Kinetische windgenerator: apparaat, werkingsprincipe, toepassing

Met een moderne kinetische windgenerator kunt u profiteren van de kracht van luchtstromen en deze omzetten in elektriciteit.Voor dit doel zijn er in de fabriek gemaakte en zelfgemaakte modellen van apparaten die zowel in de industrie als in particuliere huishoudens worden gebruikt.

We vertellen u hoe windturbines van dit type zijn ontworpen en laten u kennismaken met de kenmerken van het apparaat en de ontwerpmogelijkheden. Het artikel dat we hebben voorgesteld toont de sterke en zwakke punten van een windenergiecentrale. Doe-het-zelvers vinden hier nuttige schema's en montage-aanbevelingen.

Werkingsprincipe van de windgenerator

De werking van een windgenerator is gebaseerd op de transformatie van de kinetische energie van de wind in de mechanische energie van de rotor, die vervolgens wordt omgezet in elektriciteit.

Het werkingsprincipe is vrij eenvoudig: de rotatie van de bladen die op de as van het apparaat zijn bevestigd, leidt tot cirkelvormige bewegingen van de rotorgenerator, waardoor elektriciteit wordt opgewekt.

Windenergie is een van de meest veelbelovende sectoren van hernieuwbare energie. Moderne ontwerpen maken het mogelijk om op kosteneffectieve wijze de kracht van luchtstromen te benutten en deze te gebruiken om elektriciteit op te wekken

De resulterende onstabiele wisselstroom ‘vloeit’ naar de controller, waar deze wordt omgezet in gelijkspanning die de batterijen kan opladen. Van daaruit wordt de stroom aan de omvormer geleverd, waar deze wordt omgezet in een wisselspanning met een indicator van 220/380 V, die aan de consumenten wordt geleverd.

Het vermogen van een windgenerator hangt rechtstreeks af van het vermogen van de luchtstroom (N), berekend volgens de formule N=pSV³/2, waarbij V de windsnelheid is, S het werkgebied en p de luchtdichtheid.

Windgenerator apparaat

Verschillende versies van windgeneratoren verschillen aanzienlijk van elkaar.

Het onderstaande diagram toont de interne structuur van een klassieke horizontale windgenerator. Dergelijke modellen worden het vaakst gebruikt, zowel in de industrie als in het dagelijks leven.

Industriële apparaten zijn een complexe multimeterstructuur, waarvan de installatie een fundering vereist, terwijl een huishoudelijk model uit een minimum aan componenten kan bestaan ​​(DC-elektromotor 3-12V, elektrische condensator 1000 uF 6V, siliciumgelijkrichterdiode).

Een typische installatie omvat de volgende componenten:

• wisselstroomgenerator (vermogen hangt af van de snelheid van de windstromen);
• bladen die rotatie overbrengen naar de generatoras (vaak zijn ze bovendien uitgerust met versnellingsbakken en rotorsnelheidsstabilisatoren);
• de windmolenmast waaraan de wieken zijn bevestigd (hoe hoger deze elementen zijn, hoe meer windenergie ze kunnen ontvangen);
• batterijen die energie opslaan, waardoor deze kan worden gebruikt als er weinig of geen wind is. De batterij vervult ook de functie van het stabiliseren van de elektrische energie die door de generator wordt geleverd;
• controller - omzetter van wisselspanning ontvangen van de generator naar gelijkspanning, die wordt gebruikt om de batterij op te laden. De controller wordt bestuurd door het draaien van de lamellen, waardoor je rekening kunt houden met waar de luchtstromen bewegen;
• AVR is een automatisch schakelapparaat dat de windgenerator verbindt met andere energiebronnen (zonnepanelen, elektriciteitsnet);
• windrichtingsensor - een apparaat dat het voor de bladen gemakkelijker maakt om de windstroom te vinden;
• een omvormer voor het omzetten van gelijkstroom uit batterijen in wisselspanning, die wordt gebruikt in elektrische communicatie.

Om beter aan de gebruikersbehoeften te voldoen, kan het apparaat worden uitgerust met verschillende soorten omvormers:

• apparaten met een door een inverter gemodificeerde sinusgolf die een vierkante sinusgolf produceert. Apparaten van dit type zijn geschikt voor verwarmingselementen, gloeilampen en andere apparaten die niet veeleisend zijn voor de netwerkkwaliteit;
• driefasige spanningsomvormers ontworpen voor driefasige elektrische netwerken;
• zuivere sinusgolfeenheden die energie produceren voor gevoeligere apparatuur;
• netwerkomvormers die zonder batterijen kunnen werken. Dergelijke apparaten zijn ontworpen voor circuits waarbij elektrische energie rechtstreeks in het algemene netwerk terechtkomt.

Let bij het kiezen van modellen op het type omvormer.

Soorten windgeneratoren

Bij het classificeren van windturbines kan rekening worden gehouden met de volgende kenmerken:

• afspraak;
• ontwerpkenmerken;
• aantal messen;
• de materialen waaruit ze zijn gemaakt;
• as van rotatie;
• propeller spoed.

Laten we de twee meest gebruikte classificaties eens nader bekijken.

Classificatie van windgeneratoren naar doel

Er zijn soorten windturbines die qua doel verschillen. De belangrijkste kenmerken van apparaten, bijvoorbeeld vermogen, zijn hiervan afhankelijk.

Industriële windturbines

Dergelijke apparaten worden door grote energiebedrijven of de staat geïnstalleerd om elektriciteit aan industriële installaties te leveren.Turbines, met een vermogen van tientallen megawatts, staan ​​doorgaans in windgebieden (open heuvels, kusten).

Windparken, waar tientallen windturbines staan ​​opgesteld, bevinden zich niet alleen op land, maar ook in ondiep water. De resulterende elektriciteit wordt meestal gebruikt voor industriële doeleinden

De opgewekte elektriciteit gaat in de regel rechtstreeks het netwerk in, terwijl windturbines zijn uitgerust met extra mechanismen voor stabiliteit en regeling van de rotatiesnelheid van de bladen.

Commerciële windgeneratoren

Dergelijke installaties worden gebruikt om elektriciteit op te wekken voor verkoop of om elektriciteit te leveren aan productie in regio's met een elektrisch netwerk met laag vermogen (of helemaal geen elektriciteitsnet). Dergelijke windenergiecentrales bestaan ​​uit een cluster van elektrische generatoren, die verschillende capaciteiten kunnen hebben.

Energie uit commerciële installaties kan rechtstreeks aan elektriciteitsvoorzieningen worden geleverd of worden gebruikt om een ​​groot aantal batterijen op te laden, waar de energie wordt opgeslagen en omgezet om het elektriciteitsnet te voeden.

Huishoudelijke windapparaten

Voor privégebruik worden apparaten met een laag vermogen gebruikt. Volgens de regels mogen windturbines met masten van minder dan 25 meter hoog door grondeigenaren worden geplaatst zonder toestemming van de overheid; voor hogere masten moet speciale toestemming worden verkregen.

Windmolens met een laag en middelhoog vermogen kunnen dienen als een bron van elektrische energie voor huisjes, datsja's, landhuizen en boerderijen

Huishoudelijke windgeneratoren zijn geschikt voor het opladen van accu's met een spanning van 12/24/48V, waarvan de energie wordt omgezet in een spanning van 220 Volt.Dergelijke apparaten maken het mogelijk om het probleem van de stroomvoorziening van kleine objecten die zich ver van het gecentraliseerde elektriciteitsnet bevinden, geheel of gedeeltelijk op te lossen.

Met richtlijnen voor het kiezen van een windgenerator om een ​​privéwoning van energie te voorzien Lees het artikelgewijd aan dit interessante onderwerp.

Soorten windturbineontwerpen

Op basis van hun ontwerpkenmerken kunnen apparaten ook in een aantal categorieën worden onderverdeeld, hoewel alle varianten neerkomen op twee hoofdtypen: verticaal en horizontaal.

Klassieke horizontale windturbines

Dergelijke installaties (ze worden ook wel propeller of vleugel genoemd) hebben meestal 3-5 bladen die op een horizontale as zijn gemonteerd. Dergelijke elementen roteren op hoge snelheid en zorgen ervoor dat u de maximale hoeveelheid energie kunt verkrijgen (KIEV tot 0,4).

Bovendien hangt de hoeveelheid opgewekte elektriciteit grotendeels af van de hoogte van het apparaat (hoe hoger deze is, hoe groter het resultaat).

Een horizontale windturbine maakt gebruik van lift, die optreedt wanneer de druk toeneemt op het punt waar de directe luchtstroom door de bladen gaat en door deze elementen wordt gereflecteerd.

Deze apparaten worden doorgaans geïnstalleerd in windparken waar energie wordt opgewekt voor industrieel en commercieel gebruik, maar ze zijn ook geschikt voor huishoudelijk gebruik.

Een interessante oplossing voor een horizontale windmolen is een model met één blad; de volgende selectie foto's zal u vertrouwd maken met de kenmerken ervan:

Verticale windturbines

Het bedieningselement van dergelijke installaties is een roterend windwiel. Vanwege hun ontwerpkenmerken verschillen dergelijke constructies per type ("Barrel", "Savonius").

De volgende fotoselectie laat u kennismaken met het principe van de Savonius verticale generatorturbine:

Ondanks de lage KIEV-index (0,1-0,2) worden ze veel gebruikt: verticale installaties werken op turbulente luchtstromen, zodat ze zelfs in gebieden kunnen worden geplaatst waar zelden harde wind waait.

De werking van verticale windgeneratoren is niet afhankelijk van de windrichting. Ze zijn eenvoudig te installeren en te bedienen, en dergelijke apparaten kunnen dicht bij de grond worden geïnstalleerd

Om de efficiëntie van verticale windturbines te verbeteren, verhogen fabrikanten vaak hun maatparameters, wat tot een aanzienlijke kostenstijging leidt. Omdat dergelijke installaties tamelijk kwetsbaar zijn, vereisen ze een betere bescherming tegen orkanen en andere natuurverschijnselen.

Windgeneratoren "Rotor Daria"

Dergelijke apparaten behoren tot de categorie verticale windturbines, maar hebben uitgesproken ontwerpverschillen. Dankzij dergelijke functies wordt ruisonderdrukking bereikt en neemt ook KIEV toe, wat de prestaties van horizontale modellen benadert.

Een lagedrukturbine met een rotatie-as loodrecht op de lucht, in 1931 voorgesteld door de Franse vliegtuigontwerper Georges Darrieus, heeft brede toepassing gevonden in windenergie.

Het nadeel van dergelijke ontwerpen is het lage startkoppel (door de aanwezigheid van slechts twee messen is het moeilijk voor het apparaat om zelfstandig te starten). Om het probleem op te lossen, wordt vaak de hybride "Savonius + Darier" gebruikt.

Varende windinstallaties

Voor dergelijke installaties kan gebruik worden gemaakt van het principe van het bouwen van zowel verticale als horizontale windturbines. Het belangrijkste ontwerpkenmerk is een windwiel bedekt met veel bladen of zeilen, terwijl dergelijke modellen geen aerodynamisch profiel hebben.

Er zijn veel modellen zeilwindgeneratoren, die verschillen in het aantal bladen, het gewicht en het vermogen. Bij het kiezen van een apparaat moet met al deze parameters rekening worden gehouden

Ondanks dat varende installaties zich kenmerken door lage snelheid en laag rendement, worden ze vaak ingezet in de nationale economie.Dergelijke ontwerpen zijn eenvoudig te installeren en te bedienen, en door de combinatie van hoog koppel en lage snelheid kunt u direct verschillende nuttige mechanismen aandrijven, bijvoorbeeld een pomp voor het wegpompen van water.

In de volgende galerij maakt u kennis met een van de modellen van varende windturbines die in de praktijk worden geïmplementeerd:

Generator voor windturbine

Windturbines hebben conventionele driefasige generatoren nodig om te kunnen werken. Het ontwerp van dergelijke apparaten is vergelijkbaar met modellen die op auto's worden gebruikt, maar heeft grotere parameters.

Windturbine-instrumenten hebben een driefasige statorwikkeling (steraansluiting), waaruit drie draden naar buiten komen en naar de controller gaan, waar de wisselspanning wordt omgezet in gelijkspanning.

De generatorrotor voor een windturbine is gemaakt van neodymiummagneten: bij dergelijke ontwerpen is het ongepast om elektrische excitatie te gebruiken, omdat de spoel veel energie verbruikt

Om de omzet te verhogen wordt vaak gebruik gemaakt van een multiplier.Met dit apparaat kunt u het vermogen van de bestaande generator vergroten of een kleiner apparaat gebruiken, waardoor de installatiekosten worden verlaagd.

Vermenigvuldigers worden vaker gebruikt in verticale windgeneratoren, waarbij het proces van het draaien van het windwiel langzamer is. Voor horizontale apparaten met hoge bladrotatiesnelheden zijn geen vermenigvuldigers vereist, wat de ontwerpkosten vereenvoudigt en verlaagt.

Bijzonderheden over montage en installatie van windgeneratoren uit de wasmachine en windturbines van een autogenerator wordt gedetailleerd beschreven in de artikelen die wij aanbevelen.

Voor- en nadelen van een windgenerator

Laten we de voor- en nadelen van windturbines in detail bekijken, aangezien de beslissing om een ​​windturbine aan te schaffen of te verlaten ervan afhangt.

Voordelen van windapparaten

De voordelen van apparaten die windenergie gebruiken zijn onder meer:

• Milieu vriendelijkheid. De installaties maken gebruik van een hernieuwbare energiebron die continu kan worden gebruikt zonder schade aan het milieu te veroorzaken. Elektriciteit opgewekt door windgeneratoren vervangt de energie van thermische elektriciteitscentrales, waardoor de uitstoot van broeikasgassen wordt verminderd.
• Veelzijdigheid. Windenergiecentrales kunnen bijna overal worden gebouwd: op vlakten, in bergen, in velden, op eilanden en zelfs in ondiepe wateren. Windenergie is vooral waardevol op afgelegen plaatsen waar het moeilijk is om conventionele elektrische communicatie uit te breiden. Windgeneratoren maken het in dit geval mogelijk om een ​​energievoorziening voor objecten tot stand te brengen, waardoor de onafhankelijkheid van willekeurige factoren (bijvoorbeeld brandstof die niet op tijd wordt geleverd) wordt gegarandeerd.
• Efficiëntie van gebruik. Moderne modellen verwerken de energie van zelfs zwakke wind - de minimumlimiet is 3,5 m/s.Op deze manier is het mogelijk om extra elektriciteit aan het gecentraliseerde netwerk te leveren, en om de stroomvoorziening naar individuele objecten (eiland of lokaal) te organiseren, ongeacht hun stroomvoorziening.
• Een waardig alternatief voor traditionele bronnen. Stationaire windenergiecentrales kunnen een woongebouw of zelfs een kleine industriële faciliteit volledig van elektriciteit voorzien. In dit geval zal de turbine de benodigde hoeveelheid elektriciteit accumuleren in batterijen, bedoeld voor gebruik tijdens rustige periodes.
• Economisch. Vergeleken met traditionele bronnen van elektrische energie (gas, turf, steenkool, olie) kunnen fietsturbines de energiekosten aanzienlijk verlagen. In veel gevallen is het bouwen van een windpark goedkoper dan het aansluiten op bestaande energiesystemen.

Het gebruik van windturbines kan een alternatief zijn voor het gebruik van dure dieselgeneratoren, waardoor de kosten voor transport en opslag van brandstof verder met wel 80% kunnen worden verlaagd.

Het gemiddelde vermogen van een windturbine wijkt meerdere malen af ​​van de piekbelasting. Een windgenerator is alleen verantwoordelijk voor de hoeveelheid energie die gedurende een bepaalde periode wordt geproduceerd bij de gemiddelde maandelijkse windsnelheid die kenmerkend is voor een bepaald gebied.

Voor een nauwkeurigere beoordeling van windbronnen kunt u speciaal afgeleide gegevens (Weibull-parameters) gebruiken. Deze indicatoren weerspiegelen de verdeling van winden met verschillende sterktes die kenmerkend zijn voor een bepaald gebied. Het is belangrijk om met dergelijke informatie rekening te houden bij de ontwikkeling van windparkprojecten met een vermogen van tientallen MW.

Het vermogen dat door een windturbine wordt opgewekt, is evenredig met het drievoudige van de windsnelheid.Bijgevolg is deze indicator erg klein als de windstromen zwak zijn, maar als ze intenser worden, neemt hij sterk toe. Vanwege de variabiliteit van windrichting en -snelheid moeten stabiliserende componenten worden opgenomen in het ontwerp van een windturbine.

Regels en formules voor het berekenen van het vermogen van windgeneratoren worden hier gegeven, raden wij u aan vertrouwd te raken met de zeer nuttige informatie.

In kleine autonome systemen wordt hun functie vervuld door batterijen, waarvan de lading begint toe te nemen zodra het vermogen van de windgenerator de belasting overschrijdt.

Naarmate de belasting toeneemt, kan de accu ontladen. Het is belangrijk om met deze functie rekening te houden bij het kiezen van een huishoudelijke eenheid: het vermogen ervan moet overeenkomen met het maandelijkse of jaarlijkse elektriciteitsverbruik

Opgemerkt moet worden dat het effectieve gebruik van windstromen wordt vergemakkelijkt door een verscheidenheid aan windgeneratorontwerpen.

Horizontale turbines presteren goed in vlakke gebieden waar veel wind staat, terwijl verticale turbines beter werken in gebieden met turbulente stromingen die laag bij de grond voorkomen (hogere heuvels, bergketens).

De belangrijkste nadelen van windturbines

Tegelijkertijd hebben windturbines ook hun negatieve kanten:

• De omvang van de windkracht is vooraf moeilijk te voorspellen, omdat deze vaak verandert. Daarom is het raadzaam om een ​​vangnet te overwegen door te zorgen voor een back-up energiebron (zonnepanelen, aansluiting op het elektriciteitsnet).
• Verticale apparaten lopen het risico de propellerbladen te vernietigen als gevolg van de effecten van centrifugale krachten wanneer de bladen rond de hoofdas draaien. Als gevolg van dit effect raken belangrijke structurele elementen na verloop van tijd vervormd en vernietigd, en faalt het mechanisme.
• Het is beter om windturbines in de vrije ruimte te installeren, omdat nabijgelegen gebouwen de wind kunnen "dempen" en een "dode" luchtzone vormen.
• Om overtollige energie van windturbines te besparen, is het noodzakelijk om in het ontwerp het gebruik van batterijen en andere aanvullende apparaten op te nemen die dienen om de opgewekte elektriciteit om te zetten in stroom met geschikte consumentenkenmerken.
• Wanneer ze in werking zijn, produceren windgeneratoren geluid dat mensen ongemak kan bezorgen en dieren kan afschrikken. De bladen van de installaties kunnen ook de dood veroorzaken van vogels die ernaartoe vliegen.
• Volgens sommige deskundigen kunnen windturbines de ontvangst van radio- en televisie-uitzendingen verslechteren.

Negatieve aspecten kunnen ook de vrij hoge kosten van dergelijke eenheden zijn, maar de lage kosten van de energiebron compenseren deze factor grotendeels.

Aansluitschema's en methoden

Hoewel een windturbine autonoom kan werken, kunnen veel betere resultaten worden behaald met gecombineerde schema's die een windturbine combineren met zonnepanelen, een gecentraliseerd elektriciteitsnet en diesel- of gasenergiebronnen.

Autonome werking. In dit geval wordt één enkele installatie geïnstalleerd, met behulp waarvan windenergie wordt opgevangen en geaccumuleerd, die vervolgens wordt omgezet in de elektrische stroom die consumenten nodig hebben.

Het diagram toont de eenvoudigste manier om een ​​windgenerator te gebruiken, wat raadzaam is om te gebruiken in gebieden waar voortdurend harde wind waait

Een windgenerator combineren met zonnepanelen. De gecombineerde optie wordt beschouwd als een betrouwbare en efficiënte methode van stroomvoorziening. Als er geen wind is, loopt de batterij door zonnepanelen, en bij bewolkt weer en 's nachts vindt het opladen plaats via een windturbine.

Een ideale optie voor een privéwoning of boerderij ver van een gecentraliseerd elektriciteitsnet. Dit gecombineerde plan maakt het gebruik van twee soorten hernieuwbare energie mogelijk

Gecombineerde werking van een windgenerator en elektriciteitsnet. Een windturbine kan worden gecombineerd met elektrische communicatie.

Deze opstelling is typisch voor industriële en commerciële apparaten. Voor sommige modellen huishoudelijke windgeneratoren is ook aansluiting op elektrische communicatie voorzien

Als er een overschot aan geproduceerde elektriciteit is, gaat deze naar het gecentraliseerde netwerk en als er een tekort is, is het mogelijk om elektrische stroom uit het algemene energiesysteem te gebruiken.

Nuances van het gebruik van windgeneratoren

Momenteel worden windturbines gebruikt in verschillende sectoren van de nationale economie. Industriële modellen met verschillende capaciteiten worden gebruikt door olie- en gasbedrijven, telecommunicatiebedrijven, boor- en geologische exploratiestations, productiefaciliteiten en overheidsinstanties.

De windturbine kan worden gebruikt als extra energiebron in ziekenhuizen en andere instellingen om in noodsituaties een continue stroomvoorziening te garanderen

Bijzonder opmerkelijk is het belang van het gebruik van windturbines voor het snelle herstel van beschadigde elektriciteit tijdens rampen en natuurrampen. Voor dit doel worden vaak windgeneratoren gebruikt door eenheden van het Ministerie van Noodsituaties.

Huishoudelijke windturbines zijn perfect voor het organiseren van verlichting en verwarming in cottagegemeenschappen en particuliere huizen, maar ook voor economische doeleinden op boerderijen.

Er zijn enkele punten waarmee u rekening moet houden:

• Apparaten tot 1 kW kunnen alleen op winderige plaatsen voldoende elektriciteit leveren.Normaal gesproken is de energie die ze opwekken slechts voldoende om LED-verlichting en kleine elektronische apparaten van stroom te voorzien.
• Om een ​​datsja (landhuis) volledig van elektriciteit te voorzien, heb je een windgenerator met een vermogen van meer dan 1 kW nodig. Deze indicator is voldoende om verlichtingsarmaturen, maar ook een computer en een tv van stroom te voorzien, maar de kracht ervan is niet voldoende om elektriciteit te leveren aan een moderne koelkast die 24 uur per dag werkt.
• Om een ​​huisje van energie te voorzien, heb je een windturbine nodig met een vermogen van 3-5 kW, maar zelfs dit cijfer zal niet genoeg zijn om huizen te verwarmen. Om deze functie te gebruiken heb je een krachtige optie nodig, vanaf 10 kW.

Bij het kiezen van een model moet u er rekening mee houden dat de op het apparaat aangegeven stroomindicator alleen wordt bereikt bij maximale windsnelheid. Een 300V-installatie zal dus alleen de gespecificeerde hoeveelheid energie produceren bij een luchtstroomsnelheid van 10-12 m/s.

Voor degenen die met hun eigen handen een windgenerator willen bouwen, bieden wij aan volgend artikel, die nuttige informatie in detail biedt.

Conclusies en nuttige video over het onderwerp

De onderstaande video geeft gedetailleerde informatie over het werkingsprincipe en het ontwerp van een huishoudelijk model van een windgenerator:

Een windgenerator is een uitstekende bron voor de productie van elektrische energie, die vooral door inwoners van afgelegen gebieden zal worden gewaardeerd. Verschillende Russische en buitenlandse ondernemingen bieden een breed scala aan windconstructies aan, daarnaast kunnen huishoudelijke modellen met uw eigen handen worden gemaakt.

Schrijf opmerkingen in het onderstaande blok. Vertel ons hoe u een windgenerator op uw perceel heeft gebouwd, of hoe de windturbine van uw buren werkt.Stel vragen, deel nuttige informatie en foto's over het onderwerp.