektrisk excitation, da spolen forbruger meget energi.

For at øge omdrejningerne anvendes ofte en multiplikator. En sådan anordning gør det muligt at øge effekten af den eksisterende generator eller bruge en mindre enhed, hvilket reducerer installationsomkostningerne.

Multiplikatorer anvendes oftere i vertikale vindgeneratorer, hvor rotationsprocessen af vindhjulet sker langsommere. For horisontale enheder med høj rotationshastighed af blade er multiplikatorer ikke nødvendige, hvilket forenkler og billiggør konstruktionen.

Detaljerne ved samling og montering af en vindgenerator fra en vaskemaskine og en vindmølle fra en bilgenerator er udførligt beskrevet i de af os anbefalede artikler.

Fordele og ulemper ved vindgeneratoren

Lad os se nærmere på fordelene og ulemperne ved vindturbiner, da det netop er dem, der afgør beslutningen om at købe en vindmølle eller at afstå fra det.

Fordele ved vindmøller

Blandt fordelene ved enheder, der bruger vindenergi, er:

• Miljøvenlighed. Anlæggene bruger en vedvarende energikilde, som kan bruges konstant uden at skade miljøet. Elektriciteten produceret af vindgeneratorer erstatter energi fra termiske kraftværker, hvilket reducerer udledningen af drivhusgasser.
• Alsidighed. Vindkraftværker kan bygges næsten overalt: på sletter, i bjerge, på marker, på øer og endda på lavt vand. Vindenergi er især værdsat på fjerntliggende steder, hvor det er svært at trække almindelige elektriske forbindelser. Vindgeneratorer gør det i dette tilfælde muligt at etablere strømforsyning til objekter, hvilket sikrer deres uafhængighed af tilfældige faktorer (f.eks. manglende brændstof leveret til tiden).
• Effektivitet i brug. Moderne modeller omdanner energi selv fra svage vinde – minimumsgrænsen er 3,5 m/s. På den måde kan man levere supplerende elektricitet til det centrale net samt organisere strømforsyning til individuelle objekter (ø- eller lokale) uanset deres effekt.
• Et værdigt alternativ til traditionelle kilder. Stationære vindkraftværker kan fuldt ud forsyne et beboelseshus eller endda et mindre produktionsanlæg med elektricitet. I dette tilfælde vil turbinen oplagre den nødvendige reserve af elektricitet i batterier, beregnet til brug i vindstille perioder.
• Økonomisk fordel. Sammenlignet med traditionelle kilder til elektrisk energi (gas, tørv, stenkul, olie) gør vindturbiner det muligt at reducere energiomkostningerne betydeligt. I mange tilfælde er det billigere at bygge et vindkraftværk end at tilslutte sig eksisterende energisystemer.

Brugen af vindmøller kan være et alternativ til at anvende dyre dieselgeneratorer og samtidig reducere omkostningerne til transport og opbevaring af brændstof med op til 80%.

Den gennemsnitlige effekt af en vindturbine adskiller sig flere gange fra spidsbelastningsværdien. Vindmøllen står kun for den mængde energi, der produceres over en given periode ved den gennemsnitlige månedlige vindhastighed, der er typisk for området.

For en mere præcis vurdering af vindressourcerne kan man bruge særligt udledte data (Weibull-parametre). Disse indikatorer afspejler fordelingen af vinde med forskellig styrke, der er karakteristisk for et bestemt område. Sådanne oplysninger er vigtige at tage i betragtning ved udvikling af projekter for vindmølleparker med en effekt på titusinder MW.

Den effekt, som vindturbinen producerer, er proportional med den tredobbelte vindhastighed. Derfor er dette tal meget lavt ved svage vindstrømme, men stiger kraftigt, når de forstærkes –. På grund af vindens omskiftelige retning og hastighed er det nødvendigt at inkludere stabiliserende komponenter i konstruktionen af vindturbinen.

Regler og formler til beregning af vindmøllens effekt findes her, vi anbefaler at du sætter dig ind i den meget nyttige information.

I små autonome systemer udføres denne funktion af batterier, hvis opladning begynder at stige, så snart vindmøllens effekt overstiger belastningsværdien.

Ved stigende belastning kan batteriet aflades. Denne arbejdsegenskab er vigtig at overveje ved valg af en husstandsmølle; dens effekt skal svare til det månedlige eller årlige elforbrug.

Det skal bemærkes, at den effektive udnyttelse af vindstrømme fremmes af mangfoldigheden af vindmøllekonstruktioner.

Horisontale turbiner giver høje resultater på flade områder med meget vind, mens vertikale turbiner fungerer bedre i regioner med turbulente strømme, der forekommer lavt over jorden (på toppen af bakker, bjergkæder).

De største ulemper ved vindmøller

Samtidig har vindmøller også deres negative sider:

• Vindstyrken er svær at forudsige på forhånd, da den ofte ændrer sig. Derfor er det tilrådeligt at overveje en sikkerhedsplan med en redundant energikilde (solpaneler, tilslutning til elnettet).
• Vertikale enheder er i fare for ødelæggelse af vingebladene på grund af centrifugalkraft ved rotation om hovedaksen. Som følge af denne effekt deformeres og ødelægges vigtige konstruktionselementer med tiden, og mekanismen svigter.
• Vindmøller placeres bedst på åbent terræn, da nærliggende bygninger kan 'dæmpe' vinden og skabe en 'død' luftzone.
• For at bevare overskudsenergi fra vindmøller skal designet inkludere batterier og andre ekstra enheder, der omdanner den genererede elektricitet til strøm med passende forbrugerkarakteristika.
• Under drift producerer vindgeneratorer støj, som kan forårsage ubehag for mennesker og skræmme dyr væk. Bladene kan også forårsage død for fugle, der flyver tæt på.
• Ifølge nogle eksperter kan vindmøller forringe modtagelsen af radio- og tv-udsendelser.

Til de negative aspekter kan også nævnes den ret høje pris på sådanne enheder, men energikildens billighed opvejer i høj grad denne faktor.

Tilslutningsdiagrammer og metoder

Selvom en vindmølle kan fungere autonomt, kan der opnås væsentligt bedre resultater ved hjælp af kombinerede ordninger, der kombinerer vindanlægget med solpaneler, det centrale elnet, diesel- eller gasenergikilder.

Autonom drift. I dette tilfælde opstilles en enkelt installation, som opsamler og lagrer vindenergi, som derefter omdannes til den elektriske strøm, som forbrugerne har brug for.

Diagrammet viser den enkleste måde at bruge en vindgenerator på, som det er hensigtsmæssigt at anvende i regioner, hvor der konstant blæser kraftige vinde.

Kombination af en vindgenerator med solpaneler. Den kombinerede mulighed anses for at være en pålidelig og effektiv metode til strømforsyning. I mangel af vind fungerer batteriet fra solpaneler, og i overskyet vejr og i løbet af natten sker opladningen fra vindinstallationen.

Ideel mulighed for et privat hus eller landbrug, der ligger langt fra det centrale elnet. Denne kombinerede ordning gør det muligt at bruge to typer vedvarende energi.

Kombineret drift af vindgenerator og elnet. En vindmølle kan kombineres med elektriske kommunikationer.

En sådan ordning er typisk for industrielle og kommercielle enheder. Tilslutning til elektriske kommunikationer er også tilgængelig for nogle modeller af husholdningsvindgeneratorer.

Ved overskud af produceret elektricitet sendes det til det centrale elnet, og ved mangel er der mulighed for at bruge elektricitet fra det fælles elsystem.

Nuancer ved brug af vindgeneratorer

I dag bruges vindmøller i forskellige sektorer af økonomien. Industrielle modeller med forskellig kapacitet anvendes af olie- og gasselskaber, telekommunikationsvirksomheder, bore- og geologiske efterforskningsstationer, produktionsanlæg og offentlige institutioner.

Vindmøllen kan bruges som en ekstra energikilde på hospitaler og andre institutioner for at sikre en uafbrudt strømforsyning i nødsituationer.

Det er særlig vigtigt at bemærke vigtigheden af at anvende vindmøller til hurtig genopretning af strømafbrydelser under katastrofer og naturkatastrofer. Med dette formål anvendes vindgeneratorer ofte af redningstjenesten.

Husholdningsvindmøller er fremragende til at levere belysning og opvarmning til sommerhusområder og private hjem samt til landbrugsformål på gårde.

Her er nogle ting, du skal overveje:

• Enheder op til 1 kW kan kun producere tilstrækkelig strøm på blæsende steder. Den energi, de genererer, er normalt kun nok til LED-belysning og strøm til små elektroniske enheder.
• For fuldt ud at forsyne et sommerhus (landsted) med elektricitet har du brug for en vindgenerator med en kapacitet på over 1 kW. En sådan effekt er nok til at drive belysning samt en computer og et tv, men dens kapacitet er ikke tilstrækkelig til at forsyne et moderne køleskab, der kører døgnet rundt.
• Til at forsyne et hus med strøm har du brug for en vindmølle på 3-5 kW, men selv en sådan effekt er ikke nok til opvarmning af huse. For at bruge en sådan funktion har du brug for en kraftig version, startende fra 10 kW.

Når du vælger en model, skal du huske på, at den effekt, der er angivet på enheden, kun opnås ved maksimal vindhastighed. For eksempel vil en 300 W-enhed kun producere den angivne mængde energi ved en vindhastighed på 10-12 m/s.

Til dem, der ønsker at bygge en vindgenerator med egne hænder, tilbyder vi følgende artikel, som indeholder detaljeret nyttig information.

Konklusioner og nyttig video om emnet

I videoen nedenfor gives detaljerede oplysninger om arbejdsprincippet og konstruktionen af en husholdningsmodel af en vindgenerator:

Vindgeneratoren er en fremragende kilde til elektrisk energi, som især vil blive værdsat af beboere i afsidesliggende områder. Forskellige russiske og udenlandske virksomheder tilbyder et bredt udvalg af vindmøllekonstruktioner, og derudover kan husholdningsmodeller også laves med egne hænder.

Skriv venligst kommentarer i boksen nedenfor. Fortæl om, hvordan du byggede en vindgenerator på din ejendom, eller hvordan din nabos vindmølle fungerer. Stil spørgsmål, del nyttig information og billeder om emnet.