Kinetički vjetrogenerator: ustroj, princip rada, primjena

Suvremeni kinetički vjetrogenerator omogućuje iskorištavanje snage zračnih struja, pretvarajući je u električnu energiju. U tu svrhu postoje tvornički i samostalno izrađeni modeli uređaja koji se primjenjuju kako u industriji, tako i u privatnim kućanstvima.

Objasnit ćemo kako su izgrađeni vjetrogeneratori ovog tipa, upoznat ćemo vas sa značajkama konstrukcije i varijantama izvedbe. U predloženom članku navedene su slabe i jake strane vjetroenergetskog postrojenja. Samostalni majstori kod nas će pronaći korisne sheme i preporuke za sastavljanje.

Princip rada vjetrogeneratora

Temelj rada vjetrogeneratora je transformacija kinetičke energije vjetra u mehaničku energiju rotora, koja se zatim pretvara u električnu energiju.

Princip rada je prilično jednostavan: rotacija lopatica pričvršćenih na osovinu uređaja dovodi do kružnih pokreta rotorskog generatora, čime se proizvodi električna energija.

Vjetroenergetika je jedna od najperspektivnijih grana obnovljive energije. Suvremene konstrukcije omogućuju ekonomski učinkovito korištenje snage zračnih strujanja za proizvodnju električne energije.

Dobivena nestabilna izmjenična struja 'otječe' u kontroler, gdje se pretvara u istosmjerni napon koji može puniti baterije. Odatle napajanje ide u pretvarač, gdje se transformira u izmjenični napon od 220/380 V, koji se isporučuje potrošačima.

Snaga vjetrogeneratora izravno ovisi o snazi strujanja zraka (N), izračunatoj prema formuli N=pSV³/2, gdje je V – brzina vjetra, S – radna površina, p – gustoća zraka.

Ustroj vjetrogeneratora

Različite inačice vjetrogeneratora znatno se međusobno razlikuju.

Na prikazanoj shemi prikazan je unutarnji ustroj klasičnog horizontalnog vjetrogeneratora. Takvi modeli se najčešće koriste kako u industiji tako i u kućanstvu.

Industijski uređaji predstavljaju složenu višemetarsku konstrukciju za čiju je ugradnju potreban temelj, dok se kućni model može sastojati od minimalnog broja komponenti (istosmjerni elektromotor 3-12 V, elektrolitski kondenzator 1000 µF 6 V, silicijska ispravljačka dioda).

Tipična instalacija uključuje sljedeće sastavne dijelove:

• generator izmjenične struje (snaga ovisi o brzini vjetra);
• lopatice koje prenose rotaciju na vratilo generatora (često su dodatno opremljene reduktorima, stabilizatorima brzine vrtnje rotora);
• jarbol vjetrenjače, na koji su pričvršćene lopatice (što su ti elementi viši, to više energije vjetra mogu dobiti);
• akumulatori koji pohranjuju energiju, što omogućuje njezino korištenje pri slabom vjetru ili u potpunom nedostatku vjetra. Baterija takoder ima funkciju stabilizacije električne energije primljene od generatora;
• kontroler – pretvarač izmjeničnog napona dobivenog iz generatora u istosmjerni, koji se koristi za punjenje baterije. Upravljanje kontrolerom vrši se zakretanjem lopatica, što omogućuje praćenje kuda se kreću zračne struje;
• ARU – uređaj za automatsko prebacivanje, koji povezuje vjetrogenerator s drugim izvorima energije (solarnim panelima, električnom mrežom);
• senzor smjera vjetra – uređaj koji olakšava lopaticama traženje vjetra;
• pretvarač za pretvorbu istosmjerne struje iz akumulatora u izmjenični napon koji se koristi u elektrokomunikacijama.

Za potpunije zadovoljenje korisničkih potreba, uređaj može biti opremljen različitim vrstama pretvarača:

• Uređaji s pretvaračem koji proizvodi modificirani sinusni val (kvadratni sinusni val). Ova vrsta uređaja prikladna je za grijaće elemente, žarulje sa žarnom niti i druge uređaje koji nisu osjetljivi na kvalitetu mreže;
• pretvarači trofaznog napona, dizajnirani za trofazne elektroenergetske mreže;
• instalacije s čistim sinusnim valom, koje proizvode energiju za osjetljiviju opremu;
• mrežni pretvarači koji mogu raditi bez baterija. Ovakvi uređaji namijenjeni su shemama koje podrazumijevaju izravno slanje električne energije u zajedničku mrežu.

Prilikom odabira modela svakako obratite pažnju na vrstu pretvarača.

Tipovi vjetrogeneratora

Pri klasifikaciji vjetroturbina mogu se uzeti u obzir sljedeće karakteristike:

• namjena;
• konstrukcijske značajke;
• broj lopatica;
• materijali od kojih su izrađene;
• os rotacije;
• korak propelera.

Razmotrimo detaljno dvije najčešće korištene klasifikacije.

Klasifikacija vjetrogeneratora prema namjeni

Izdvajaju se vrste vjetroelektrana koje se razlikuju po namjeni. O tome ovise i glavne karakteristike uređaja, kao što je snaga.

Industrijske vjetroturbine

Ovakve uređaje postavljaju velike energetske tvrtke ili država za opskrbu električnom energijom industrijskih objekata. Turbine snage desetaka megavata obično se postavljaju na vjetrenim lokacijama (otvorene uzvisine, obale).

Vjetroparkovi, gdje se postavlja desetine vjetrenih turbina, postavljaju se ne samo na kopnu, već i na plitkim morima. Dobivena električna energija obično se koristi u industrijske svrhe.

Proizvedena električna energija obično ide izravno u mrežu, pri čemu su vjetroturbine opremljene dodatnim mehanizmima za stabilnost i regulaciju brzine vrtnje lopatica.

Komercijalni vjetrogeneratori

Ovakve instalacije koriste se za proizvodnju električne energije za prodaju ili za opskrbu električnom energijom proizvodnje u regijama sa slabom elektroenergetskom mrežom (ili bez nje). Ovakve vjetroelektrane sastoje se od skupa električnih generatora koji mogu imati različite snage.

Energija iz komercijalnih instalacija može ići izravno u električne mreže ili se koristiti za punjenje velikog niza baterija, gdje se skuplja i pretvara za isporuku u elektroenergetski sustav.

Kućanski vjetroagregati

Agregati male snage koriste se za privatnu upotrebu. Prema pravilima, vjetrenjače s jarbolima visine manjim od 25 metara mogu postavljati vlasnici parcela bez dogovora s vlastima, dok je za više jarbole potrebno posebno odobrenje.

Vjetrenjače male i srednje snage mogu poslužiti kao izvor električne energije za vikendice, ljetnikovce, kuće u predgrađu, poljoprivredna gospodarstva.

Kućni vjetrogeneratori prikladni su za punjenje baterija napona 12/24/48 V, čija se energija pretvara u napon od 220 Volti. Takvi uređaji omogućuju potpuno ili djelomično rješavanje problema opskrbe električnom energijom malih objekata koji se nalaze daleko od centralizirane električne mreže.

S mjerilima odabira vjetrogeneratora za opskrbu energijom privatne kuće upoznat će vas članak posvećen ovom zanimljivom pitanju.

Različite izvedbe vjetrogeneratora

Prema konstrukcijskim značajkama uređaji se također mogu podijeliti u nekoliko kategorija, iako se sve varijante svode na dva glavna tipa: vertikalne i horizontalne.

Klasični horizontalni vjetrogeneratori

Slične instalacije (nazivaju ih i propelerskim ili lopatičnim) obično imaju 3-5 lopatica postavljenih na vodoravnu os. Rotirajući velikom brzinom, takvi elementi omogućuju dobivanje maksimalne količine energije (koeficijent iskorištenja vjetra do 0.4).

Pritom količina proizvedene električne energije uvelike ovisi o visini uređaja (što je viši, veći je rezultat).

Horizontalni vjetrogenerator koristi silu uzgona koja nastaje porastom tlaka u točki gdje izravna struja zraka prolazi kroz lopatice, odbijajući se od tih elemenata.

Slični se uređaji obično postavljaju u vjetroparkovima gdje se proizvodi energija za industrijsku i komercijalnu uporabu, no prikladni su i za kućnu primjenu.

Zanimljivo rješenje horizontalne vjetrenjače je model s jednom lopaticom, s njegovim značajkama upoznat će vas sljedeći izbor fotografija:

Vertikalne vjetroturbine

Radni element takvih postrojenja je rotirajući vjetreni kotač. Zbog konstrukcijskih značajki, takve se konstrukcije razlikuju po vrstama („Bačva“, „Savonius“).

S načelom uređaja turbine vertikalnog generatora Savoniusa upoznat će vas sljedeća fotogalerija:

Unatoč niskom KIEV-u (0.1-0.2), pronalaze prilično široku primjenu: vertikalna postrojenja rade na turbulentnim strujanjima zraka, zahvaljujući čemu se mogu postaviti čak i u područjima gdje rijetko pušu jaki vjetrovi.

Rad vertikalnih vjetrogeneratora ne ovisi o smjeru vjetrova. Jednostavni su za montažu i održavanje, a uz to se takvi uređaji mogu postaviti blizu tla.

Kako bi povećali učinkovitost vertikalnih vjetrenjača, proizvođači često povećavaju njihove dimenzijske parametre, što dovodi do značajnog povećanja troškova. Budući da su takva postrojenja prilično krhka, zahtijevaju pojačanu zaštitu od uragana i drugih prirodnih pojava.

Vjetrogeneratori «Rotor Darrieus»

Takvi uređaji spadaju u kategoriju vertikalnih vjetrenih turbina, ali imaju izražene razlike u konstrukciji. Zahvaljujući takvim osobinama, postiže se smanjenje buke, a također raste KIEV koji se približava pokazateljima horizontalnih modela.

Predložena 1931. godine od strane francuskog zrakoplovnog konstruktora Georgesa Darrieusa, turbina niskog tlaka s osi rotacije okomitom na zračnu sredinu, našla je široku primjenu u vjetroenergetici.

Nedostatak takvih konstrukcija je niski startni moment (zbog prisutnosti samo dvije lopatice, uređaju je teško samostalno startati). Za rješavanje problema često se primjenjuje hibrid «Savonius+Darrieus».

Jedrenjački vjetrogeneratori

Za takve uređaje može se primijeniti princip uređaja kako vertikalnih tako i horizontalnih vjetrenjača. Glavna konstrukcijska značajka je vjetro kolo prekriveno s više lopatica ili jedara, pri čemu aerodinamički profil kod takvih modela izostaje.

Postoji mnogo modela jedrenjačkih vjetrogeneratora koji se razlikuju po broju lopatica, težini, snazi. Sve ove parametre treba uzeti u obzir pri odabiru uređaja.

Unatoč tome što se jedrenjački uređaji odlikuju sporohodnošću i manjom učinkovitošću, često se primjenjuju u narodnom gospodarstvu. Takve su konstrukcije lagane za montažu i eksploataciju, a kombinacija visokog zakretnog momenta s niskim okretajima omogućuje izravno pokretanje raznih korisnih mehanizama, primjerice pumpe za ispumpavanje vode.

S jednim od praktično realiziranih modela jedrenjačkih vjetrenjača upoznat će vas sljedeća galerija:

Generator za vjetroturbinu

Za funkcioniranje vjetrenjača potrebni su obični trofazni generatori. Konstrukcija takvih uređaja analogna je modelima koji se koriste u automobilima, ali ima veće parametre.

U uređajima za vjetrene turbine predviđen je trofazni namot statora (spoj tipa «zvijezda»), odakle izlaze tri žice koje idu na kontroler, gdje se odvija transformacija izmjeničnog napona u istosmjerni.

Rotor generatora za vjetroturbinu izrađuje se na neodimijskim magnetima: u takvim konstrukcijama nije svrhovito koristiti električnu pobudu jer zavojnica troši mnogo energije.

Za povećanje brzine okretaja često se koristi multiplikator. Takav uređaj omogućuje povećanje snage postojećeg generatora ili korištenje manjeg uređaja, čime se smanjuje cijena instalacije.

Multiplikatori se češće upotrebljavaju u vertikalnim vjetrogeneratorima, kod kojih se rotacija vjetrokoala odvija sporije. Za horizontalne uređaje s velikom brzinom rotacije lopatica multiplikatori nisu potrebni, što pojednostavljuje i pojeftinjuje konstrukciju.

Specifičnost sastavljanja i montaže vjetrogeneratora iz perilice rublja i vjetroinstalacije iz automobilskog generatora detaljno je opisana u člancima koje preporučujemo.

Prednosti i nedostaci vjetrogeneratora

Razmotrimo detaljno prednosti i nedostatke vjetroturbina, jer upravo o njima ovisi odluka o kupnji vjetroagregata ili odustajanju od iste.

Prednosti vjetroenergetskih uređaja

U prednosti uređaja koji koriste energiju vjetra spadaju:

• Ekološka prihvatljivost. Instalacije koriste obnovljivi izvor energije koji se može neprekidno upotrebljavati bez nanošenja štete okolišu. Električna energija koju proizvode vjetrogeneratori zamjenjuje energiju termoelektrana, smanjujući emisiju stakleničkih plinova.
• Svestranost. Vjetroelektrane se mogu graditi gotovo posvuda: na ravnicama, u planinama, na poljima, na otocima, pa čak i u plitkoj vodi. Energija vjetra posebno je cijenjena na udaljenim mjestima gdje je teško provući uobičajene električne vodove. Vjetrogeneratori u tom slučaju omogućuju uspostavu opskrbe energijom objekata, osiguravajući joj neovisnost o slučajnim čimbenicima (primjerice, o neisporučenom gorivu na vrijeme).
• Učinkovitost korištenja. Suvremeni modeli prerađuju energiju čak i slabih vjetrova – minimalna granica iznosi 3,5 m/s. Na sličan način može se proizvoditi dodatna opskrba električnom energijom u centraliziranu mrežu, kao i organizirati opskrba električnom energijom pojedinačnih objekata (otočnih ili lokalnih) neovisno o njihovoj snazi.
• Dostojna alternativa tradicionalnim izvorima. Stacionarne vjetroelektrane mogu u potpunosti opskrbiti električnom energijom stambenu kuću ili čak manji proizvodni objekt. U tom će slučaju turbina akumulirati u baterijama potrebnu zalihu električne energije namijenjenu za upotrebu tijekom razdoblja bez vjetra.
• Ekonomičnost. U usporedbi s tradicionalnim izvorima električne energije (plin, treset, kameni ugljen, nafta), vjetroturbine omogućuju znatno smanjenje troškova energije. U mnogim slučajevima izgradnja vjetroelektrane je jeftinija nego priključenje na postojeće energetske sustave.

Primjena vjetroturbina može biti alternativa korištenju skupih dizelskih generatora, dodatno smanjujući troškove transporta i skladištenja goriva do 80%.

Prosječna snaga vjetroturbine višestruko se razlikuje od vrijednosti vršnog opterećenja. Vjetrogenerator odgovara samo za količinu proizvodnje energije u određenom vremenskom razdoblju pri srednjoj mjesečnoj brzini vjetra karakterističnoj za to područje.

Za točniju procjenu vjetrovnih resursa mogu se koristiti posebno izvedeni podaci (Weibullovi parametri). Ti pokazatelji odražavaju karakterističnu raspodjelu vjetrova različitih jačina za određeno područje. Takve je informacije važno uzeti u obzir pri izradi projekata vjetroelektrana čija snaga iznosi desetke MW.

Snaga koju proizvodi vjetroturbina proporcionalna je utrostručenoj brzini vjetra. Stoga je ta vrijednost vrlo mala pri slabim vjetrovnim strujanjima, ali pri njihovom jačanju – naglo raste. Zbog promjenjivosti smjera vjetrova i njihove brzine, pri konstrukciji vjetroturbine potrebno je predvidjeti stabilizirajuće komponente.

Pravila i formule za izračun snage vjetrogeneratora navedeni su ovdje, preporučujemo da se upoznate s vrlo korisnim informacijama.

U malim autonomnim sustavima njihovu funkciju obavljaju baterije, čiji se naboj počinje povećavati čim snaga vjetrogeneratora premaši vrijednost opterećenja.

Pri porastu opterećenja baterija se može isprazniti. Takvu značajku rada važno je uzeti u obzir pri odabiru kućnog uređaja; njegova snaga mora odgovarati mjesečnoj ili godišnjoj normi potrošnje električne energije.

Treba napomenuti da učinkovitoj primjeni vjetrovnih strujanja doprinosi raznolikost konstrukcija vjetrogeneratora.

Horizontalne turbine daju visoke pokazatelje na ravnim mjestima gdje ima mnogo vjetra, dok vertikalne turbine bolje rade u regijama s turbulentnim strujanjima koja se opažaju nisko od tla (u gornjem dijelu brda, planinskih lanaca).

Glavni nedostaci vjetrogeneratora

Istovremeno, vjetroturbine imaju i svoje negativne strane:

• Veličinu jačine vjetra teško je predvidjeti unaprijed jer se često mijenja. Zbog toga je poželjno osmisliti zaštitu, predviđajući dodatni izvor energije (solarne panele, priključak na električnu mrežu).
• Vertikalni uređaji izloženi su opasnosti od uništenja lopatica vijka zbog djelovanja centrifugalnih sila pri rotaciji lopatica oko glavne osi. Uslijed takvog učinka važni konstrukcijski elementi s vremenom se deformiraju i uništavaju, a mehanizam prestaje funkcionirati.
• Vjetroturbine je bolje instalirati na slobodnom prostoru jer obližnje zgrade mogu „ugasiti" vjetar, stvarajući „mrtvu" zračnu zonu.
• Za očuvanje viška energije vjetroturbina potrebno je u konstrukciji predvidjeti korištenje akumulatora i drugih dodatnih uređaja koji služe za pretvaranje dobivene električne energije u struju s odgovarajućim potrošačkim karakteristikama.
• Tijekom rada vjetrogeneratori proizvode buku koja može uzrokovati nelagodu ljudima, preplašiti životinje. Lopatice postrojenja također mogu uzrokovati smrt ptica koje im prilete.
• Prema mišljenju nekih stručnjaka, vjetroturbine mogu pogoršati prijem radijskih i televizijskih emisija.

Negativnim aspektima može se pripisati i prilično visoka cijena takvih agregata, no jeftinoća izvora energije uvelike neutralizira taj čimbenik.

Sheme i načini spajanja

Iako vjetroagregat može raditi i autonomno, znatno bolji rezultat može se postići pomoću kombiniranih shema koje predviđaju kombinaciju vjetroagregata sa solarnim pločama, centraliziranom električnom mrežom, dizelskim ili plinskim izvorima energije.

Autonomni rad. U ovom slučaju postavlja se pojedinačno postrojenje kojim se hvata i akumulira energija vjetra, koja se zatim pretvara u električnu struju potrebnu potrošačima.

Na shemi je prikazan najjednostavniji način primjene vjetrogeneratora, koji je preporučljivo koristiti u regijama gdje stalno pušu jaki vjetrovi.

Kombiniranje vjetrogeneratora sa solarnim pločama. Kombinirana opcija smatra se pouzdanim i učinkovitim načinom opskrbe električnom energijom. U slučaju izostanka vjetra akumulator radi na solarnim pločama, a po oblačnom vremenu i tijekom noći punjenje se obavlja iz vjetroagregata.

Idealna opcija za privatnu kuću ili gospodarstvo smješteno daleko od centralizirane električne mreže. Takva kombinirana shema omogućuje korištenje dviju vrsta obnovljive energije.

Kombinirani rad vjetrogeneratora i električne mreže. Vjetroturbinu se može kombinirati s električnim mrežama.

Takva je shema tipična za industrijske i komercijalne uređaje. Priključak na električne mreže predviđaju i neki modeli kućanskih vjetrogeneratora.

U slučaju viška proizvedene električne energije ona se isporučuje u centraliziranu mrežu, a u slučaju njezina manjka postoji mogućnost korištenja električne struje iz zajedničkog energetskog sustava.

Nijanse primjene vjetrogeneratora

Trenutačno se vjetroturbine koriste u raznim područjima nacionalnog gospodarstva. Industrijske modele različitih snaga koriste naftne i plinske tvrtke, telekomunikacijske tvrtke, bušaće i geološko-istraživačke postaje, proizvodni objekti i državne institucije.

Vjetrenjača se može koristiti kao dodatni izvor energije u bolnicama i drugim ustanovama kako bi se osigurala neprekidna opskrba električnom energijom u hitnim situacijama

Posebno treba istaknuti važnost korištenja vjetroelektrana za brzu obnovu oštećene električne energije tijekom kataklizmi i prirodnih nepogoda. U tu svrhu vjetrogeneratore često koriste jedinice MČS-a.

Kućne vjetroturbine izvrsno su prikladne za organizaciju rasvjete i grijanja vikend naselja i privatnih kuća, kao i za poljoprivredne potrebe na farmama.

Pri tome treba uzeti u obzir nekoliko točaka:

• Uređaji do 1 kW mogu dati dovoljnu količinu električne energije samo na vjetrovitim mjestima. Obično energija koju proizvode dovoljna je samo za LED rasvjetu i napajanje malih elektroničkih uređaja.
• Da biste u potpunosti opskrbili vikendicu (kuću za odmor) električnom energijom, trebat će vam vjetrogenerator snage veće od 1 kW. Ta je vrijednost dovoljna za napajanje rasvjetnih tijela, kao i računala i televizora, ali njegova snaga nije dovoljna za opskrbu električnom energijom modernog hladnjaka koji radi 24 sata dnevno.
• Za opskrbu energijom vikendice trebat će vjetrenjača snage 3-5 kW, ali ni ta vrijednost nije dovoljna za grijanje kuća. Za korištenje takve funkcije potrebna je snažna inačica, počevši od 10 kW.

Pri odabiru modela treba uzeti u obzir da se nazivna snaga navedena na uređaju postiže samo pri maksimalnoj brzini vjetra. Tako će uređaj od 300 W proizvoditi navedenu količinu energije samo pri brzini zračnih struja od 10-12 m/s.

Onima koji žele sami izgraditi vjetrogenerator nudimo sljedeći članak, u kojem su detaljno izložene korisne informacije.

Zaključci i koristan video na temu

U videu prikazanom u nastavku daju se detaljne informacije o principu rada i konstrukciji kućnog modela vjetrogeneratora:

Vjetrogenerator je izvrstan izvor proizvodnje električne energije, koji će posebno cijeniti stanovnici udaljenih mjesta. Razna ruska i strana poduzeća nude veliki asortiman vjetrenjača, osim toga, kućne modele možete izraditi i sami.

Molimo Vas, napišite komentare u blok ispod. Ispričajte nam kako ste izgradili vjetrogenerator na svojoj parceli ili kako radi vjetrenjača kod vaših susjeda. Postavite pitanja, podijelite korisne informacije i fotografije na tu temu.