Вітрогенератор

Вітрогенератор (вітрова турбіна) — пристрій для перетворення кінетичної енергії вітру на електричну, що складається з вітрової турбіни, електрогенератора та допоміжного обладнання. Виробництво вітрогенераторів належить до складних та наукомістких виробництв.

Вітрогенератори промислової вітроелектростанції

Історія

Вітрова турбіна Джеймса Блата, 1891 рік

Відеo вітрогенератор

Протягом століть енергія вітру використовувалася для подрібнення зерна на вітрових млинах і для перекачування води. Вітрове колесо Герона Александрійського стало однією з перших вітроенергетичних машин в історії. Вітряки з'явилися в Персії (нині Іран) близько 500—900 року н. е., а в Європі — у середні віки. Перші історичні дані про їх використання в Англії відносяться до XI або XII століть.

Вдосконалені вітряки були описані хорватським винахідником Фаустом Веранчичем. У своїй книзі «Machinae Novae» (1595) він описав вітрові турбіни з вертикальною віссю з вигнутими або V-подібними лопатями.

Перша електрогенеруюча вітрова турбіна, яка заряджала електричну батарею і використовувалася для освітлення заміського будинку у Марікірку, була сконструйована в липні 1887 року шотландським академіком Джеймсом Блітом.

В липні 2023 року, китайська компанія Three Gorges Energy заявила про успішне підключення до мережі першого у світі вітрогенератора потужністю 16 МВт. Ця морська установка має колосальні розміри: висота її вежі досягає 152 метри, що приблизно дорівнює висоті 50-поверхового житлового будинку. Очікується, що в рік обсяг вироблення електроенергії з однієї такої турбіни сягатиме 66 ГВт·год. Станом на 2023 рік, цей вітрогенератор є найпотужнішим у світі. Ближче до кінця поточного року може розпочатися монтаж або навіть запуск вітрогенератора з турбіною потужністю 18 МВт, висота вежі якого перевищить висоту 70-поверхового будинку. Також існує велика ймовірність, що буде оголошено про розробку або навіть виробництво вітрогенератора з турбіною потужністю 20 МВт.

Типи вітрогенераторів

Типи за областю використання

За областю використання вітрогенератори умовно можуть бути поділені як для промислового, приватного та спеціального призначення.

Промислові вітрогенератори встановлюються державними органами або енергетичними компаніями. Потужність сучасних промислових вітрогенераторів досягає 8 МВт. Як правило, такі генератори об'єднують у мережу. Основна відмінність вітроелектростанцій від теплових електростанцій — повна відсутність сировини та відходів. Створення таких електростанцій економічно доцільне в районах з високим середньорічним значенням швидкості вітру або у віддалених від промислових електромереж районах.

Вітрогенератори приватного призначення мають відносно невелику потужність (звичайно до декількох кіловат) та використовуються разом з стаціонарною електромережею як джерела додаткової енергії, або як складові (разом з сонячними панелями, акумуляторними батареями, інверторами) в системах автономного електрозабезпечення. Такі генератори є популярним об'єктом аматорського конструювання.

Вітрогенератори спеціального призначення використовуються для автономного електрозабезпечення окремих технологічних об'єктів: туристичних стоянок, вітрильних гоночних яхт тощо. Такі генератори мають малу потужність (звичайно до десятків ват) і часто використовуються без інверторів — як джерела постійного струму для підзарядки акумуляторних батарей (в тому числі — батарей мобільних пристроїв через USB-адаптери).

Типи за конструкцією вітрової турбіни

За конструкцією вітрової турбіни вітрогенератори поділяються на апарати з горизонтальною та вертикальною віссю (яка не обов'язково повинна бути вертикальною).

Апарати з горизонтальною віссю

Принцип дії. Вітер обертає ротор. Добута у вітротурбіні електроенергія передається на контролер заряду. Інвертор перетворює напругу на контактах акумулятора на придатну до використання 220 Вт 50 Гц

Апарати з горизонтальною віссю вимагають додаткового пристрою орієнтації та високої щогли, але характеризуються високим значенням коефіцієнту використання енергії вітру (КІВ, КІЕВ) та відносно малими динамічними навантаженнями. Завдяки своїм перевагам отримали широке використання. Високе значення КІВ досягається за рахунок оптимізації профілів лопатей турбіни, що дозволяє отримати на лопатях значну підйомну силу, яка сприяє збільшенню крутного моменту.

До апаратів з горизонтальною віссю також належать так звані вітрильні турбіни, в яких лопаті турбіни є подібними до вітрил. Такі турбіни характеризуються значно меншим КІВ, але можуть працювати в умовах слабких вітрів, що досягається значною площею встановлених вітрил. Підйомна сила на лопатях таких турбін є незначною.

Апарати з вертикальною віссю

Апарати з вертикальною віссю не вимагають пристроїв орієнтації відносно напрямку вітру. Довгий час суттєвим недоліком таких турбін у порівнянні з турбінами з горизонтальною віссю, крутний момент яких залишається незмінним протягом одного обороту, було те, що лопаті вертикальних турбін при обертанні створюють періодичні імпульси, що призводить до додаткових навантажень на елементи їх конструкції. В подальшому цей недолік був усунутий шляхом гвинтового повороту лопаток турбіни (Турбіна Горлова тощо).

Вертикальновісьові турбіни зустрічаються досить рідко і використовуються, як правило, у домашніх системах через порівняно низький рівень шуму при роботі. Проте існують проекти застосування таких генераторів у шельфових електростанціях.

Конструкція

Конструкція малого вітрогенератора

Домашній вітрогенератор

До складу малого вітрогенератора звичайно входять такі конструктивні елементи та пристрої: ротор з лопатями, щогла. Додатково також можуть використовуватись контролер заряду, акумулятор, інвертор, система відведення при сильному вітрі тощо.

Конструкція промислової вітрової установки

Будова промислового вітрогенератора

1. фундамент,
2. силова шафа, що включає силові контактори й ланцюги керування,
3. вежа,
4. сходи,
5. поворотний механізм,
6. гондола,
7. електричний генератор,
8. система спостереження за напрямком і швидкістю вітру (анемометр),
9. гальмівна система,
10. трансмісія,
11. лопаті,
12. система зміни кута атаки,
13. ковпак ротора,

• система пожежогасіння,
• телекомунікаційна система для передачі даних про роботу вітрогенератора,
• система захисту від блискавки.

Промисловий вітрогенератор зводиться за 10-15 дні, але вимагає отримання дозволів на будівництво, що може зайняти значний час для проведення експертиз та оформлення дозвільних документів. Для зведення вітрогенератора потрібна спеціальна техніка, оскільки у потужних турбінах гондола встановлюється на висоті близько 50 метрів.

Під час експлуатації промислових генераторів можуть виникнути певні проблеми:

• Зледеніння лопатей та інших частин вітрогенератора. Зледеніння може досить суттєво знизити ефективність роботи вітряка та унеможливлює його встановлення поблизу доріг або населених пунктів в районах з можливим обмерзанням.
• Удари блискавок, які можуть призвести до загоряння вітрогенератора. На сучасних вітряках ця проблема вирішена завдяки використанню композитних матеріалів.
• Виникнення пожежі при збільшенні тертя рухомих частин вітряка в умовах значних перерв між технічними оглядами турбіни. Для зменшення збитків сучасні вітрогенератори облаштовуються система контролю температури та автоматичного пожежогасіння.

«Забруднення» навколишнього середовища

Галерея

• Вітрогенератор на обмілині Торнтон за 28 км від бельгійського узбережжя Північного моря
• Три основних типи: VAWT Savonius, HAWT towered; VAWT Darrieus, як вони з'являлися в експлуатації

Див. також

• Вітроенергетика
• Відновлювана енергетика
• Закон Беца
• Електричний генератор
• Генератор змінного струму
• Вітряний насос

Примітки

1. . Архів оригіналу за 20 червня 2017. Процитовано 4 червня 2017.
2. . Архів оригіналу за 16 листопада 2017. Процитовано 4 червня 2017.
3. World's largest wind turbine is now fully operational and connected. // By Loz Blain. July 19, 2023
4. У Китаї підключили найбільший у світі вітрогенератор заввишки з 50-поверховий будинок. // Автор: Артем Житкевич. 21 липня 2023
5. . Архів оригіналу за 16 грудня 2012. Процитовано 6 квітня 2013.
6. . Архів оригіналу за 29 серпня 2012. Процитовано 27 серпня 2012.

Посилання

• Photo journal and tutorial for 1.5kw residential wind turbine [ 22 вересня 2010 у Wayback Machine.]
• Time-lapse video of wind turbine installation at the WMRA Deer Island Wastewater Treatment Plant [ 15 листопада 2011 у Wayback Machine.]
• [1] [ 3 липня 2015 у Wayback Machine.]
• [2] [ 17 липня 2011 у Wayback Machine.]
• Wind power (ENERGY) [ 26 квітня 2015 у Wayback Machine.] / «Encyclopaedia Britannica» (англ.)

Література

• Аеродинаміка вітродвигунів = Aerodynamic theory of wind Turbines : Навч. посіб. / Є. Р. Абрамовський. – Д. : Наука і освіта, 2008. – 242 c. – Обклад. і текст англ. мовою.