Kinetický větrný generátor: konstrukce, princip činnosti, použití

Moderní kinetický větrný generátor umožňuje využít sílu vzdušných proudů a přeměnit ji na elektřinu. Pro tento účel existují tovární i vlastnoručně vyrobené modely zařízení, které se používají jak v průmyslu, tak v soukromých domácnostech.

My vám povíme o tom, jak jsou uspořádány větráky tohoto typu, seznámíme vás s charakteristikami zařízení a konstrukčními variantami. V námi navrženém článku jsou uvedeny slabé a silné stránky větrné energetické instalace. Samostatní mistři u nás najdou užitečná schémata a doporučení pro montáž.

Princip činnosti větrného generátoru

Fungování větrného generátoru je založeno na transformaci kinetické energie větru na mechanickou energii rotoru, která je následně přeměněna na elektrickou energii.

Princip fungování je poměrně jednoduchý: otáčení lopatek upevněných na ose zařízení vede ke kruhovým pohybům rotoru generátoru, díky čemuž se vyrábí elektrická energie.

Větrná energetika je jedním z nejperspektivnějších odvětví obnovitelné energetiky. Moderní konstrukce umožňují ekonomicky efektivně využívat sílu vzdušných proudů k výrobě elektřiny.

Získaný nestabilní střídavý proud „stéká“ do regulátoru, kde se přemění na stejnosměrné napětí schopné nabíjet baterie. Odtud napájení putuje do měniče, kde se transformuje na střídavé napětí o hodnotě 220/380 V, které je pak dodáváno spotřebitelům.

Výkon větrného generátoru přímo závisí na výkonu proudění vzduchu (N) a vypočítá se podle vzorce N = pSV³/2, kde V je rychlost větru, S je pracovní plocha, p je hustota vzduchu.

Konstrukce větrného generátoru

Různé varianty větrných generátorů se od sebe výrazně liší.

Na uvedeném schématu je znázorněno vnitřní uspořádání klasického horizontálního větrného generátoru. Takové modely se nejčastěji používají jak v průmyslu, tak v domácnostech.

Průmyslová zařízení představují složitou mnohametrovou konstrukci, k jejíž instalaci je třeba základ, zatímco domácí model může sestávat z minima komponentů (stejnosměrný elektromotor 3-12 V, elektrolytický kondenzátor 1000 μF 6 V, křemíková usměrňovací dioda).

Typická sestava zahrnuje následující součásti:

• generátor střídavého proudu (výkon závisí na rychlosti větrných proudů);
• lopatky, které přenášejí rotaci na hřídel generátoru (často jsou dodatečně vybaveny reduktory, stabilizátory rychlosti otáčení rotoru);
• stožár větrné turbíny, ke kterému jsou připevněny lopatky (čím výše jsou tyto prvky umístěny, tím více větrné energie mohou získat);
• akumulátory, které ukládají energii, což umožňuje její využití při slabém proudění větru nebo jeho úplné nepřítomnosti. Baterie také plní funkci stabilizace elektrické energie přicházející z generátoru;
• regulátor – převodník střídavého napětí z generátoru na stejnosměrné, které se používá k nabíjení baterie. Ovládání regulátoru se provádí natáčením lopatek, což umožňuje zohlednit směr proudění vzduchu;
• AVR – zařízení automatického přepínání, které spojuje větrný generátor s dalšími zdroji energie (solárními panely, elektrickou sítí);
• snímač směru větru – přístroj usnadňující lopatkám vyhledávání větrného proudu;
• měnič (invertor) pro přeměnu stejnosměrného proudu z akumulátorů na střídavé napětí, které se používá v elektrických rozvodech.

Pro úplnější uspokojení uživatelských potřeb může být přístroj vybaven různými typy invertorů:

• zařízení s invertorem modifikované sinusoidy, vydávající čtvercovou sinusoidu. Tento typ zařízení je vhodný pro topná tělesa, žárovky a další přístroje, které nejsou náročné na kvalitu sítě;
• invertory třífázového napětí, určené pro třífázové elektrické sítě;
• zařízení s čistou sinusoidou, která vyrábí energii pro citlivější techniku;
• síťové invertory, schopné fungovat bez baterií. Tato zařízení jsou určena pro schémata, která předpokládají přímé dodávání elektrické energie do společné sítě.

Při výběru modelů je třeba vždy věnovat pozornost typu invertoru.

Typy větrných generátorů

Při klasifikaci větrných turbín lze zohlednit tyto charakteristiky:

• účel;
• konstrukční vlastnosti;
• počet lopatek;
• materiály, ze kterých jsou vyrobeny;
• osa otáčení;
• stoupání vrtule.

Podrobně se podíváme na dvě nejčastěji používané klasifikace.

Klasifikace větrných turbín podle účelu

Rozlišujeme odrůdy větrných zařízení, které se liší účelem. Na tom závisí i základní charakteristiky zařízení, například výkon.

Průmyslové větrné turbíny

Taková zařízení instalují velké energetické společnosti nebo stát pro zásobování elektřinou průmyslových objektů. Turbíny s výkonem desítek megawattů jsou obvykle umístěny na větrných lokalitách (otevřená návrší, pobřeží).

Větrné parky, kde je instalováno desítky větrných turbín, se rozkládají nejen na pevnině, ale i v mělké vodě. Získaná elektřina se obvykle používá pro průmyslové účely.

Vyrobená elektřina zpravidla putuje přímo do sítě, přičemž pro stabilitu a regulaci otáček lopatek jsou větrné turbíny vybaveny přídavnými mechanismy.

Komerční větrné generátory

Tato zařízení se používají k výrobě elektřiny na prodej nebo k zásobování elektřinou výrobních podniků v regionech s nedostatečnou elektrickou sítí (nebo s její úplnou absencí). Takové větrné elektrárny se skládají ze skupiny elektrogenerátorů, které mohou mít různý výkon.

Energie z komerčních zařízení může být dodávána přímo do elektrických rozvodů nebo použita k nabíjení velkého bateriového pole, kde se akumuluje a transformuje pro dodávku do energetické soustavy.

Domácí větrná zařízení

Agregáty malého výkonu se používají pro soukromé účely. Podle pravidel mohou majitelé pozemků instalovat větrné elektrárny s věží nižší než 25 metrů bez souhlasu úřadů, pro vyšší věže je nutné získat zvláštní povolení.

Větrníky slabého a středního výkonu mohou sloužit jako zdroj elektrické energie pro chaty, chalupy, venkovské domy, farmářské usedlosti.

Domácí větrné generátory jsou vhodné pro nabíjení baterií o napětí 12/24/48 V, jejichž energie se transformuje na napětí 220 V. Taková zařízení umožňují zcela nebo částečně vyřešit problém s napájením malých objektů, které se nacházejí daleko od centralizované elektrické sítě.

S orientačními body výběru větrného generátoru pro zajištění energie pro rodinný dům seznámí článek, věnovaný této zajímavé otázce.

Rozmanitosti konstrukcí větrných turbín

Podle konstrukčních vlastností lze zařízení také rozdělit do několika kategorií, i když všechny varianty se dělí na dva základní typy: vertikální a horizontální.

Klasické horizontální větrné generátory

Podobná zařízení (nazývají se také vrtulová nebo lopatková) mají obvykle 3-5 lopatek, instalovaných na horizontální ose. Při vysoké rychlosti otáčení umožňují tyto prvky získat maximální množství energie (KIEV až 0,4).

Přitom množství vyrobené elektřiny do značné míry závisí na výšce zařízení (čím je vyšší, tím větší výsledek).

Horizontální větrný generátor využívá vztlakovou sílu, která vzniká při nárůstu tlaku v místě, kde přímý proud vzduchu prochází lopatkami a odráží se od těchto prvků.

Podobná zařízení se obvykle instalují ve větrných parcích, kde se vyrábí energie pro průmyslové a komerční využití, ale jsou vhodná i pro domácí použití.

Zajímavým řešením horizontálního větrníku je model s jednou lopatkou, s jehož vlastnostmi se seznámíte v následujícím výběru fotografií:

Vertikální větrné turbíny.

Funkčním prvkem takovýchto zařízení je rotující větrné kolo. Kvůli konstrukčním zvláštnostem se tyto konstrukce liší podle typů („Sud“, „Savonius“).

S principem uspořádání turbíny vertikálního generátoru Savonius seznámí následující fotogalerie:

Navzdory nízkému koeficientu využití energie větru (0,1–0,2) nacházejí poměrně široké uplatnění: vertikální zařízení fungují na turbulentních prouděních vzduchu, díky čemuž je lze umístit i do oblastí, kde zřídka foukají silné větry.

Činnost vertikálních větrných generátorů nezávisí na směru větru. Jsou jednoduché na montáž a provoz, navíc lze tato zařízení umístit blízko země.

Pro zvýšení účinnosti vertikálních větrných generátorů výrobci často zvyšují jejich rozměrové parametry, což vede k výraznému nárůstu nákladů. Jelikož jsou tato zařízení poměrně křehká, vyžadují zvýšenou ochranu před hurikány a dalšími přírodními jevy.

Větrné generátory „Rotor Darrieux“

Taková zařízení patří do kategorie vertikálních větrných turbín, avšak mají výrazné konstrukční odlišnosti. Díky těmto vlastnostem se dosahuje snížení hluku a také roste koeficient využití větrné energie, který se blíží ukazatelům horizontálních modelů.

Nízkotlaká turbína s osou otáčení kolmou na proudění vzduchu, navržená v roce 1931 francouzským leteckým konstruktérem Georgesem Darrieuxem, našla široké uplatnění ve větrné energetice.

Nevýhodou takových konstrukcí je nízký rozběhový moment (kvůli pouhým dvěma listům je pro zařízení obtížné samostatně se rozběhnout). K řešení problému se často používá hybrid „Savonius+Darrieux“.

Plachetní větrné turbíny

Pro tato zařízení lze použít princip jak vertikálních, tak horizontálních větrných turbín. Hlavní konstrukční zvláštností je větrné kolo pokryté mnoha listy nebo plachtami, přičemž u těchto modelů chybí aerodynamický profil.

Existuje mnoho modelů plachetních větrných generátorů, které se liší počtem listů, hmotností a výkonem. Všechny tyto parametry je třeba zohlednit při výběru zařízení.

Navzdory tomu, že se plachetní elektrárny vyznačují pomaloběžností a malou účinností, jsou často používány v národním hospodářství. Tyto konstrukce jsou snadné na montáž a provoz a kombinace vysokého točivého momentu s nízkými otáčkami umožňuje přímo pohánět různé užitečné mechanismy, například čerpadlo na odčerpávání vody.

S jedním z prakticky realizovaných modelů plachetních větrných turbín se seznámíte v následující galerii:

Generator pro větrnou turbínu

Pro fungování větrných elektráren jsou nutné běžné třífázové generátory. Konstrukce těchto zařízení je podobná modelům používaným v automobilech, ale má větší parametry.

V přístrojích pro větrné turbíny je zajištěno třífázové vinutí statoru (zapojení typu „hvězda“), odkud vycházejí tři vodiče směřující do regulátoru, kde dochází k transformaci střídavého napětí na stejnosměrné.

Rotor generátoru pro větrnou turbínu se vyrábí z neodymových magnetů: v takových konstrukcích není vhodné používat elektrické buzení, protože cívka spotřebovává mnoho energie.

Pro zvýšení otáček se často používá multiplikátor. Toto zařízení umožňuje zvýšit výkon stávajícího generátoru nebo použít menší zařízení, což snižuje náklady na instalaci.

Multiplikátory se častěji používají u vertikálních větrných generátorů, u kterých proces otáčení větrného kola probíhá pomaleji. U horizontálních zařízení s vysokou rychlostí otáčení lopatek multiplikátory nejsou potřeba, což zjednodušuje a zlevňuje konstrukci.

Specifika montáže a instalace větrného generátoru z pračky a větrné turbíny z automobilového alternátoru jsou podrobně popsána v námi doporučovaných článcích.

Klady a zápory větrného generátoru

Podrobně si probereme výhody a nevýhody větrných turbín, protože právě na nich závisí rozhodnutí pořídit si větrnou turbínu nebo od ní upustit.

Výhody větrných zařízení

Mezi výhody zařízení využívajících větrnou energii patří:

• Ekologičnost. Zařízení využívají obnovitelný zdroj energie, který lze používat neustále, aniž by poškozovaly životní prostředí. Elektřina vyráběná větrnými generátory nahrazuje energii z tepelných elektráren, čímž snižuje emise skleníkových plynů.
• Univerzálnost. Větrné elektrárny lze postavit prakticky všude: na rovinách, v horách, na polích, na ostrovech a dokonce i v mělké vodě. Větrná energie je obzvláště ceněna v odlehlých místech, kam je obtížné natáhnout běžné elektrické rozvody. Větrné generátory v tomto případě umožňují zajistit energetické zásobování objektů a zajistit jeho nezávislost na náhodných faktorech (například na nedodaném palivu včas).
• Efektivita využití. Moderní modely zpracovávají energii i slabých větrů – minimální hranice je 3,5 m/s. Tímto způsobem lze vyrábět dodatečnou elektřinu pro centralizovanou síť a také organizovat zásobování elektřinou jednotlivých objektů (ostrovních nebo místních) bez ohledu na jejich výkon.
• Důstojná alternativa tradičním zdrojům. Stacionární větrné elektrárny mohou plně zásobovat elektřinou obytný dům nebo i menší výrobní objekt. V tomto případě bude turbína ukládat do baterií potřebnou zásobu elektřiny určenou k použití v období bezvětří.
• Hospodárnost. Ve srovnání s tradičními zdroji elektrické energie (plyn, rašelina, černé uhlí, ropa) umožňují větrné turbíny výrazně snížit náklady na energii. V mnoha případech je výstavba větrné elektrárny levnější než připojení k existujícím energetickým systémům.

Použití větrných turbín může být alternativou k použití drahých dieselových generátorů, což dále snižuje náklady na dopravu a skladování paliva až o 80 %.

Průměrný výkon větrné turbíny se několikanásobně liší od hodnoty špičkového zatížení. Větrný generátor zodpovídá pouze za množství vyrobené energie za určité časové období při průměrné měsíční rychlosti větru typické pro danou lokalitu.

Pro přesnější odhad větrných zdrojů lze použít speciálně odvozená data (Weibullovy parametry). Tyto ukazatele odrážejí rozložení větru různé síly typické pro danou lokalitu. Takové informace je důležité zohlednit při navrhování větrných farem, jejichž výkon činí desítky MW.

Výkon generovaný větrnou turbínou je úměrný trojnásobku rychlosti větru. Proto je tato hodnota při slabém větru velmi malá, ale při jeho zesílení – prudce vzrůstá. Kvůli proměnlivosti směru a rychlosti větru je třeba při konstrukci větrné turbíny počítat se stabilizačními součástmi.

Pravidla a vzorce pro výpočet výkonu větrného generátoru jsou uvedeny zde, doporučujeme se seznámit s velmi užitečnými informacemi.

V malých autonomních systémech tuto funkci plní baterie, jejichž nabíjení začíná narůstat, jakmile výkon větrného generátoru překročí hodnotu zatížení.

Při růstu zatížení se může baterie vybít. Tuto provozní vlastnost je důležité zohlednit při výběru domácího zařízení; jeho výkon by se měl shodovat s měsíční nebo roční normou spotřeby elektrické energie.

Je třeba poznamenat, že efektivnímu využívání větrných proudů napomáhá rozmanitost konstrukcí větrných generátorů.

Horizontální turbíny dosahují vysokých výkonů na rovinatých místech, kde je hodně větru, zatímco vertikální turbíny lépe pracují v oblastech s turbulentními proudy, které se vyskytují nízko nad zemí (na vrcholcích kopců, horských hřbetech).

Hlavní nevýhody větrných elektráren

Zároveň mají větrné turbíny i své negativní stránky:

• Velikost síly větru je obtížné předem předpovědět, protože se často mění. Z tohoto důvodu je vhodné promyslet záložní plán a zajistit duplicitní zdroj energie (solární panely, připojení k elektrické síti).
• Vertikální zařízení jsou vystavena nebezpečí zničení lopatek rotoru v důsledku působení odstředivých sil při otáčení lopatek kolem hlavní osy. Následkem tohoto efektu se důležité konstrukční prvky časem deformují a ničí, mechanismus selhává.
• Větrné turbíny je lepší instalovat na volném prostranství, protože blízké budovy mohou «hasit» vítr a vytvářet «mrtvou» vzduchovou zónu.
• Pro uchování přebytečné energie z větrných turbín je nutné v konstrukci počítat s použitím baterií a dalších přídavných zařízení, která slouží k přeměně získané elektřiny na proud s vhodnými spotřebitelskými charakteristikami.
• Při provozu větrné generátory vydávají hluk, který může způsobovat lidem nepohodlí a odhánět zvířata. Lopatky zařízení mohou také způsobit úhyn ptáků, kteří k nim přiletí.
• Podle názoru některých odborníků mohou větrné turbíny zhoršovat příjem rozhlasových a televizních vysílání.

Mezi negativní aspekty lze také zařadit poměrně vysokou cenu těchto agregátů, avšak levnost zdroje energie tento faktor do značné míry vyrovnává.

Schémata a způsoby připojení

Ačkoli může větrné zařízení pracovat i samostatně, mnohem lepšího výsledku lze dosáhnout pomocí kombinovaných schémat, která zahrnují spojení větrného zařízení se solárními panely, centralizovanou elektrickou sítí, dieselovými nebo plynovými zdroji energie.

Samostatný provoz. V tomto případě je umístěno jediné zařízení, pomocí kterého je zachycována a akumulována větrná energie, která je poté přeměněna na elektrický proud potřebný pro spotřebitele.

Na schématu je předveden nejjednodušší způsob použití větrného generátoru, který je vhodné používat v regionech, kde neustále foukají silné větry.

Kombinace větrného generátoru se solárními panely. Kombinovaná varianta je považována za spolehlivý a efektivní způsob zásobování elektřinou. V případě bezvětří baterie pracuje z solárních panelů, a za oblačného počasí a během noci dochází k nabíjení z větrného zařízení.

Ideální varianta pro soukromý dům nebo usedlost umístěnou daleko od centralizované elektrické sítě. Toto kombinované schéma umožňuje využívat dva druhy obnovitelné energie.

Kombinovaný provoz větrného generátoru a elektrické sítě. Větrnou turbínu lze kombinovat s elektrickými komunikacemi.

Toto schéma je typické pro průmyslová a komerční zařízení. Připojení k elektrickým komunikacím zajišťují také některé modely domácích větrných generátorů.

Při přebytku vyrobené elektřiny je odváděna do centralizované sítě, a při jejím nedostatku je možné využít elektrický proud z celkové energetické soustavy.

Nuance použití větrných generátorů

V současné době jsou větrné turbíny využívány v různých oblastech národního hospodářství. Průmyslové modely různých výkonů jsou používány ropnými a plynárenskými společnostmi, telekomunikačními firmami, vrtnými a geologicko-průzkumnými stanicemi, výrobními objekty a státními institucemi.

Větrník může být používán jako doplňkový zdroj energie v nemocnicích a jiných zařízeních, aby zajistil nepřetržité dodávky elektřiny v nouzových situacích.

Zvláště je třeba zdůraznit důležitost použití větrných zařízení pro operativní obnovení narušené elektřiny při kataklyzmatech a živelných pohromách. Za tímto účelem jsou větrné generátory často používány jednotkami MČS.

Domácí větrné turbíny jsou skvělé pro organizaci osvětlení a vytápění chatových osad a soukromých domů, stejně jako pro hospodářské účely na farmách.

Přitom je třeba vzít v úvahu některé aspekty:

• Zařízení do 1 kW mohou poskytnout dostatečné množství elektřiny pouze ve větrných oblastech. Obvykle vyrobená energie stačí pouze na LED osvětlení a napájení malých elektronických zařízení.
• Aby bylo možné plně zásobit elektřinou chatu (venkovský domek), bude potřeba větrný generátor o výkonu přes 1 kW. Tento výkon postačuje pro napájení osvětlovacích zařízení, stejně jako počítače a televizoru, jeho výkon však nestačí na napájení moderní chladničky pracující nepřetržitě.
• Pro zásobování chalupy energií bude potřeba větrník o výkonu 3-5 kW, avšak ani tento výkon nebude stačit na vytápění domů. Aby bylo možné tuto funkci využít, je potřeba výkonná varianta od 10 kW.

Při výběru modelu je třeba vzít v úvahu, že výkon uvedený na zařízení je dosažen pouze při maximální rychlosti větru. Takže zařízení o výkonu 300 W bude vyrábět uvedené množství energie pouze při rychlosti proudění vzduchu 10-12 m/s.

Těm, kteří si přejí postavit větrný generátor vlastníma rukama, nabízíme následující článek, ve kterém je podrobně uvedena užitečná informace.

Závěry a užitečné video k tématu

V níže uvedeném videu jsou podrobné informace o principu činnosti a konstrukci domácího modelu větrného generátoru:

Větrný generátor je vynikající zdroj výroby elektrické energie, který ocení zejména obyvatelé odlehlých míst. Různé ruské a zahraniční podniky nabízejí široký sortiment větrných konstrukcí, kromě toho lze domácí modely vyrobit i vlastníma rukama.

Pište prosím komentáře do níže uvedeného bloku. Povězte nám o tom, jak jste stavěli větrný generátor na svém pozemku, nebo o tom, jak funguje větrník u vašich sousedů. Pokládejte otázky, sdílejte užitečné informace a fotografie k tématu.