Устройство ветряных электростанций

Устройство представляет собой две половинки полого цилиндра, которые после его разрезки раздвигались в стороны от общей оси. Образовавшееся тело обладало ярко выраженной аэродинамической несимметричностью. Набегающий поперек его оси поток воздуха как бы соскальзывал с выпуклой стороны одного полуцилиндра. Зато другой, обращенный к ветру своеобразным карманом, оказывал значительное сопротивление. Барабан поворачивался, полуцилиндры менялись местами все быстрее и быстрее, и вертушка таким образом быстро раскручивалась.

Вот этот принцип и был взят, за основу своей будущей ветроэлектростанции.

Рисунок 4.15 Работа ветра в пропеллерной вертушке

Подобная схема выгодно отличается от ветроустановки с пропеллерной вертушкой. Во-первых, она не требует при изготовлении большой точности и дает широкий выбор применяемых материалов. Во-вторых, она компактна.

Мощность генератора, приводимого в действие барабаном диаметром всего около метра, будет такой же, как при использовании трехлопастного пропеллера диаметром 2,5 м. И если пропеллерную вертушку нужно устанавливать на высокой штанге или на крыше дома (этого требует техника безопасности), то вертушку-барабан можно ставить прямо на земле, под навесом. Есть у барабана и еще ряд достоинств: большой крутящий момент при малых оборотах (значит, можно обойтись либо совсем без редуктора, либо использовать простейший одноступенчатый), отсутствие щеточного токосъемного механизма. Для ветроэлектростанции достаточно использовать двухлопастный барабан. Но можно увеличить количество лопастей до четырех. Тяговые характеристики такой установки значительно улучшатся.

На рисунке 4.16 Изготовление ветровой установки, отдельные детали

1 - резистор; 2 - обмотка статора генератора; 3 - ротор генератора; 4 - регулятор напряжения; 5 - реле обратного тока; 6 - амперметр; 7 - аккумулятор; 8 - предохранитель; 9 – выключатель.

Очень важно, что ротор должен быть поднят достаточно высоко, чтобы он оказался в зоне свободного ветра и выше зоны завихрений от обтекаемых ветром строений не менее, чем на 3—4 м над землей. Высоко поднятая над землей ветроустановка попутно выполняет функцию молниеотвода, что немаловажно в сельской местности.

Роторные ветродвигатели работают значительно стабильнее в условиях резких колебаний ветра, чем винтовые. Роторы тихоходны, действуют при любом направлении ветра, но развивают всего 200—500 об/мин.

Роторные ветроколеса от сильного порыва ветра не ломаются. От повышения количества оборотов асинхронного генератора на выходе напряжение не растет. Поэтому в этом материале автоматическое изменение угла лопастей ротора в зависимости от скорости ветра не рассмотрено.

Рисунок 4.17 Схема роторной ветроэлектроустановки:

1 — лопасти, 2 — крестовина, 3 —вал, 4 —подшипники с корпусами, 5 — соединительная муфта, 6 — силовая стойка (швеллер № 20), 7 — коробка передач, 8 — генератор, 9 — растяжки (4 шт.), 10 — ступени лестницы.

Известны различные виды роторных ветроколес на вертикальном валу. Назовем некоторые из них.

1. Четырехлопастное роторное колесо — тихоходное с КПД до 15% .

2. Двухъярусное роторное ветрокопесо. Оно проще, обладает более высоким КПД (до 19%) и развивает большее число оборотов, чем четырехлопастное. При этом необходимо увеличивать диаметр вала для сохранения прочности и жесткости установки.

3. Ветроколесо Савониуса. Оно развивает меньшее число оборотов, чем двухлопастное колесо. Коэффициент использования ветровой энергии не превышает 12%. В основном применяется для привода поршневых насосов.

4. Карусельное ветроколесо - самая простая конструкция. Это ветроколесо развивает малые обороты, имеет низкую удельную мощность. КПД его — до 0,1.

Рисунок 4.18 Крепление лопастей ротора на крестовине:

1 — лопасти, 2 — крестовина, 3 — вал, 4 — болты крепления (М12—М14).

Рисунок 4.19 Двухъярусное роторное колесо:

1 — подшипник, 2 — корпус подшипника, 3 — дополнительное крепление вала четырьмя растяжками, 4 — вал.

В техническом отношении более высокий уровень решения достигается применением генератора переменного тока — трехфазного или однофазного, например, ГАБ-4-0/230 или ОМ-3. Может быть также использован асинхронный электродвигатель, требующий соответствующей переделки. Бесперебойное и круглосуточное электроснабжение от ВЭУ невозможно. Это зависит от наличия ветра и его скорости. Для обеспечения бесперебойности электропитания применяют аккумуляторные батареи или резервные бензиновые двигатели для привода генератора.

Рисунок 4.20 Внешний вид ветроэлектростанции

В качестве исторического факта напомню, что в СССР первая ветроэлектрическая установка (ВЭУ) была построена в 1931 г. около Балаклавы в Крыму. В ней использовался асинхронный генератор на 600 об/мин., мощностью 125 кВт. Генератор соединялся с повышающим трансформатором и затем ток подавался на воздушную линию напряжением 6 кВ. (В 1941 г. при оккупации Крыма фашистами ВЭУ была разрушена.)

В ВЭУ промышленного производства обычно используются винтовые пропеллерные двигатели. В сравнении с роторными они имеют более высокий КПД. Производство винтовых двигателей значительно сложнее. Поэтому для самодельного изготовления рекомендуются именно роторные двигатели.