Ветрогенератор схема: Принцип работы ветрогенератора и его комплектующие

Принцип работы ветрогенератора и его комплектующие

Содержание раздела:

1. Компоненты ветроустановки
2. Комплектация наших ветроустановок
3. Подбор ветряка
4. Примеры подбора компонентов установки
5. Схемы работы ветрогенератора

1. Компоненты ветроустановки

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:

1. Генератор – необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.
2. Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.
3. Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.

Список дополнительных необходимых компонентов:

1. Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей.
2. Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей.
3. Анемоскоп и датчик направления ветра – отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.
4. АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания!
5. Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.
Инверторы бывают четырёх типов:
1. Модифицированная синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств и т.п.
2. Чистая синусоида — преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др.
3. Трехфазный – преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования.
4. Сетевой – в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в общественную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов. Иногда они стоят дороже, чем все остальные компоненты ветроустановки вместе взятые.

2. Комплектация наших ветроустановок

В комплект наших ветроэнергетических установок входит:

1. Турбина
2. Мачта (не входит в комплект EuroWind 300L)
3. Лопасти
4. Крепления
5. Тросы мачты
6. Поворотный механизм (только с ветрогенераторами EuroWind 3 и старше)
7. Контроллер
8. Анемоскоп и датчик ветра (только с ветрогенераторами EuroWind 3 и старше)
9. Хвост (только с ветрогенераторами EuroWind 2 и младше)

Аккумуляторы, инвертор и дополнительно оборудование подбираются индивидуально и в базовую комплектацию не входят. Независимо от комплектации ветрогенератор всегда автоматически позиционируется по ветру.

3. Подбор ветряка

Первый вопрос, на который вы должны дать ответ и который поможет вам ответить на остальные вопросы: Для чего вам нужен ветрогенератор и какие задачи он должен выполнять?

Ответив на главный вопрос, вы можете без проблем ответить на остальные вопросы и решить какой набор оборудования вам необходим и сколько это будет стоить.

Итак, три основные величины, которые определяют работу всего комплекса:

1. Выходная мощность ветроустановки (кВт), определяется только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависит от скорости ветра, емкости аккумуляторов. Ещё её называют «пиковой нагрузкой». Этот параметр определяет максимальное количество электроприборов, которые могут быть одновременно подключены к вашей системе. Вы не сможете одновременно потреблять больше электроэнергии, чем позволяет мощность вашего инвертора. Если вы потребляете электроэнергию редко, но в больших количествах, то обратите внимание на более мощные инверторы. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов.
2. Время непрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется емкостью аккумуляторных батарей (Ач или кВт) и зависит от мощности и длительности потребления. Если вы потребляете электроэнергию редко, но в больших количествах, обратите внимание на аккумуляторы с большой емкостью.
3. Скорость заряда аккумуляторных батарей (кВт/час) зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель прямо зависит от скорости ветра, а косвенно от высоты мачты и рельефа местности. Чем мощнее ваше генератор, тем быстрее будут заряжаться аккумуляторные батареи, а это значит, что вы сможете быстрее потреблять электроэнергию из батарей и в больших объемах. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или вы потребляете электроэнергию постоянно, но в небольших количествах. Для увеличения скорости заряда аккумуляторов возможна установка нескольких генераторов одновременно и подключение их к одной аккумуляторной батарее.

Исходя из перечисленных выше факторов, для подбора ветрогенератора и сопровождающего оборудования вам необходимо ответить на три вопроса:

1. Количество электроэнергии, необходимое вашему объекту ежемесячно (измеряется в киловаттах). Эти данные необходимы для подбора генератора. Их можно взять из коммунальных счетов на оплату электроэнергии или рассчитать самостоятельно, если объект находится в стадии строительства.
2. Желаемое время автономной работы вашей энергосистемы в безветренные периоды или периоды, когда ваше потребление энергии из аккумуляторов будет превышать скорость зарядки аккумуляторных батарей генератором. Данный параметр определяет количество и емкость аккумуляторных батарей.
3. Максимальная нагрузка на вашу сеть в пиковые моменты (измеряется в киловаттах). Необходимо для подбора инвертора переменного тока.

4. Примеры подбора компонентов установки

Рассмотрим несколько общих примеров подбора оборудования ветроустановки. Более точный расчёт может быть произведён нашими специалистами и включает в себя гораздо больше необходимых деталей.

Пример расчёта ветряка №1

Описание:

Частный дом в Киевской области находится в стадии строительства. По предварительным расчётам жильцы дома будут потреблять не больше 300 400 кВт электроэнергии ежемесячно. Затраты электроэнергии не очень высокие, т.к. хозяева будут использовать для отопления и нагрева воды твердотопливный котёл, а ветрогенератор необходим только для полного обеспечения бытовых приборов электроэнергией.

Хозяева проводят основную часть дня на работе, а пик потребления электроэнергии припадает на утренние и вечерние часы. В этот момент могут быть включены электроприборы суммарной мощностью до 4 киловатт.

Дом находится на возвышенности и есть открытое пространство вокруг будущего места установки ветрогенератора.

Общественной электросети нет.

Задача:

Полностью обеспечить 300-400 кВт электроэнергии ежемесячно с пиковыми нагрузками до 4 кВт.

Решение:

Чтобы понять как быстро должны заражаться аккумуляторы при расходе электроэнергии 400 кВт в месяц, мы должны разделить 400 кВт/мес на 30 дней (получим ежедневное потребление), а затем полученное число разделить на 24 часа (400/30/24 = 0,56 кВт/час – среднее ежечасное потребление). Скорость заряда аккумуляторных батарей генератором должна составить как минимум 560 Ватт в час.

В Киевской области низкая среднегодовая скорость ветра, но открытое пространство и возвышение объекта позволит ветрогенератору работать как минимум на 30-40% от номинальной мощности. Для более точных показателей можно произвести замер скорости ветра в месте установки.

Для того, чтобы обеспечить заряд аккумуляторных батарей генератором при этих условиях со скоростью 560 Ватт в час, нужно взять генератор, номинальная мощность которого будет как минимум в три раза больше необходимой, т.к. генератор будет работать всего на 30-35% от номинальной мощности (560Вт/ч*3=1680Вт/ч). Для этих нужд нам подходит генератор EuroWind 2 с номинальной мощностью 2000 Ватт.

Проводя 8-9 часов на работе в будние дни, хозяева отсутствуют, и энергопотребление их дома сведено к минимуму. В ночное время потребление также сведено к минимуму. Основное потребление происходит утром и вечером. Между этими основными пиками существует интервал в 8-9 часов.

При среднем уровне заряда аккумуляторных батарей 560 Вт/ч за интервал 8-9 часов ветровой генератор сможет выработать около 5000 Ватт. В ветреные дни этот показатель может увеличиться как минимум в два раза, поэтому за тот же период времени может быть выработано 10000 Ватт электроэнергии.

Генератор EuroWind 2 имеет напряжение 120 Вольт, поэтому ему необходимо 10 аккумуляторов с напряжением 12 Вольт (12В*10=120В). Одна аккумуляторная батарея 12В 100Ач способна сохранить до 1,2 кВт электроэнергии. Десять таких батарей могут сохранить до 12 кВт (1200Вт*10=12000Вт). Для запаса 10000 Ватт электроэнергии нам отлично подойдут 10 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 100Ач.

Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты до 4 кВт, можно установить инвертор 5 кВА. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку 4 кВт и пусковые токи до 6 кВт (150% нагрузка). Таблицу совместимости инверторов вы найдёте в разделе Инверторы.

АВР в данном случае не нужен, т.к. нет основной сети, а коммутацию с дизельным генератором (или бензиновым) можно производить посредством перекидного рубильника.

А вот дизельный генератор на 5 кВт в нашем случае не помешает – его можно использовать как резервное питание при полном отсутствии ветра.

ИТОГО:

Для полного энергообеспечения объекта нам необходим генератор EuroWind 2, 10 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 100Ач, инвертор 5 кВА, дизельная электростанция на 5 кВт.

Пример расчёта ветряка №2

Описание:

Небольшой отель на 8 номеров вместе с рестораном расположены на трассе в открытом поле. Среднегодовая скорость ветра в месте установки была замерена предварительно и составляет 6,8 м/с. Расходы электроэнергии на бытовые приборы и освещение составляют 60 кВт на один номер в месяц и около 2500 кВт в месяц на ресторан. Ресторан и отель обогреваются, кондиционируются и круглый год обеспечивают себя горячей водой с помощью трехфазного геотермального теплонасоса инверторного типа мощностью 14 кВт. Потребление электроэнергии данного теплонасоса составляет 3,5 кВт/час, а пусковые токи — всего 2,8 кВт.

В ресторане и отеле используются энергосберегающие лампы для освещения. Пиковая нагрузка при использовании электроприборов и освещения объекта составляет около 7,5 кВт (не считая 3,5 кВт теплонасоса).

Есть общественная электросеть, но она не может обеспечить потребности, т.к. выделена линия мощностью только 4 кВт. Большую мощность не может обеспечить местная подстанция.

Задача:

Полное обеспечение объекта независимой электроэнергией, отоплением и резервным питанием от основной сети.

Решение:

Ежемесячный расход электроэнергии на содержание номеров составит 60 кВт * 8 номеров = 480 кВт в месяц. Общий расход электроэнергии на содержание отеля и ресторана без учёта отопления составит 2980 кВт в месяц (480 кВт + 2500 кВт = 2980 кВт). Отсюда следует, что среднее ежечасное потребление на все электроприборы и освещение без учёта обогрева составит 4,14 кВт/час (2980 кВт / 30 дней / 24 часа = 4,14 кВт/час). К этому числу необходимо прибавить 3,5 кВт/час, которые будет потреблять теплонасос. В итоге мы получаем, что генератор должен обеспечивать нас как минимум 7,64 киловаттами электроэнергии ежечасно (4,14 кВт/час + 3,5 кВт/час = 7,64 кВт/час).

Среднегодовая скорость ветра 6,8 м/с позволяет генератору работать как минимум на 40% от номинальной мощности. Отсюда следует, что номинальная мощность генератора должна составлять как минимум 19,1 кВт/час (7,64 кВт/час / 40% = 19,1 кВт/час)

Для этих целей отлично подошёл бы генератор EuroWind 20, но он рассчитан на более высокие средние скорости ветра, как и другие мощные генераторы (EuroWind 15, 20, 30, 50). Поэтому мы отдадим предпочтение двум генераторам EuroWind 10, которые будут работать в одной системе, вместо одного генератора EuroWind 20. Тем более, что свободное место для установки ветрогенератора в данном случае не критично – есть свободная площадь вокруг отеля и ресторана.

В этом комплексе практически отсутствуют большие перерывы в использовании электроэнергии, а постоянные ветра поддерживают равномерный уровень заряда аккумуляторов.

В этом случае необходимы аккумуляторы, которые будут являться своеобразным «буфером» между генератором и инвертором. Их главная задача будет состоять в стабилизации и выпрямлении напряжения, а не накоплении электроэнергии.

Генератор EuroWind 10 имеет напряжение 240 Вольт, поэтому ему необходимо 20 аккумуляторов с напряжением 12 Вольт (12В*20=240В). Одна аккумуляторная батарея 12В 150Ач способна сохранить до 1,8 кВт электроэнергии. Двадцать таких батарей могут сохранить до 36 кВт (1800Вт*20=36000Вт). Запаса электроэнергии в 36 кВт должно хватить всему комплексу почти на 5 часов непрерывной работы при средней нагрузке при полном отсутствии ветра. Для этого нам подойдут 20 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 150Ач.

Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты до 7,5 кВт, можно установить инвертор 10 кВА. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку 8 кВт и пусковые токи до 12 кВт (150% нагрузка).

А для обеспечения теплонасоса мощностью 3,5 кВт нам необходим трехфазный инвертор, т.к. этот теплонасос требует трехфазный ток с напряжением 380В. В этом случае возьмём ещё один инвертор – трехфазный 5 кВА, который обеспечит нас напряжением 380В и постоянной мощностью 4 кВт.

Можно установить АВР, который будет автоматически переключать питание отеля и ресторана с ветрогенератора на общественную электросеть в случае полного безветрия и разряда аккумуляторных батарей. Среднее потребление отеля и ресторана (4,14 кВт) практически равно мощности общественной линии электропередач, которая была выделена объекту (4 кВт), поэтому резервное питание будет обеспечено.

Для резервного обеспечения теплового насоса можно установить трехфазную бензиновую или дизельную электростанцию мощностью 3,5 4 кВт, т.к. общественная электросеть не сможет обеспечить трехфазный ток для резервного питания теплонасоса.

ИТОГО:

Для полного энергообеспечения этого объекта нам необходимы два генератор EuroWind 10, 20 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 150Ач, однофазный инвертор 10 кВА, трехфазный инвертор 5 кВА, АВР, бензиновая или дизельная электростанция на 3,5-4 кВт.

5. Схемы работы ветрогенератора

Приводим несколько популярных схем работы ветрогенераторных систем с потребителем. Это всего лишь некоторые примеры, поэтому возможны и другие схемы работы. В каждом случае составляется индивидуальный проект, который способен решить поставленную перед нами задачу.

Ветрогенератор (с аккумуляторами) и коммутация с сетью.
АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети.

Ветрогенератор (с аккумуляторами) и резервный дизель-(бензо-)генератор.
В случае отсутствия ветра и разряде аккумуляторных батарей происходит автоматический запуск резервного генератора.

Ветрогенератор (без аккумуляторов) и коммутация с сетью.
Общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей – в неё уходит вся выработанная электроэнергия и из неё потребляется. Вы платите только за разницу между выработанной и потреблённой электроэнергией. Такая схема работы пока-что не разрешена в Украине и во многих других странах.

Гибридная автономная система – солнце-ветер
Возможно подключение солнечных фотомодулей к ветрогенераторной системе через гибридный контроллер или с помощью отдельного контроллера для солнечных систем.

Увеличение производительности системы.
Возможно установить два и более генератора, инвертора и комплекта аккумуляторов для увеличения мощности системы.

Также возможны другие схемы работы и коммутации ветрогенераторов.

как правильно подсоединять трехфазный контроллер?

Эксплуатация устройства

Порядок подключения ветрогенератора является важным моментом эксплуатации устройства, от которого зависит возможность выполнения комплектом своих функций, сохранность оборудования в рабочем состоянии и долговечность аппаратуры. Неправильное подключение может вывести из строя отдельные узлы, аккумуляторные батареи. Для того, чтобы исключить возможность ошибки, надо заранее уяснить себе схему присоединения элементов комплекса друг к другу, правильное подключение балласта и нагрузки.

Как правильно подключить ветрогенератор?

Прежде, чем начинать рассмотрение правил подключения, надо определиться с составом комплекта. Ветрогенератор представляет собой целую систему оборудования, из которого вращающийся ветряк — только преобразователь энергии ветра во вращательное движение, заставляющее функционировать генератор.

Дальше напряжение подается на контроллер сигнала. Это прибор, следящий за состоянием аккумуляторных батарей. Если они загружены полностью, контроллер переключает их с режима зарядки на режим потребления, параллельно включая балластное сопротивление (потребитель) для снятия лишнего заряда.

Напряжение с аккумуляторов идет на инвертор, который преобразует постоянный ток аккумуляторов в стандартные 220 В, 50 Гц, которые питают бытовую технику, освещение и прочие приборы потребления.

Основные схемы

Возможны различные схемы подключения ветрогенератора. Основная коммутация остается неизменной, варианты касаются только присутствия дополнительного источника энергии. Различают:

• питание только от ветроустановки
• ветрогенератор работает в паре с сетевым электричеством. При разряде аккумуляторов происходит переключение на сетевые ресурсы, после зарядки батарей установка вновь переключается на обеспечение потребителей
• подключение параллельно с бензогенератором. Разряд батарей инициирует запуск бензогенератора, затем обратное подключение ветряка
• параллельное подключение с солнечными батареями. Один из наиболее часто встречающихся комплектов. Используются солнечные батареи, работающие параллельно с ветряком и, по необходимости, берущие на себя основное обеспечение потребителей
• на Западе излишки выработанной энергии сбрасываются в сеть, за что владелец ветряка получает некоторую плату. В России такого оборудования пока не имеется, поэтому излишки попросту утилизируются с помощью балластных сопротивлений.

Сетевая схема подключения

Сетевая схема представлена в двух вариантах:

• сетевая схема без аккумуляторов. Выработанная энергия отдается в сеть, а потребители питаются из нее. Владелец платит только за разницу между выработанной и потребленной энергией. В России такой вариант не реализован
• сетевая схема с аккумуляторами. В данном случае подключение к сети используется только при разряде аккумуляторов, т.е. сетевые ресурсы используются как гарантия.

Такая схема подключения имеет свои достоинства и недостатки, но для того, чтобы она была действительно выгодной, надо, чтобы выработанной энергии хватало на обеспечение большого количества потребителей, а оборудование стоило довольно дешево. В противном случае проще постоянно пользоваться сетевой энергией, а ветряк держать на случай внезапных перебоев. Так будет надежнее, проще и появится возможность увеличить срок службы ветрогенератора.

Как подключить контроллер к ветрогенератору?

Контроллер — это самый первый прибор, на который подается напряжение, выработанное генератором. Подключение контроллера производится посредством специальных клемм. Генератор подключается ко входу, а выходные клеммы соединяются с аккумуляторными батареями.

Функции контроллера могут быть значительно расширены, он способен производить мониторинг состояния аккумуляторов, следить за напряжением от генератора и вовремя переключать систему на сетевое питание.

Функционал контроллера полностью зависит от того, кто его собирал (заводское исполнение или самоделка), от типа конструкции, модели и т.д.

Существует множество схем для самостоятельного изготовления, в которых всего несколько простых деталей. Такие схемы легко реализуются даже людьми с начальной подготовкой, они надежны и нетребовательны. При самостоятельном изготовлении ветряка такие схемы обеспечивают полноценное функционирование, а отсутствие каких-то дополнительных возможностей не является значительным минусом. Чем меньше элементов в схеме, тем она надежнее и меньше подвержена отказам или поломкам, поэтому вариант наиболее удачный.

Подключение ветряка к аккумулятору

Подключение аккумулятора к генератору производится через выпрямитель — диодный мост. Аккумуляторные батареи нуждаются в постоянном токе, а генератор ветряка выдает переменку, причем, весьма нестабильную по амплитуде. Выпрямитель изменяет переменный ток, модифицируя его в постоянный. Если генератор трехфазный, то необходимо использовать трехфазный выпрямитель, на это надо обращать особенное внимание.

Прямое подключение ветряка к аккумулятору — опасное решение, поскольку параметры напряжения, выдаваемого ветряком, не имеют стабильности. Резкое повышение напряжения, выходящее за пределы номинала батарей, способно вывести их из строя.

Аккумуляторы обычно не новые, они способны закипеть. Поэтому настоятельно рекомендуется использовать хотя бы простенький контроллер, изготовленный из реле-регулятора. Он вовремя отключит зарядку и сохранит работоспособность аккумуляторных батарей. В любом случае не следует экономить на оборудовании и сокращать состав комплекта, так как от него зависит полноценная работа всей ветроустановки.

Подключение однофазного ветрогенератора к трехфазному контроллеру

Однофазный генератор может быть подключен к трехфазному контроллеру либо на одну фазу, либо параллельно на все три. Более правильным вариантом считается использование одной фазы, т. е. ветряк подключается к двум контактам — защемляющему и одному фазному. Это обеспечит правильную обработку напряжения и выдачу его на приборы потребления.

В целом, использование таких разнородных устройств нецелесообразно. Кроме того, путаница с вариантами подключения способна создать значительную угрозу целостности оборудования, что недопустимо. При сборке комплекта надо сразу определиться с его составом и типом смежных приборов, чтобы не допустить использования разноплановых устройств в единой связке. Допускать рискованные соединения можно только подготовленным людям, являющимися специалистами в электротехнике, хотя сами они подобные действия решительно отвергают.

Рекомендуемые товары

Схема ветрогенератора. Электрическая схема ветрогенератора.

Фиг. 31. Электрическая схема и монтаж электрооборудования ветроэлектрического агрегата Д-1.2.
7 — генератор ГБФ-4500 80 вт, 6 в; 2— аккумулятор стартерный ЗСТ-80; Л — амперметр автомобильный; 4 — реле обратного тока типа ЦБ; 5 — предохранитель Бозе; 5 —сигнальная лампа 12 в, 3 вт; 7—пусковая кнопка; 8 — зажим (диаметр 5 мм), 9 — выключатель; 10 — текстолитовая панель (толщина 5 мм).

Фиг. 32. Электрическая схема и способ соединения аккумуляторов к ветроэлектрическому агрегату Д-3,5.
1— генератор типа ГТ-4563А 24 в, 1 КВт; 2 — вольтметр до 50 в типа МЛ; 3 — амперметр до 50 а типа МЛ; 4 — переключатель 6 а, 250 в; 5 — пусковая кнопка; 6 — рубильник однополюсный до 60 а; 7 — предохранитель Бозе; 8 — зажим латунный диаметр 7 мм; 9 — аккумулятор стартерный 6СТЭ-128; 10 — реле-регулятор типа РРА-24ф; 11 — панель текстолитовая 360X140X5 мм; 12- панель железная 360X180X2 мм.

Принцип действия и устройство ветрогенератора (общие понятия)

В упрощенном виде принцип работы ветрогенератора можно представить следующим образом.

Принцип работы

Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.

Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов

Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.

Принципиальная схема ветрогенератора

Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:

• для автономной работы;
• параллельно с резервным аккумулятором;
• вместе с солнечными батареями;
• параллельно с дизельным или бензиновым генератором.

Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.

Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.

Система торможения вращения лопастей

Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.

Конструкция ветрогенератора и узлов

При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.

Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер

Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:

• установка экологически чистая;
• отсутствует потребность её заправки топливом;
• не накапливаются какие-либо отходы;
• устройство работает очень тихо;
• имеет большой срок эксплуатации.

Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток. Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду. Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.

Увеличение мощности установки

Конструкцию некоторых ветрогенераторов имеет ветровой датчик. Он собирает данные о направлении и скорости воздушного потока. Генератор ветряка не может выдать больше номинальной мощности, однако, в любое оборудование заложен запас он может составлять от 10-30% от расчетных. На этот «запас» рассчитывать не стоит, так как программно и конструктивно в ветрогенератор заложена защита от перегрузок.

Увеличить мощность ветроустановки можно с помощью системы резервирования электроэнергии на базе аккумуляторных батарей.

Выходная мощность (кВт) ветрогенератора определяется мощностью инвертора. Исходя из выдаваемых киловатт, можно определиться с максимальным количеством подключаемых электроприборов. Чтобы увеличить выходную мощность установки, необходимо параллельно подключить несколько инверторов.

Для трехфазных схемы электропитания необходимо установить по инвертору на каждую фазу.

Если мощности на фазе недостаточно, увеличивают количество инверторов, если это предусмотрено производителем. При отсутствии ветра продолжительность подачи электроэнергии прекращается. Генерации энергии не происходит, поэтому к ветрогенератору подключают накопители энергии, смотрите схему ниже.

Схема увеличения мощности и емкости ветрогенератора

Накопитель энергии состоит из связки инвертор-батарея. О батареях вы можете прочитать в этой рубрике, а о накопителях в этой. Увеличение ёмкости аккумуляторных батарей увеличивает запас хранимой энергии, но и длительность зарядки. Скорость зарядки аккумулятора зависит от мощности генератора и количества инверторов, которые тоже могут пропустить через себя только ту мощность, которая заложена производителем. Соответственно, скорость зарядки аккумуляторов зависит от пропускной способности инвертора и не зависит от мощности ветрогенератора.

Выбор ветрогенератора

Самые качественные ветряки производят в Германии, Франции и Дании. Эти страны делают ветровые установки для снабжения электричеством жилого частного сектора, фермерских хозяйств, школ, небольших торговых точек. В России из-за низкой стоимости электроэнергии и негласной монополии на продажу электроэнергии ветроустановки, солнечные панели и другие виды альтернативной энергии не сильно распространены.

Мобильный ветрогенератор подойдет для нефтепромышленности или монтажных бригад, которые ведут строительство в полях (прототип)

Но высокая стоимость подключения удаленных объектов от электросетей (есть до сих пор не электрифицированные деревни), хамство чиновников, длительные процедуры хождения и получения ТУ у монопольных компаний вынуждают собственников использовать альтернативную энергию своих объектов.

Прежде все вы должны понимать, что КПД ветровой установки составляет около 60%, есть зависимость от скорости ветра, и потребуется периодически проводить ТО. Если вы все-таки решили сделать выбор в пользу ветрогенератора, следует знать. Выбирать ветрогенератор нужно исходя из конкретных обстоятельств его применения. Существуют новые разработки и модели: с повышенным КПД, вертикальные, горизонтальные, ортогональные, безлопастные.

Подсчитывается активная и резистивная мощность всех потребителей энергии.

Для предприятий или частного дома эти данные могут быть в проекте или счетах за электроэнергию. Если вам необходимо обеспечить электроэнергией дачу выбирается модель ветроустановки на 1-3 кВт, инвертор нужно небольшой мощности и можно обойтись без аккумуляторных батарей. Принцип наличия дачной ветроустановки прост: есть ветер — есть электричество, нет ветра — работаем в огороде или по хозяйству. Простой ветрогенератор можно сделать самому, достаточно собрать необходимые материалы и соединить их вместе.

Для частного дома постоянного проживания, такой принцип не подойдет. При частом отсутствии ветра следует придать особое значение аккумулятору. Здесь нужна большая ёмкость. Однако, чтобы он быстрее заряжался, сам генератор электричества также должен быть большой мощности. То есть отдельные узлы установки тесно взаимосвязаны друг с другом. Более надежная комбинация — симбиоз с дизель-генератором и солнечными панелями. Это 100% гарантия наличия электричества в доме, но и более дорогая.

При наличии скважины вы будете полностью энергонезависимые от внешних сетей.

Сейчас большое распространение получили коммерческие ветровые установки. Получаемая с их помощью электроэнергия продается различным предприятиям, испытывающим недостаток в энергоснабжении. Обычно такие электростанции состоят из нескольких ветрогенераторов различной мощности. Вырабатываемое ими переменное напряжение в 380 вольт подается непосредственно в электросеть предприятия. Кроме того, ветрогенераторы могут использоваться для зарядки большого числа аккумуляторных батарей, с которых потом преобразованная в переменное напряжение энергия также подается в электрическую сеть.

Ветрогенераторы российского производства

В большинстве случаев владельцы предприятий ставят ветроустановки, солнечные панели и дизель-генераторы для нужд собственного производства. Получение разрешение на продажу электричества в России — это, скажем так, отдельная история. После проведения энергоаудита, высвобождаются мощности, например, путем замены ламп освещения на светодиодные. Подсчитывается срок окупаемости, при отсутствии бюджета можно разделить модернизацию на этапы.

Технологии развиваются. Создаются энергонезависимые дома, офисы, станции на земле и воде. Наша команда инженеров поможет вам с выбором, расчетом, проектом и монтажом оборудования. Готовы ответить на ваши вопросы в комментариях или через форму.

Схема работы и подключения ветрогенераторов

Для питания электроприемников от ветроустановки необходимо осуществить подключение ее к нагрузке. Бывают не сетевые (без подключения к общественной сети) и сетевые (с подключением к общественной сети) схемы подключения инверторов напряжения. Рассмотрим их.

Не сетевая схема подключения

Данная схема подключения позволит частично или полностью использовать автономное электропитание. При такой схеме подключения совершенно неважно наличие общественной электросети.

В данной системе питание потребителей осуществляется с помощью инвертора напряжения или тока напрямую от ветряной электростанции или аккумуляторных батарей.

Сетевая схема подключения

Подключение таких систем целесообразно выполнять при большой мощности ветроустановки или довольно малой мощности потребителей. Такое подключение позволяет не только питать приемники электроэнергии от общественной сети, но и при излишней выработке энергии ветряной электростанции (солнечной электростанции или их комбинаций)  продавать электроэнергию по так называемому «зеленому тарифу».

 Аккумуляторные батареи

Как их часто еще обозначают  АБ или АКБ – накапливают выработанную ветрогенератором электроэнергию. Их главной задачей есть хранение энергии в промежутке между ее выработкой и потреблением. Если емкость аккумуляторной батареи будет мала, то она быстро зарядится и последующая выработка энергии будет бессмысленна, так как хранить ее будет негде. При питании от такой батареи потребителей возникнет обратная ситуация – она слишком быстро разрядится, соответственно не позволит питать от нее нагрузку длительное время. Поэтому следует выбирать аккумуляторные батареи большой емкости, для устранения перечисленных выше недостатков. Если купить аккумуляторы огромной емкости, то они никогда не будут заряжаться на полную емкость. Также емкость аккумуляторов влияет на их стоимость и габариты. При длительном хранении электрической энергии аккумуляторные батареи саморазряжаются, что также нужно учитывать. Поэтому для правильного выбора данных устройств необходимо проанализировать все варианты, чтоб подобрать наиболее оптимальный вариант именно для вашей системы, в зависимости от требований, которые вы задаете для вашей системы.

Емкость аккумуляторной батареи

Емкость должна быть такой, чтоб при работе солнечной или ветряной электростанции при максимальной мощности заряда (или потребления) электроэнергии заряд – разряд аккумуляторной батареи  должен составлять не менее 10 часов (что является обязательным условием для AGM, кислотных, щелевых, гелевых и свинцовых батарей).  Как пример, если мощность ветряка будет 5 кВт, то емкость аккумулятора должна составить не менее 50 кВт-часов.

Инвертор напряжения

Это устройство необходимо чтоб преобразовать постоянный ток аккумулятора в переменный промышленной частоты (для бытовых потребителей 220 В 50 Гц). Именно к инвертору подключаются потребители электрической энергии.

Немаловажным фактором является и правильный выбор инвертора напряжения или тока по мощности. Если мощность инвертора 5 кВт, то вы не можете подключить к нему нагрузку в 7 кВт. То есть максимальная суммарная нагрузка  на инвертор не должна превышать 5 кВт. Если, к примеру, вам необходимо подключить бойлер мощностью 4 кВт и чайник 2 кВт то у вас есть два выхода – либо увеличить мощность инвертора (до 6-7 кВт) или же подключать  нагрузку поочередно – сначала бойлер, а потом чайник, или наоборот. Если в инверторов слишком большой разброс в мощностях (например, 7 кВт и следующий 14 кВт) можно использовать параллельную работу частотных преобразователей.

Не следует также забывать, что в инверторов есть еще и напряжение собственных нужд, которые в нашем случае составляют примерно 5-10% электроэнергии. Если же мощность на выходе инвертора составляет 5 кВт, то необходимая мощность аккумуляторной батареи возрастет до 5,2 – 5,5 кВт. Поэтому необходим инвертор или группа инверторов тока или напряжения, которые смогут обеспечить нормальное подключение всех потребителей.

Основные характеристики ветроустановки

Данную систему можно охарактеризовать следующим образом:

• Силой ветра;
• Мощностью ветрогенератора;
• Мощностью аккумуляторных батарей;
• Мощностью инвертора;

Каждый из компонентов системы работает независимо от других компонентов, но оказывает важное влияние на работоспособность системы в целом. Для правильного расчета и, как следствие, успешной работы системы необходимо четко сформулировать задачи, которые необходимо решить при проектировании, а также собрать правильные исходные данные для расчета.

Схемы работы ветрогенераторных установок от компании «Техноноватор»

Возможны несколько вариантов схем работы ветрогенератора. Одна из них (схема автономного обеспечения объекта с аккумуляторами) изображена на рис.1.

Рис.1. Принципиальная схема работыветрогенератора (OffGrid)

Возможный вариант работы схемы: Ветер раскручивает лопасти ветряка, тот в свою очередь вращает ротор ветрогенератора. На зажимах статора возникает ЭДС, которая через контроллер выпрямляется и заряжает аккумуляторы. К аккумуляторам через тот же контроллер подключен инвертор, преобразующий электроэнергию постоянного тока в напряжение фиксированной (промышленной) частоты и амплитуды.

Также возможны схемы подключения ветрогенератора на работу параллельно с сетью (рис.2). Такиесхемы позволяют переключаться на энергию сети в случае отсутствия ветра. Городская сеть выступает в качестве дополнительно-резервного источника питания.

Рис.2. Работа ветрогенератора с аккумулятором и коммутацией с сетью (OffGrid)

Подключение ветрогенератора на работу параллельно с сетью — без аккумуляторных батарей (рис.3). Предложенная схема актуальна для юридических лиц – субъектов хозяйствования Украины. В случае оформления лицензии на право продавать электроэнергию и оформления «Зелёного тарифа» можно генерировать энергию в сеть.

Такая схема работы пока не разрешена в Украине для частных лиц – в отличии от многих других Европейских стран. Но является перспективным вариантом с точки зрения постройки распределенных электростанций (SmartGrid) в будущем. ТехнологияSmartGrid — представляет собой систему, оптимизирующую энергозатраты, позволяющую перераспределять электроэнергию.

Рис.3. Работа ветрогенератора без аккумулятора на сеть (OnGrid)

Достаточно сложным и дорогостоящим в схемах ветрогенераторов является инверторы. Очень часто в качестве инверторов используют так называемые каскадные многоуровневые преобразователи частоты, позволяющие из большого числа независимых источников энергии с малым уровнем постоянного напряжения (в качестве которых здесь используются аккумуляторы) получить выходное напряжение промышленной частоты, удовлетворяющие всем современным требованиям. Контроллер в каждой схеме подключения ветрогенератора выполняет различные функции и строится на основе микропроцессорной техники. Аккумуляторы являются самыми недолговечными устройствами в схемах. К сожалению, электроэнергия обладает одним очень серьезным недостатком: её сложно аккумулировать и сохранять долгое время.

Карта ветров Украины

Рядом представлена карта ветров Украины на стандартной высоте измерения ( 9 м от поверхности земли на равнине). По ней видно, что скорость ветра практически везде одинакова, но в некоторых районах Востока бывает больше штилей.

Можно использовать метод увеличения высоты мачты, который дает приближение реальной мощности ветрогенератора к номинальной, но этоприводит к конечному удорожанию конструкции.

Мы поможем Вам выбрать ветрогенератор максимально соответствующий по своим техническим характеристикам Вашим потребностям, поставим и соберемего на Вашем объекте, а также предоствим Вам все необходимые консультации по работе ветрянной установки.

схема и чертеж, инструменты и материалы, подробная инструкция

Один из простых способов получить дешёвую электроэнергию — ветрогенератор. Его необязательно покупать, можно построить своими руками, используя правильно составленные чертежи и схемы, детали и материалы.

Принцип работы ветрогенератора

Принцип действия ветрогенератора прост: ветер приводит в движение лопасти, вращающие ротор турбины, который преобразует энергию ветра в механическую. Ветровые турбины бывают:

• с роторами горизонтальной оси;
• с роторами вертикальной оси.

Преимущество последних в том, что они работают независимо от направления ветра и его силы. Мощность, генерируемая самодельным ветрогенератором, составляет от 100 до 6000 Вт. Минимальная скорость, при которой турбина может начать вырабатывать электроэнергию — 2,5-3 м/с, но для достижения номинальной мощности необходима скорости ветра от 10 м/с.

Ротор обычно вращается со скоростью 15–20 об/мин, тогда как типичный асинхронный генератор вырабатывает электричество со скоростью более 1500 об/мин. Для самодельного ветряка подойдёт автомобильный генератор на 12 вольт.

Принцип работы ветрогенератора

Как сделать ветрогенератор своими руками

Основой создания ветрогенератора является грамотно сделанный проект и подготовленный чертёж. Это очень важно, потому что без чёткого представления о том, как должен выглядеть прибор, будет трудно построить его правильно, не нарушив порядок монтажа всех элементов.

Чертежи и схемы

Начинать нужно с составления общего эскиза ветротурбины, пометив ключевые элементы: башню, генератор, деревянное основание, лопасти и ступицу, которая соединяет их вместе. Самостоятельно составленная схема может быть не сильно подробной: в этом нет необходимости. Её следует использовать для общего представления о том, каким будет расположение различных частей ветряного двигателя, и как конструкция будет выглядеть на завершающих этапах.

Схема сборки ветроэлектрического генератора

После подготовки схемы нужно выставить правильные размеры ветрогенератора. Они должны включать в себя высоту, длину и ширину деревянного основания, которое соединяет генератор и хвостовой плавник с башней. Также определить размеры для лопастей из металлических труб или труб из ПВХ, в зависимости от того, какой материал будет использоваться. Отдельные измерения нужны для хвостового плавника: высота, ширина и длина, а также диаметр – для лезвий, которые определяют размер ветровой турбины.

После того как будет готов чертёж и черновой набросок устройства с выставленными размерами, можно переходить к подготовке материалов и инструментов для работы.

Необходимые инструменты и материалы

Для изготовления самодельного ветряка потребуются такие детали:

• ротор с лопастями;
• редуктор для регулирования скорости вращения ротора;
• гелевый или щелочной аккумулятор для питания электроприборов;
• инвертор для трансформации тока;
• хвостовая часть;
• мачта.

Ротор с лопастями можно сделать самостоятельно, тогда как остальные элементы, вероятно, придётся купить или собрать из необходимых деталей. Кроме этого, для сборки самодельного ветряка потребуются такие инструменты и материалы:

• пила по дереву;
• ножницы по металлу;
• горячий клей;
• паяльник;
• дрель.

Обязательно нужны винты и болты для соединения лезвий со ступицей и для скрепления металлической трубы с деревом.

Лопасти для ветрогенератора своими руками

Изготавливая лопасти самостоятельно, стоит особое внимание уделить соблюдению заданной чертежом формы изделий. Лопасти могут быть крыльчатого или парусного типа. Второй более прост в изготовлении, но имеет невысокий КПД, что делает его неэффективным в самодельных ветрогенераторах даже средних размеров.

Для изготовления лопастей самодельного ветрогенератора подойдут такие материалы как:

• пластик;
• дерево;
• алюминий;
• стекловолокно;
• поливинилхлорид.

Устройство лопастной части ветрогенератора

Если выбирать поливинилхлорид, то для создания лопастей отлично подойдут ПВХ-трубы диаметром от 160 мм. Пластик и дерево — менее износостойкие материалы, которые под воздействием осадков и сильного ветра через несколько лет придут в негодность. Оптимальный вариант — алюминий: он прочный и лёгкий, устойчивый к разрыву и залому, невосприимчивый к влаге и повышенным температурам.

Пошаговая инструкция по изготовлению

Когда все чертежи будут составлены, а материалы и инструменты подготовлены, можно начинать собирать ветрогенератор своими руками, руководствуясь следующим порядком:

1. Подготовить бетонный фундамент. Глубина ямы и объём бетонной смеси рассчитывается исходя из типа грунта и климатических условий. После заливки фундаменту нужно несколько недель, чтобы набрать нужную прочность. Только после этого можно устанавливать в него мачту на глубину 60-70 см, закрепив её растяжками.
2. Поместить подготовленные лопасти в трубу, закрепить их с помощью винтов и гаек на втулке, на которую будет установлен двигатель.
3. Расположить диодный мост рядом с двигателем и закрепите его с помощью саморезов. Подсоединить провод от двигателя к диодному мосту «плюс», а другой провод к отрицательному мосту.
4. Закрепить вал двигателя, надеть на него втулку и плотно затянуть её против часовой стрелки.
5. Уравновесить основание трубы с прикреплённым к нему двигателем и валом и отметить точку баланса.
6. Закрепить основание прибора болтами.

Ветрогенератор может прослужить гораздо дольше, если покрасить не только лопасти, но основание, вал и крышку двигателя. Чтобы включить установку потребуется комплект проводов, зарядное устройство, амперметр и аккумулятор.

Подготовка автомобильного генератора

Для того чтобы сделать ветрогенератор своими руками из автомобильного генератора? потребуется установка силой от 95A с напряжением 12 В. При 125 оборотах в минуту он вырабатывает 15,5 Вт, а при 630 оборотах этот показатель составит 85,7 Вт. Если говорить о нагрузке в 630 об/мин, то вольтметр покажет 31,2 вольт, а амперметр – 13,5 ампер. Таким образом, мощность генератора составит 421,2 Вт. Для достижения этого показателя необходимо использовать неодимовые магниты, которые в 7 раз эффективнее, чем ферритовые.

В начале подготовки автомобильного генератора нужно удалить роторную обмотку магнитного возбуждения и электронные щётки с коллектором. На место кольцевых ферромагнетиков нужно установить неодимовые магниты в количестве 3 штук, размер каждого из них должен составлять 85 х 35 х 15 миллиметров. Недостатком использования мощных магнитов может стать «залипание», затрудняющее движение вала. Для его уменьшения магниты должны размещаться под небольшим углом относительно друг друга.

Перед запуском генератора, его нужно протестировать на токарном станке, раскрутив вал до 950–1000 об/мин. Если устройство работает нормально, отдача будет составлять не менее 200 Вт. В большинстве случаев подойдёт классическая силовая установка с вертикальной осью: она характеризуется низкими оборотами и бесшумностью.

В процессе эксплуатации ветрогенератора рекомендуется периодически проверять надёжность креплений у основания мачты, смазывать подшипники поворотного устройства, проводить балансировку наклона установки. Раз в полгода рекомендуется проверять и менять электроизоляцию, которая нередко повреждается из-за использования в неблагоприятных условиях.

Самодельный ветрогенератор, собранный из автомобильного генератора и простых деталей, способен обеспечить электроэнергией небольшой дом и стать автономным резервным источником питания. Экологически безопасный и нетребовательный в обслуживании, он окупится в течение 2–4 лет в зависимости и прослужит десятки лет.

Простейшая схема генератора ветряной мельницы | Проекты самодельных схем

В сообщении объясняется, как сделать простую схему ветряного генератора, которую можно использовать для зарядки аккумуляторов или для работы любого желаемого электрического оборудования в течение дня и ночи, бесплатно.

Солнечная панель против ветряной мельницы

Один из самых больших недостатков электроэнергии от солнечных панелей заключается в том, что она доступна только в дневное время и только тогда, когда небо чистое. Кроме того, солнечный свет находится на пике только в полдень, а не в течение дня, что делает его использование очень неэффективным.В отличие от этого, ветряная мельница, которая зависит от энергии ветра, кажется очень эффективной, потому что ветер доступен в течение всего дня и не зависит от сезонных изменений.

Однако ветряная мельница может работать с наибольшей эффективностью только в том случае, если она установлена ​​или расположена в определенных регионах, например, на больших высотах, у берегов моря или реки и т. Д.

Чтобы самодельный ветряк был наиболее эффективным, его необходимо разместить на крыши дома, чтобы получить максимально возможную скорость ветра, чем выше, тем лучше.

Говорят, что на расстоянии более 100 метров от земли скорость ветра является максимальной, и он активен круглый год без перерыва, так что это доказывает, что чем выше высота, тем выше эффективность ветра.

Проектирование генератора ветряной мельницы

Представленная здесь простая концепция схемы генератора ветряка может быть построена любым любителем для зарядки небольших батарей дома, совершенно бесплатно и с незначительными усилиями.

Можно попробовать более крупные модели таких же устройств для достижения большей выходной мощности, которая может использоваться для питания небольших домов.

Принцип работы

Принцип работы основан на традиционной концепции двигателя-генератора, где шпиндель двигателя с постоянным магнитом интегрирован с турбиной или пропеллерным механизмом для требуемого использования энергии ветра.

Как видно на приведенной выше диаграмме, используемый гребной винт или конструкция турбины выглядят по-разному. Здесь используется винтовая система S-образной формы, имеющая явное преимущество перед винтом традиционного типа для самолетов.

В этой конструкции вращение турбины не зависит от направления ветра, а реагирует одинаково хорошо и эффективно независимо от того, с какой стороны может течь ветер, это позволяет системе избавиться от сложного рулевого механизма, который обычно используется в обычных ветряные мельницы, чтобы винт самостоятельно регулировал свое переднее положение в соответствии с ветровым потоком.

В показанной концепции двигатель, связанный с турбиной, продолжает вращаться с максимальной эффективностью, независимо от того, с какой стороны или угла может дуть ветер, что позволяет ветряной мельнице быть чрезвычайно эффективной и активной в течение всего года.

Интеграция электронного регулятора напряжения

Электроэнергия, генерируемая вращением катушки двигателя в ответ на крутящий момент от турбины, может использоваться для зарядки аккумулятора или может использоваться для приведения в действие светодиодной лампы или любой желаемой электрической нагрузки в соответствии с предпочтения пользователя.

Однако, поскольку скорость ветра может быть непостоянной и непостоянной, может оказаться необходимым включить какую-либо схему стабилизатора на выходе двигателя.

Использование понижающего повышающего преобразователя

Мы можем решить эту проблему, добавив повышающий или понижающий преобразователь в соответствии со спецификациями подключенной нагрузки.

Но если характеристики напряжения вашего двигателя немного выше, чем у нагрузки, и если есть сильный ветер, вы можете исключить задействованную схему повышения и напрямую соединить выход ветряной мельницы с нагрузкой после мостового выпрямителя.

На схеме мы видим, как повышающий преобразователь используется после выпрямления электричества ветряной мельницы через мостовой выпрямитель.

Следующее изображение объясняет детали задействованных схем, которые также не так сложны и могут быть построены с использованием большинства обычных компонентов.

Установка принципиальной схемы

На изображении выше показана простая схема повышающего преобразователя с каскадом регулятора усилителя ошибки обратной связи. Выходной сигнал ветряной мельницы соответствующим образом выпрямляется соответствующей мостовой выпрямительной сетью и подается на схему повышающего выпрямителя на основе IC 555.

Предполагая, что средняя выходная мощность электродвигателя ветряной мельницы составляет около 12 В, можно ожидать, что повышающая цепь повысит это напряжение до 60 В +, однако ступень T2 в схеме спроектирована так, чтобы ограничить это напряжение до указанного стабилизированного выхода.

Стабилитрон на базе T2 определяет уровень регулирования и может быть выбран в соответствии со спецификациями требуемых ограничений нагрузки.

На схеме показан аккумулятор ноутбука, подключенный для зарядки от ветряного генератора, другие типы аккумуляторов также можно заряжать с помощью той же схемы, просто регулируя значение стабилитрона T2.

В качестве альтернативы количество витков индуктора повышающего напряжения также может быть изменено и настроено для получения других диапазонов напряжения, в зависимости от индивидуальных характеристик приложения.

Видео:

На следующем видео показана небольшая ветряная мельница, в которой можно увидеть повышающий преобразователь, присоединенный к двигателю, который преобразует выходную мощность двигателя малой мощности для освещения светодиода мощностью 1 Вт.

Здесь мотор вращается вручную пальцами, поэтому результаты не очень хорошие. Если установка соединена с турбиной, результат может быть намного лучше.

Еще один видеоролик, в котором показан небольшой двигатель с присоединенной коробкой передач, генерирующий достаточно энергии для яркого освещения светодиода мощностью 1 Вт.Этот двигатель может быть оснащен пропеллерами и использоваться в условиях сильного ветра для зарядки литий-ионной батареи или любой другой предпочтительной батареи:

Как я построил ветряную турбину, вырабатывающую электроэнергию: 15 шагов (с изображениями)

Теперь, когда Я разобрал все механические части, пришло время перейти к электронной части проекта. Система ветроэнергетики состоит из ветряной турбины, одной или нескольких батарей для хранения энергии, вырабатываемой турбиной, блокирующего диода для предотвращения потери энергии от батарей при вращении двигателя / генератора, вторичной нагрузки для сброса энергии от турбины, когда аккумуляторы полностью заряжены, а контроллер заряда для работы всего.

Есть много контроллеров для солнечных и ветровых систем. Они есть в любом месте, где продаются альтернативные источники энергии. Их также всегда много в продаже на Ebay. Но я решил попробовать построить свой собственный. Итак, мы вернулись к Google за информацией о контроллерах заряда ветряных турбин. Я нашел много информации, в том числе несколько полных схем, которые были довольно хороши и очень упростили сборку собственного юнита. Я основал свое устройство на схеме того, что можно найти на этом веб-сайте:

http: // www.fieldlines.com/story/2004/9/20/0406/27488

На этом веб-сайте подробно рассказывается о контроллере, поэтому здесь я буду говорить о нем только в общих чертах. Опять же, хотя я следовал их общему рецепту, я делал некоторые вещи по-другому. Я с детства увлекался электроникой, и у меня уже есть огромный запас электронных компонентов, поэтому мне пришлось покупать совсем немного, чтобы собрать контроллер. Я заменил некоторые детали другими компонентами и немного переработал схему, чтобы я мог использовать детали, которые у меня уже были под рукой.Таким образом, для сборки контроллера мне не пришлось покупать почти ничего. Единственное, что мне пришлось купить, это реле. Я построил свой прототип контроллера заряда, прикрутив все части к куску фанеры, как показано на первой фотографии ниже. Позже я перестроил бы его во всепогодный корпус.

Собираете ли вы собственное или покупаете, вам понадобится какой-то контроллер для вашей ветряной турбины. Общий принцип, лежащий в основе контроллера, заключается в том, что он контролирует напряжение аккумулятора (-ов) в вашей системе и либо отправляет энергию от турбины в батареи для их подзарядки, либо сбрасывает мощность от турбины на вторичную нагрузку, если батареи полностью заряжен (для предотвращения чрезмерной зарядки и разрушения аккумуляторов).Схема и описание на указанной выше веб-странице хорошо объясняют это. Более подробную информацию о сборке контроллера заряда, в том числе более крупные и удобные для чтения схемы, можно найти на моем веб-сайте http://www.mdpub.com/Wind_Turbine/index.html

В процессе работы ветряная турбина подключена к контроллеру. Затем линии идут от контроллера к батарее. Все нагрузки снимаются прямо с АКБ. Если напряжение аккумулятора падает ниже 11,9 В, контроллер переключает мощность турбины на зарядку аккумулятора.Если напряжение аккумулятора повышается до 14 вольт, контроллер переключается на сброс мощности турбины на фиктивную нагрузку. Есть подстроечные регуляторы для регулировки уровней напряжения, при которых контроллер переключается между двумя состояниями. Я выбрал 11,9 В для точки разряда и 14 В для точки полного заряда, основываясь на рекомендациях множества различных веб-сайтов по вопросу правильной зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов. Все сайты рекомендовали немного разные напряжения. Я как бы усреднил их и получил свои цифры.Когда напряжение аккумулятора составляет от 11,9 В до 14,8 В, систему можно переключать между зарядкой и сбросом. Пара кнопок позволяет мне переключаться между состояниями в любое время в целях тестирования. Обычно система работает автоматически. Во время зарядки аккумулятора горит желтый светодиод. Когда аккумулятор заряжен и мощность передается на фиктивную нагрузку, горит зеленый светодиод. Это дает мне минимальную обратную связь о том, что происходит с системой. Я также использую свой мультиметр для измерения как напряжения батареи, так и выходного напряжения турбины.Я, вероятно, в конечном итоге добавлю в систему либо панельные измерители, либо автомобильные измерители напряжения и заряда / разряда. Я сделаю это, когда он у меня будет в каком-то корпусе.

Я использовал свой настольный источник питания переменного напряжения, чтобы смоделировать аккумулятор в различных состояниях заряда и разряда, чтобы проверить и настроить контроллер. Я мог установить напряжение источника питания на 11,9 В и настроить подстроечный резистор для точки срабатывания низкого напряжения. Затем я мог поднять напряжение до 14 В и установить подстроечный резистор для подстроечного резистора высокого напряжения.Мне нужно было установить его, прежде чем я возьму его в поле, потому что у меня не было бы возможности настроить его там.

Я на собственном опыте убедился, что в этой конструкции контроллера важно сначала подключить аккумулятор, а затем подключить ветряную турбину и / или солнечные панели. Если вы сначала подключите ветряную турбину, дикие колебания напряжения, исходящие от турбины, не будут сглажены нагрузкой на аккумулятор, контроллер будет вести себя хаотично, реле будет сильно щелкать, а скачки напряжения могут разрушить микросхемы.Поэтому всегда сначала подключайтесь к батарее (-ам), а затем подключайте ветряную турбину. Кроме того, не забудьте сначала отключить ветряную турбину при разборке системы. Отсоединяйте аккумулятор (-ы) в последнюю очередь.

Переносная ветряная турбина 5 В | Детальный проект с инструкциями

Этот проект связан с проектированием и разработкой портативной ветряной турбины, способной вырабатывать электричество из кинетической энергии ветра. Для схемы требуется двигатель постоянного тока, лопасти вентилятора или пропеллер, повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный и энергия ветра для выработки выходного напряжения 5 В постоянного тока.

Производство ветровой энергии — это довольно простой процесс, в котором из обычного миниатюрного двигателя постоянного тока создается очень простой ветрогенератор. Миниатюрный двигатель постоянного тока, такой как RF-300FA-12350, легко доступен на рынке, но его также можно извлечь из старого привода / проигрывателя CD / DVD (см. Рис. 1).

Небольшой пропеллер или лопасти вентилятора могут быть установлены непосредственно на валу двигателя.Обратите внимание, что электродвигатель вырабатывает постоянный ток, и поэтому никаких схем преобразования переменного тока в постоянный не требуется, кроме диода защиты полярности. Фактически, диод защиты полярности также не требуется, так как пропеллер вращается только в одном направлении (против часовой стрелки) в этой модели из-за уникальной конструкции пластиковых лопастей / пропеллера ветряной турбины.

Доступны компактные и легкие пластиковые лопасти / гребные винты вентилятора. Стандартный трехопорный пластиковый пропеллер (показан на рис.2) используется в этом проекте.

Поскольку в качестве роторного двигателя используется миниатюрный двигатель постоянного тока, на выходе доступно лишь небольшое количество постоянного тока (максимум от трех до пяти вольт). Таким образом, для обеспечения стабильного выходного напряжения 5 В постоянного тока требуется схема повышающего преобразователя постоянного тока. Для этого можно использовать любую самодельную / готовую схему повышающего преобразователя постоянного тока в постоянный, однако готовый модуль повышающего преобразователя постоянного тока на основе метода частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) со стандартным выходным портом USB, как показано на Инжир.3, является предпочтительным.

Если доступно входное напряжение от 0,9 В до 5 В постоянного тока, этот модуль выдает стабильный выходной сигнал 5 В постоянного тока через разъем USB с эффективностью преобразования до 96 процентов.

Схема и рабочая

Как показано на рис. 4, схема построена на основе двигателя постоянного тока, диода Шоттки 1N5817 и модуля повышающего преобразователя постоянного тока. Работа этого небольшого модуля повышающего преобразователя постоянного тока основана на методе частотно-импульсной модуляции (ЧИМ).

Преобразователь ЧИМ — это альтернативная архитектура преобразователя питания постоянного тока в постоянный, в которой используются тактовые генераторы переменной частоты для управления переключателями мощности и передачи энергии от входа к выходу.Поскольку частота управляющего сигнала напрямую регулируется для регулирования выходного напряжения, эта архитектура называется ЧИМ. Преобразователь постоянного тока в постоянный с постоянным временем включения или постоянным временем отключения является типичным примером этой архитектуры.

На принципиальной схеме отрицательная клемма (черный провод) двигателя постоянного тока M1 рассматривается как положительная выходная клемма, подключенная к модулю PFM (плата 1) через диод защиты полярности 1N5817 (D1), поскольку двигатель вращается в противоположном направлении. по часовой стрелке.Модуль PFM подключается через буферный конденсатор (C1) для получения стандартного USB-выхода 5 В постоянного тока через разъем USB (A-типа).

Конструкция переносной ветряной турбины

Односторонняя печатная плата реального размера для вывода 5 В от портативной ветряной турбины показана на рис. 5, а компоновка компонентов — на рис. 6.

Скачать PDF-файлы с печатной платой и компоновкой компонентов: Щелкните здесь

Хороший воздушный поток необходим для правильной работы контура.Вы можете использовать обычный электрический вентилятор (или настольный вентилятор) или электрический нагнетатель воздуха в качестве источника энергии ветра для целей тестирования. Убедитесь, что воздушный поток от источника ветра падает прямо на переднюю часть гребного винта. Пропеллер должен вращаться с высокой скоростью (против часовой стрелки), чтобы получить более высокую мощность.

Требуется жесткое крепление для ветряной турбины. Для этого вы можете закрепить двигатель на ПВХ / металлической трубе подходящего размера и прикрепить его к опоре основания, как показано на рис. 7. Опора основания может быть деревянным или металлическим диском малого диаметра.Подключите модуль PFM к цепи на CON1, поместите их в подходящий шкаф и поместите внутри основания таким образом, чтобы вы могли легко получить доступ к USB-порту.

Затем проложите провода от двигателя постоянного тока через трубу к основанию и подключите провода к цепи в точке M1. Поверните пропеллер к источнику ветра. Теперь вы готовы к выходу 5 В постоянного тока через разъем USB. Этот выход также можно использовать для зарядки вашего мобильного телефона.

Осторожно! Вращающиеся лезвия острые и при неправильном обращении могут стать причиной серьезных травм.

T.K. Хариендран — любитель электроники, внештатный технический писатель и проектировщик схем

Малая ветряная турбина для дома

Электрическая энергия необходима каждому, мы пытаемся получить неограниченное количество электроэнергии, не тратя денег. Вот простая конструкция, предлагаемая в виде небольшой ветряной турбины для домашнего использования или с низким энергопотреблением, она требует низких начальных затрат и дает наилучшую отдачу с точки зрения электроэнергия.


Мы можем использовать эту небольшую схему ветряной турбины и установку для зарядки ноутбука, для зарядки электронных гаджетов или электронных приборов в доме и на пригороде.

Конструкция ветряка

Небольшой ветрогенератор 12 В способен производить альтернативную энергию за счет ветра, мостовой выпрямитель и контроллер выпрямляют энергию, поступающую от генератора ветряной турбины, а схема стабилизатор-зарядное устройство помогает аккумулятору 12 В / 4,5 Ач SLA заряжаться, затем повышающий инвертор цепь вырабатывает высокое напряжение переменного тока, достаточное для работы бытовой техники.

Строительство и работа

Эта небольшая схема ветряной турбины, состоящая из пяти ступеней,

1. 12V Ветрогенератор / Схема мостового выпрямителя
2. Цепь регулятора / зарядного устройства
3. Схема инвертора с использованием микросхемы CD4047
4. Драйверы MOSFET
5. Выходной каскад

Ветрогенератор 12 В

12-вольтная ветряная турбина или ветряная мельница с различным диапазоном мощности, выбор зависит от ваших требований.

Мостовой выпрямитель

Мы знаем, что мостовой выпрямитель преобразует источник переменного тока в постоянный, и здесь мы использовали диод 1N4007 в качестве элемента мостового выпрямителя, он преобразует энергию ветряной турбины в источник постоянного тока (DC).

Регулятор / зарядное устройство

Здесь используется регулируемый трехконтактный стабилизатор положительного напряжения LM317, который может выдавать выходное напряжение в диапазоне от 1,25 В до 37 В при номинальном токе более 1,5 А. конечный выход регулятора составляет 12/4.Батарея SLA 5 Ач, эта батарея обеспечивает смещение постоянного тока в цепи инвертора. Выходное напряжение Vout регулятора LM317 можно получить как

R2 => R2 + VR1 для данной схемы инвертора.

Схема инвертора с использованием микросхемы CD4047 (импульсный генератор)

Микросхема моностабильного / нестабильного мультивибратора CD4047 используется здесь для генерации импульса переключения. Эта микросхема работает с низким энергопотреблением и доступна в 14-выводном двухрядном корпусе. Он обеспечивает полный выход F колебаний на выводе 13, 1/2 колебаний на выводе 10 как Q и ​​выводе 11 как Q ’.каждый выходной контакт дает 50% рабочего цикла.

Здесь R => R4 + VR2 и C => C3. используя эту формулу, мы можем получить частотный выход на выводе 13. Для выводов 10 и 11 формула изменяется как f = 1 / 4.4RC.

Драйверы MosFET

IRF540 N-канальный МОП-транзистор от Vishay Siliconeix, используемый в качестве импульсных драйверов для этой схемы инвертора. Он обеспечивает быстрое переключение и обладает высокими рабочими температурными характеристиками (175 ° C).

Выходной каскад

Основной частью ветряного генератора является выходной каскад, здесь трансформатор X1 используется в обратном направлении с характеристиками как первичная обмотка 230 В, 9 В-0-9 В / 1.Трансформатор с ответвлениями вторичной обмотки 5А. MOV (Металлооксидный варистор) защищает электронное устройство, подключенное к выходу.

Выходное напряжение ветряного генератора напрямую подается в цепь положительного регулятора LM317, и оно настраивается на выходное напряжение 12 В и аккумулятор, подключенный к этому смещению через диод Шоттки (3 А, 50 В).

Микросхема CD4047 подключена и настроена как нестабильный мультивибратор. Когда мы включаем переключатель SPST, эта схема начинает колебаться. Выходы Q и Q ’напрямую подаются на импульсный МОП-транзистор IRF540 и управляет вторичной обмоткой трансформатора X1, при этом ток протекает определенной продолжительности, а не определенной продолжительности.Таким образом, изменение индукции электромагнита и катушки первичной обмотки производит ЭДС, следовательно, мы получаем на выходе переменный ток. Зависит от количества обмоток и частоты коммутации выходное напряжение / частота варьируются.

Примечание: —

* H Осторожно, высокое напряжение! Эта схема задействует ручку высокого напряжения с особой осторожностью.

* Обращайтесь с ветряным генератором и лопастями ротора в соответствии с инструкциями производителя.

Устранение неисправностей ветряных турбин — передовые решения в области турбин и энергетики

Возможные причины:

Турбина может работать без нагрузки, что означает, что цепь от турбины до батарей не завершена. В этой ситуации турбина вращается свободно, и турбина может генерировать более высокие напряжения, чем ожидалось, от выходных кабелей турбины. Убедитесь, что все соединения от турбины через переключатель пуска / останова к батареям правильные. Если на турбину установлен предохранитель или автоматический выключатель, убедитесь, что он правильно замыкает цепь.Никогда не оставляйте турбину работать без нагрузки, так как это может привести к повреждению турбины при сильном ветре.

Турбина могла иметь неисправность внутренней проводки, которая привела к разрыву цепи. В этой ситуации турбина вращается свободно, но на выходных кабелях турбины нельзя будет измерить напряжение. Если имеется внутренняя неисправность, обратитесь к своему дилеру или в компанию Leading Edge Turbines для получения дополнительных рекомендаций.

Вернуться к началу

Возможные причины:

Есть много причин, по которым турбина может демонстрировать мощность ниже ожидаемой. Эти причины могут быть связаны с турбулентностью, ошибочными измерениями, типом и состоянием батареи.

Турбулентность — наиболее частая причина, по которой турбины не работают в соответствии со своими техническими характеристиками. Турбинам требуется чистый нетурбулентный ламинарный поток воздуха, чтобы работать с максимальной производительностью. Это означает, что турбины необходимо тщательно размещать, чтобы избежать зон турбулентности — к сожалению, это не всегда возможно, и необходимо идти на компромиссы.Пожалуйста, ознакомьтесь с нашей базой знаний для получения информации о том, как разместить турбину для достижения наилучших характеристик. Турбулентность, создаваемая деревьями, строениями и общей топографией, будет создавать вихревые токи на ветру, которые серьезно снижают эффективность турбин. Как правило, турбину следует размещать на башне как можно выше над любыми местными особенностями рельефа.

Убедитесь, что установлены кабели правильного минимального и максимального сечения (согласно руководству пользователя). Использование слишком маленького кабеля может привести к падению напряжения, особенно в системе 12 В.В качестве альтернативы, использование кабеля большего размера, чем рекомендуемый размер, может привести к остановке или полузагрузке турбины, что снизит производительность.

Во время работы турбинный генератор становится теплым и даже горячим, особенно во время сильного ветра. Когда это происходит, сопротивление катушек генератора переменного тока резко возрастает, что приводит к резкому падению КПД генератора. Это влияет на общую мощность турбины. Производительность упадет после того, как турбина нагреется из-за продолжительной работы на высоких оборотах.

Различные аккумуляторные технологии имеют разную скорость поглощения энергии ветровой турбины. Батареи будут потреблять всю возможную мощность от ветряной турбины, пока не достигнут своего предела поглощения. Как правило, можно добавить батареи большей емкости, чтобы увеличить скорость, с которой они могут потреблять энергию. Возраст и состояние батареи также влияют на скорость, с которой батареи могут потреблять энергию — старые батареи или батареи в плохом состоянии не будут потреблять такой же уровень мощности от турбины, как новые батареи в хорошем состоянии.

Номинальное напряжение батареи может сильно различаться. Например, аккумуляторная система на 12 В будет работать от 11,5 до 15,0 В. Когда турбина работает на 100 Вт, это будет равняться 8,7 А, в то время как батареи на 11,5 В, но те же 100 Вт равняются только 6,66 Вт, когда батареи на 15 В. При использовании устройства измерения тока, такого как амперметр, показания тока должны сравниваться с показаниями напряжения, чтобы рассчитать точную выходную мощность.

Ошибки измерения могут легко возникнуть при измерении как ветровой, так и выходной мощности турбины. Например, в морских приложениях измерение скорости ветра часто производится на вершине мачты, которая будет примерно на 10 м выше высоты ветряной турбины. Измеренные скорости ветра на этой высоте будут намного выше, чем скорости ветра, которые испытывает турбина. Это может привести к предположению, что турбина не работает при любой заданной скорости ветра. Кроме того, токовые шунты часто используются в низковольтных системах постоянного тока из-за протекающих токов.Убедитесь, что для точных показаний тока используются высококачественные шунты.

Вернуться к началу

Высокая удельная мощность в ветряных турбинах

Эта статья является частью Power Management Series: Delving Into Power Density

Members Members Members Members загрузите эту статью в формате PDF.

Что вы узнаете:

• Что такое плотность энергии ветра?
• Различные типы генераторов, используемых в ветроэнергетических установках.
• Какая архитектура чаще всего используется в мощных системах преобразования энергии ветра (WECS)?

Существуют фундаментальные физические ограничения относительно того, сколько энергии может быть извлечено из возобновляемых ресурсов для данной площади земли. Существует определение плотности энергии ветра (WPD), которое не следует путать с плотностью мощности системных источников питания, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный и инверторы постоянного тока в переменный ток.

WPD — это количественная мера энергии ветра, доступная в любом географическом месте.Это средняя годовая мощность, доступная на квадратный метр рабочей площади ветряной турбины, и обычно рассчитывается для разной высоты над уровнем земли. Чтобы точно определить это количество, мы можем рассчитать плотность мощности источника энергии в ваттах на квадратный метр (Вт / м ² ).

Чтобы понять эту идею, проектировщикам необходимо рассмотреть недавно открывшуюся ветряную электростанцию ​​London Array на юге Англии (рис. 1) . London Array, одна из крупнейших в мире оффшорных ветряных электростанций, вырабатывает достаточно энергии для питания почти полумиллиона домов.Лондонский массив вытесняет около 900 000 тонн CO ₂ в год. Его общая мощность составляет 630 МВт, общая протяженность 100 км ² , и ожидается, что коэффициент использования мощности составит 39%. Итак, удельная мощность London Array ¹ составит 2,5 Вт / м ² .

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb263e6175737408b467f» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «1. На этом изображении показано, как ветряная электростанция работает с турбинами (1), массивами кабелей (2), морскими подстанциями (3), экспортными кабелями (4) и береговыми подстанциями (5).(Изображение из London Array) «data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2021/06/Fig1x1128.60bfb26267544.png?auto=format&fit=max&w= 1440 «data-embed-caption =» 1. На этом изображении показано, как ветряная электростанция работает с турбинами (1), массивами кабелей (2), морскими подстанциями (3), экспортными кабелями (4) и береговыми подстанциями (5). (Изображение из London Array) «]}%

В Соединенном Королевстве более ветрено, чем во многих других странах мира, и некоторые исследования показывают, что такие крупные ветряные электростанции с вытяжкой, такие как эта, уменьшат средние значения удельной мощности ближе к 1 Вт / м ² ; от 2 до 3 Вт / м ² может быть верхним пределом плотности мощности крупномасштабной ветровой энергии.Эта удельная мощность отражает среднюю мощность. Однако пиковая удельная мощность ветряных электростанций может быть в 3 раза выше, а минимальная удельная мощность будет близка к нулю.

Энергия ветра — одна из самых многообещающих систем возобновляемой энергии в 21 ^-м веке. Самая большая индивидуальная ветряная электростанция мощностью в мегаватт находится в Китае. «Ветряные фермы» также можно увидеть, проезжая по многим автомагистралям в США, особенно в Калифорнии, которая занимает второе место в мире по развертыванию энергетических мощностей, за которым следует Индия.Германия имеет самую высокую ветровую мощность в Европе — 59,3 ГВт.

В этой статье мы подробно остановимся на плотности мощности ветряных турбин, применительно к преобразователям мощности переменного тока в постоянный с высокой плотностью мощности на стороне генератора, а также на преобразователях постоянного и переменного тока с широтно-импульсной модуляцией на стороне сети ( PWM) силовые инверторы.

Плотность мощности для силовой электроники в ветрогенераторе

Силовая электроника позволяет регулировать и согласовывать мощность, напряжение и частоту с целью повышения эффективности и высокой плотности мощности.Плотность мощности важна для ветряной турбины, особенно для эффективности, а также для уменьшения веса внутри гондолы. Гондола размером с автобус преобразует медленно вращающиеся лопасти ветра в более высокую скорость вращения ротора.

Генератор и редуктор, огромные части оборудования в гондоле на вершине стальной башни, весят около 56 тонн в ветрогенераторе мощностью 1,5 МВт.

Ключевые факторы, влияющие на выходную мощность ветряного генератора

Использование электроники источника питания изменяет базовую характеристику ветряной турбины из источника энергии в активный источник энергии.Электрические технологии, используемые в ветряных турбинах, не новы, но они продвинулись вперед. На сегодняшнем рынке цена на производство кВтч настолько низка, что решения с современной электроникой питания стали очень привлекательными.

Типичные ветряные генераторы представляют собой асинхронные машины, но они должны вырабатывать выходную мощность переменного тока. Таким образом, им нужна хорошая силовая электроника преобразователя постоянного тока в переменный для преобразования в постоянную частоту, которая может быть подключена к электросети.

В зависимости от типа выхода ветряного генератора (WTG) в системе может потребоваться использование диодных преобразователей выпрямления переменного тока в постоянный для генератора переменного тока (см. «Типы WTG» в следующем разделе) .В современных архитектурах силовой электроники также используются тиристорные преобразователи с линейной коммутацией, а также биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и MOSFET-преобразователи в ветроэнергетических системах.

Самокоммутируемые преобразователи могут передавать и управлять мощностью в двух направлениях (как переменный-постоянный, так и постоянный-переменный ток), поскольку они могут управлять выключением переключателей. В этих инверторах встроены электронные переключатели, которые включаются и выключаются непосредственно через вентиль определенное количество раз за период с использованием методов управления с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ); это значительно снижает потребление реактивной мощности и гармоник тока.Силовые устройства на основе GaN и SiC также используются в качестве очень эффективных переключателей мощности в этой архитектуре; это значительно улучшит удельную мощность.

Преобразователи с линейной коммутацией обычно используются в конструкциях WTG большой мощности; однако они не могут контролировать реактивную мощность.

Наиболее часто используемые преобразователи силовой электроники (PEC), используемые в ветроэнергетике, — это преобразователи с диодной и линейной коммутацией, которые имеют компенсацию реактивной мощности, диодные и ШИМ-преобразователи напряжения (VSI), диодные и DC-DC прерыватели и преобразователи PWM VSI, встречные преобразователи PWM VSI и матричные преобразователи.

Типы WTG

Генераторы постоянного тока

Архитектура WTG постоянного тока состоит из ветряной турбины, генератора постоянного тока, инвертора IGBT, трансформатора, контроллера и электросети.

Синхронные генераторы переменного тока

Синхронный генератор переменного тока представляет собой традиционную конструкцию и принимает возбуждение постоянного тока от постоянных магнитов, известных как синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG) или электромагнитов, известных как синхронных генераторов с электрическим возбуждением (EESG) .

Асинхронные генераторы переменного тока

Асинхронные генераторы переменного тока — это современная ветроэнергетическая система, в которой используются индукционные машины; они широко используются в ветряных турбинах. Существует два типа архитектур:

• Индукционные генераторы с фиксированной скоростью (FSIG) с роторами с короткозамкнутым ротором: Эти генераторы имеют статор, подключенный к сети через трансформатор, а ротор подключен к ветряной турбине. через коробку передач.До 1998 года эти генераторы обычно были 1,5 МВт или меньше.
• Индукционный генератор с двойным питанием (DFIG) с обмотанными роторами: В наше время, после 1998 года, более 85% установленных ветряных турбин используют архитектуру DFIG.

Архитектура DFIG

В популярной системе DFIG силовой электронный интерфейс управляет токами ротора для достижения переменной скорости, необходимой для максимального захвата энергии при переменном ветре. Поскольку силовая электроника обрабатывает только мощность ротора, которая обычно составляет менее 25% от общей выходной мощности, DFIG дает преимущества управления скоростью с уменьшенными затратами и меньшими потерями мощности.

В ветряной турбине DFIG статор генератора напрямую подключен к сети. Ротор также подключен к сети, но через преобразователь мощности с обратной связью (переменный ток в постоянный ток). Эта конструкция с регулируемой скоростью обычно используется в диапазоне мощностей от 1,5 до 6 МВт. В преобразователе DFIG до одной трети мощности проходит через силовые полупроводники в обоих направлениях.

DFIG Power Circuits

Частичный преобразователь мощности

Электрическая силовая цепь в DFIG с частичным преобразователем мощности в системе ветряных турбин с регулируемой частотой вращения показана на Рис. 2 .Этот тип преобразователя выполняет компенсацию реактивной мощности с плавным подключением к сети. Контактные кольца и соответствующие схемы защиты являются частью этой конструкции на случай повреждения сети.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb276e61757211a8b47b8» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «2. Показанная электрическая цепь представляет собой индукционный генератор с двойным питанием (DFIG), статор которого подключен непосредственно к электросети через трансформатор.Обмотка ротора DFIG через контактные кольца соединена с фильтром, преобразователем переменного тока в постоянный, постоянного тока в переменный. инвертор и еще один фильтр к трансформатору.Со стороны сети преобразователь подключен к выходной обмотке трансформатора, который подает генерируемую мощность в электросеть. «Data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm /electronicdesign/image/2021/06/Fig2x559.60bfb27656309.png?auto=format&fit=max&w=1440 «data-embed-caption =» 2. Показанная электрическая цепь представляет собой индукционный генератор с двойным питанием (DFIG), статор которого подключен непосредственно к электросети через трансформатор. Обмотка ротора DFIG через контактные кольца соединена с фильтром, преобразователем постоянного и переменного тока, инвертором постоянного и переменного тока и другим фильтром с трансформатором.Сторона сети преобразователя подключена к выходной обмотке трансформатора, который подает генерируемую мощность в сеть. «]}%

Преобразователь мощности с полной номинальной мощностью

Эта силовая цепь состоит из асинхронной / синхронный генератор (Рис. 3) . Его архитектура исключает контактные кольца, имеет полную мощность и регулируемость скорости по сравнению с архитектурой DFIG.Часть этой архитектуры — высокие потери мощности и коммутационные потери.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb28c54a18e2b008b4940» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «3. Показана ветроэнергетическая установка с преобразователем мощности на полную мощность ». data-embed-src = «https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2021/06/Fig3x624.60bfb28c8634d.png?auto=format&fit=max&w=1440» data-embed-caption = «3. Показана ветряная турбина с преобразователем мощности на полную мощность». ]}%

Коммутируемые генераторы сопротивления

В этих архитектурах используются прочные ротор и статор.Когда генераторы сопротивления объединены с функциями прямого привода, эти машины будут довольно большими и тяжелыми, что делает их менее полезными в современных приложениях ветроэнергетики.

Мощные ветроэнергетические системы преобразования

В этом разделе мы обсудим преобразователи с прямым подключением. Архитектура будет исследована для мощных систем преобразования энергии ветра (WECS) в низковольтную категорию.

Преобразователь мощности должен иметь высокую удельную мощность, чтобы иметь небольшие размеры и вес.Это важное требование, особенно для морских ветряных турбин.

Преобразователи низкого напряжения (LV) (690 и 575 В):

WECS, тип 4, с обратным соединением (BTB), полномасштабный, двухуровневый (2L) преобразователь источника напряжения (VSC) (Рис.4) . Частота переключения выпрямителя источника напряжения (VSR) и VSI поддерживается на уровне от 1 до 3 кГц для достижения более низких потерь переключения и более высокой плотности мощности.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb2a354a18e3d008b491c» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «4.Эта диаграмма объясняет архитектуру WECS типа 4 с двухуровневыми преобразователями источника напряжения BTB (см. Ссылку 4). «Data-embed-src =» https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/ image / 2021/06 / Fig4x909.60bfb2a344426.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 4. Эта диаграмма объясняет архитектуру WECS типа 4 с двухуровневыми преобразователями источника напряжения BTB (см. Ссылку 4). «]}%

WECS типа 3, 2L-VSC с частичным подключением к BTB (рис.5) . Статор генератора напрямую подключен к сети; ротор генератора подключен через преобразователь мощности.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb2bf54a18ed4408b468b» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «5. Архитектура WECS Типа 3 включает двухуровневые преобразователи источника напряжения BTB (см. Ссылку 4) ». data-embed-src = «https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2021/06/Fig5x850.60bfb2bf37738.png? Auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 5. Архитектура WECS типа 3 включает двухуровневые преобразователи источника напряжения BTB (см. Ссылку 4). «]}%

Параллельный BTB 2L-VSC с общей связью постоянного тока (рис. 6) . Эта архитектура предназначена для номинальная мощность более 0,75 МВт в турбинах типа 4 (2,5 МВт в турбинах типа 3). Допустимая нагрузка по току может быть увеличена путем параллельного подключения трехфазных преобразователей VSC вместе с фильтрами гармоник.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb2dbe617572a008b48ea» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «6. На этой схеме изображена архитектура WECS типов 3 и 4 с параллельно подключенными модулями BTB 2L-VSC и общим звеном постоянного тока (см. Ссылку 4) ». data-embed-src = «https://img.electronicdesign.com/files/base/ebm/electronicdesign/image/2021/06/Fig6x850.60bfb2daddfc7.png?auto=format&fit=max&w=1440» data-embed-caption = «6. Эта диаграмма изображает архитектуру WECS типов 3 и 4 с параллельно подключенными модулями BTB 2L-VSC и общим звеном постоянного тока (см. Ссылку 4).»]}%

Параллельные BTB 2L-VSC с отдельными звеньями постоянного тока (рис. 7) . Эта архитектура решает проблему циркулирующих токов, а также проблему надежности; звенья постоянного тока могут быть сконфигурированы как отдельные элементы. В конструкции сохранены лучшие характеристики энергопотребления, модульности, избыточности и эффективности.

% {[data-embed-type = «image» data-embed-id = «60bfb2f82a3ece33428b467c» data-embed-element = «span» data-embed-size = «640w» data-embed-alt = «7.Показана архитектура WECS типов 3 и 4 с параллельно подключенными модулями BTB 2L-VSC, с отдельными звеньями постоянного тока и трансформатором с открытой обмоткой (см. Ссылку 4). «Data-embed-src =» https: //img.electronicdesign .com / files / base / ebm / electronicdesign / image / 2021/06 / Fig7x850.60bfb2f75fd18.png? auto = format & fit = max & w = 1440 «data-embed-caption =» 7. Показана архитектура WECS типов 3 и 4 с параллельно подключенными модулями BTB 2L-VSC, с отдельными звеньями постоянного тока и трансформатором с открытой обмоткой (см. Ссылку 4).»]}%

Четвертый список в Ссылки ниже предоставляет подробные сведения и дополнительную информацию о конфигурациях WECS, преобразователях высокой мощности MW-WECS, преобразователях среднего напряжения (MV), пассивных преобразователях на стороне генератора, преобразователи для многофазных генераторов, преобразователи для генераторов с открытой обмоткой или преобразователи мощности без звена постоянного тока.

Подробнее см. в Power Management Series: Delving Into Power Density

References

«Оценка факторов, влияющих на выходную мощность ветряных турбин», Девятнадцатая Международная конференция по энергетическим системам Ближнего Востока (MEPCON), 2017 г., Университет Менуфия, Египет, 19–21 декабря 2017 г.

«Преобразователи энергии для ветряных турбин: текущее и будущее развитие», IEEE 2013

«Преобразователи силовой электроники и ветряные турбины», 2017 Международный журнал инженерных разработок и исследований (www.ijedr.org) (IJEDR), том 5, выпуск 2, ISSN: 2321-9939

«Системы преобразования энергии ветра большой мощности: современные и новые технологии», Труды IEEE | Vol. 103, № 5, май 2015 г.

«Технология ветряных турбин с полным преобразователем», Siemens

«Индукционный генератор с двойным питанием, использующий встречно-обратные ШИМ-преобразователи и его применение в производстве ветровой энергии с регулируемой скоростью», IEEE Proceedings-Electric Power Appl., т. 143, № 3, май 1996 г.

Определение и объяснение концепций ветряных турбин

На этой странице мы пытаемся дать краткое введение в основные концепции проектирования и изготовления ветряных турбин.

| Сайт | Башня | Анемометры | Генераторы и генераторы | Скорость включения | Генератор переменного тока |