Тихоходный ветрогенератор — преимущества и недостатки

Это установка, использующая силу ветра для производства электрической энергии. Как правило, ветрогенераторы выполнены из колонны и лопастей.

Краткая характеристика

Тихоходным считается генератор, работающий от силы ветра, если лопасти вращаются вдоль горизонтальной оси. Достижению низкой скорости способствует высокое число крыльев. КПД моделей редко превышает 40%.

Тихоходные ветрогенераторы относятся к малошумному виду, их чаще всего устанавливают вблизи домов и офисов, лопасти вращаются медленно и не раздражают окружающих

Для стабильной работы требуется ветер средней величины. Грамотно собранное устройство способно осветить участок, затрачивающий до 2 кВт в час, если погодные условия благоволят нормальному вращению.

Устройство

В основе тихоходной машины лежит низковольтовый мотор на константных магнитах. Они обладают низким порогом вращения, с которого начинается производство тока.

Качественному устройству достаточно 300-500 оборотов в минуту. Поскольку конструкция тихоходна, необходим редуктор-мультипликатор. Требуемое соотношение — 1:12, но лучше 1:15. В таком случае 20 оборотов лопастей обернутся в 300, чего хватает для производства тока.

Моторы на константных магнитах

В некоторых устройствах мотор заменяют автогенератором, что увеличивает необходимую частоту вращения. Для этого устанавливается мультипликатор с большим соотношением. Его работа провоцирует постепенное ослабление работоспособности из-за износа.

Редукторы и мультипликаторы служат для понижения скорости вращения колеса ветрогенератора, и с помощью них можно менять положение плоскости вращения

Тихоходные ветряки используют в местах со слабым ветром(отмеченных на ветряной карте желто-зеленым), если потребность в токе не превышает 3 кВт в час.

Лопасти

Правильное устройство имеет переменный профиль, а размах его крыльев составляет не менее 2 метров. Производство трудоемко, требовательно к правильности расчетов и подвергается большому количеству испытаний перед использованием. Подобные лопасти способны развить необходимую скорость, добывая энергию.

По причине применения редукторов, мультипликаторов внешний вид и расположение лопастей может быть любым, поэтому инженеры пытаются подобрать оптимальные конструкции с максимальным КПД

Самостоятельным производством лопастей заниматься не следует. При желании опробовать, используйте толстостенную трубу из пластика. Диаметр должен быть достаточным для изготовления полноценной лопасти. Перед началом работ проведите расчеты, основываясь на желаемой мощности ветрогенератора. Хорошо выполненное устройство способно развить до 300-400 Ватт в час, чего будет достаточно для освещения нескольких комнат в частном доме.

Генератор

Выбор генератора зависит от возможной скорости вращения. Для тихоходных установок достаточно мотора на постоянных магнитах. В зависимости от скорости, используется мультипликатор. Он позволяет умножить каждый оборот на коэффициент, что сокращает время, затрачиваемое на начало производства.

Генератор для тихоходного ветрогенератора выбирается исходя из требуемого потребления объекта с учетом КПД и запаса мощности

Для долговечности ротора используют специальный промежуточный вал. В него встроен подшипник, стабилизирующий опору. Передача энергии от лопастей к ротору передается механическим путем. Качественная деталь позволяет валу незначительно изменять свое положение, что уменьшает износ. Хороший подшипник — двухрядный, желательно самоустанавливающийся. Трёхрядный лучше, но дороже.

Аварийный флюгер

Устройство позволяет спасти ветрогенератор в ураганную погоду. Сильный ветер растягивает пружину, заставляя ротор изменить положение. Постепенно он ложится вдоль потока воздуха, потеряв обороты. Подобное невозможно при ветре, направленном строго параллельно земле, что встречается довольно редко.

Аварийный флюгер необходим ветрогенераторам для предотвращения разрушения в случаях ураганного ветра

Поэтому для защиты устройства используют аварийный флюгер. С его помощью определяется необходимость отключения ротора от системы. Ураган способен полностью разрушить ветрогенератор. Поэтому и применяют флюгеры — с их помощью есть возможность сохранить основу, в худшем случае потеряв лопасти.

Тихоходные модели ветрогенераторов выдерживают большие порывы ветра, однако, у них есть пределы, и поэтому необходимо предусмотреть защиту лопастей

В промышленных ветрогенераторах используется электронная система контроля за погодными условиями. Шаг лопастей контролируется автоматически — это позволяет защитить устройство. К тому же, в подобных системах крылья сделаны из прочных композитных материалов.

Токосъемник

Устройство находится на вершине мачты и требует регулярной чистки. Для этого придется обзавестись длинной стремянкой.

Также существует вариант укладывать ветряк на землю, производить работы по очищению, а затем вновь поднимать. Это кропотливо и трудоемко, но необходимо.

Токосъемники для ветрогенератора

Промышленные устройства имеют большие габариты, поэтому лестница наверх располагается внутри мачты.

Размещение тихоходного ветрогенератора

В участок земли ставят небольшой фундамент, в котором закрепляют мачту. Рядом с башней, у подножия, располагают силовой шкаф. На вершине устанавливают поворотный механизм, на него гондолу. Внутри последней находятся анемометр, генератор, трансмиссия и тормоза. К гондоле прикрепляют колпак ротора, в который воткнуты лопасти. К каждому крылу подключают систему, автоматически регулирующую шаг.

Установка тихоходного ветрогенератора начинается с фундамента и установки мачты

Окончив установку генератора, монтируют системы защиты от молний и передачи информации о работе, а также обтекатель и механизм пожаротушения.

Тихоходный ветрогенератор — устройство, способное обеспечить электричеством загородный участок. Использование оправдано в местностях со слабым ветром.

особенности генераторов и их сборка своими руками

Уверенный рост ветроэнергетики

Ветроэнергетика активно развивается. Появляются новые, производительные и мощные установки, способные вырабатывать большее, чем раньше, количество энергии. Не менее плотно ведутся разработки новых моделей небольших ветряков, позволяющих обеспечить отдельные домовладения, усадьбы, небольшие фермы.

Такой уверенный рост ветроэнергетики демонстрирует в зарубежных странах — в Китае, США, странах Европы. Россия в этом отношении значительно отстает от соседних государств. Рассмотрим причины такого отставания и варианты их преодоления.

Метеорологическая обстановка в регионах России

Большинство регионов России имеют географическое расположение в глубине континента. Особенности положения на местности определяют метеорологическую обстановку, которая свидетельствует о преобладании слабых и умеренных ветров. Такая ситуация не в состоянии способствовать развитию ветроэнергетики, во всяком случае — в промышленных масштабах.

По этой же причине, а также из-за обилия других, более привлекательных возможностей, в свое время было отдано предпочтение гидроэнергетике, ставшей традиционным видом выработки энергии для России.

Актуальность использования ветрогенераторов для нашей страны невелика и концентрируется, в основном, в южных и степных регионах, в отдаленных участках страны. В промышленных масштабах вырабатывать энергию таким способом малоэффективно, так как мощность ВЭС не может пока соперничать с самой небольшой ГЭС. Кроме того, ветер, хоть и бесплатный, неиссякаемый источник энергии, но слишком нестабильный и способный попросту исчезать на некоторое время.

Для энергетики государственных масштабов такая ситуация не годится, поэтому развитие ветроэнергетики в России пойдет по другому сценарию.

Наиболее актуальной проблемой для страны является общая изношенность электросетей и отсутствие возможности подключения, наблюдающаяся не только в отдаленных, но и во многих центральных регионах России.

Поэтому главным направлением, которое проявилось стихийным образом и уверенно растет, становится использование ветрогенераторов для обеспечения энергией небольших участков или групп потребителей — отдельных домов, небольших фермерских хозяйств, групп потребителей в масштабах нескольких домовладений.

Основная проблема, возникшая при этом — неплатежеспособность населения, ограничивающая приобретение готовых установок заводского производства. Равновесие достигается за счет широко распространившегося самостоятельного изготовления ветрогенераторов, способных выполнять свои функции на достаточно высоком уровне, но обходящихся своим владельцам в неизмеримо меньшие суммы.

Как использовать энергию слабых ветров?

Использование слабых потоков ветра может вестись по двум направлениям:

• применение конструктивно отличающихся от распространенных образцов устройств
• использование более производительных генераторов, способных вырабатывать достаточное количество энергии на низких скоростях вращения

Практика показывает, что вести поиск следует по обоим направлениям. Разработка новых вариантов крыльчатки, способной уверенно вращаться на слабых потоках, ведется постоянно, и уже имеется немало опытных образцов, демонстрирующих вполне удачные результаты.

Не менее активно ведутся разработки производительных генераторов, дающих возможность использовать слабые ветра как источник энергии. Так, аксиальные генераторы на неодимовых магнитах дают большой эффект и позволяют получать неплохое количество энергии. Некоторые мастера отмечают возникающую необходимость ограничивать возможность ускорения вращения ротора, т.е. нужна стабильность движения.

Варианты ротора, способные к эффективной работе на слабых ветрах, известны уже не первое десятилетие. В настоящее время могут быть использованы конструкции Третьякова, Онипко, высокой эффективностью отличаются парусные ветротурбины. Комплексный подход к модернизации конструкции ветрогенераторов, когда одновременно подвергаются модификации и крыльчатка, и генератор, дает положительный результат.

Ситуацию в некоторой степени осложняет неофициальный характер производимых работ. Если изобретатель захочет поделиться с общественностью своими находками, то все о них узнают, но если он не сочтет нужным обнародовать свои изыскания, то информация станет закрытой от обсуждения и осмысливания.

Что представляет собой тихоходный ветряк?

Большинство вариантов тихоходных ветряков представляют собой модифицированные образцы базовых типов крыльчатки. Используются горизонтальные виды, имеющие большую эффективность, но нуждающиеся в подъеме на достаточно большую высоту.

Для тех, кто не имеет возможности пользоваться высокими мачтами, оптимальным вариантом становится использование вертикальных конструкций ротора. Они не способны к вращению на высоких скоростях, что как раз и требуется в сложившейся ситуации. При этом, возможности, демонстрируемые вертикальными конструкциями, подтверждают реальность вращения при скорости ветра от 2 или даже 1,4 м/с.

Роторные вертикальные образцы не требовательны к выбору положения относительно потока, поэтому могут эффективно использоваться на относительно небольшом удалении от поверхности земли. Возникающая турбулентность, снижающая работоспособность горизонтальных устройств, для вертикальных конструкций не страшна и воспринимается ими как обычные потока ветра. Простота и надежность вертикальных конструкций снискали заслуженную популярность среди самодеятельных конструкторов.

Особенности генераторов для тихоходных устройств

Генераторы, используемые для тихоходных образцов ветряка, представляют собой либо готовые устройства с увеличенной чувствительностью и производительностью, либо самостоятельно созданные аксиальные конструкции на мощных неодимовых магнитах. Широко используются модификации магнето, способных вырабатывать большие напряжения при малых воздействиях.

Для эффективной работы нужен достаточно большой диаметр аксиального генератора. Он может обеспечить высокую линейную скорость неодимовых магнитов при малом количестве оборотов. Возможности экспериментирования с размерами практически неограничены, но следует учитывать, что при возрастании скорости ветра такой генератор выдаст напряжение, намного превышающее возможности сопутствующего оборудования. В частности, аккумуляторные батареи не переносят резких скачков напряжения при зарядке и могут выкипеть.

Сборка своими руками

Аксиальные конструкции, созданные самостоятельно, представляют собой два диска, являющихся ротором (вращающимся вокруг оси) и статором (установленным неподвижно). Неодимовые магниты наклеиваются по внешнему диаметру круга с чередованием полярности, общее число магнитов должно быть четным, чтобы не сбивался порядок чередования полюсов.

На статоре наклеены обмотки, число которых должно быть кратно 3 (для трехфазных установок). Зазор между дисками должен обеспечивать максимальное взаимодействие магнитного поля с витками обмоток, что регулируется упорным подшипником с набором шайб, уложенных между дисками.

Для защиты устройства от пыли, влаги или иных воздействий, магниты и обмотки заливаются сплошным слоем эпоксидной смолы, превращаясь в два плоских диска. Такая форма облегчает возможности регулировки зазора и исключает возможность прикосновения элементов друг к другу. Облегчается устранение залипаний, настройка величины сопротивления катушек при прохождении над ними магнитов.

Рекомендуемые товары

как сделать своими руками тихоходное устройство, его преимущества и недостатки

Генератор для ветряка из автогенератора

Генератор является таким же основным элементом ветряка, как и крыльчатка. Если лопасти рабочего колеса преобразуют энергию ветра во вращательное движение, то генератор вращение превращает в электроэнергию. Его конструкция и возможности определяют производительность и мощность установки, способность работы на слабых потоках ветра.

При изготовлении ветряков вопрос об использовании самодельного или готового генератора встает практически всегда. Чаще всего к решению подходят комбинированным способом — используют готовый автомобильный генератор, иногда без конструктивных изменений, но чаще всего — с некоторыми доработками, повышающими чувствительность или выходную мощность.

Автомобильные генераторы представляют собой готовые устройства, созданные для выработки электрического тока заданного напряжения. Оно постоянно на выходе, что обеспечивает стабилизатор (регулятор) напряжения, удерживающий значения в узких рамках. Единственная особенность, требующая вмешательства, это режим работы — автомобильные генераторы приводятся от двигателя и работают на больших скоростях.

Причем, скорость вращения двигателя автомобиля не постоянна, она меняется на протяжении всего времени работы в значительных пределах — от 800 об/мин до 6000 об/мин, а иногда и больше. Кроме того, автомобильный генератор имеет предел по силе тока, превысить который устройство не сможет ни при каких обстоятельствах.

КПД автогенераторов не превышает 60%, что объясняется наличием потерь в конструкционных узлах, расходом энергии на токи Фуко. Чем выше общая мощность устройства, тем выше его КПД. Производится переменный ток, который преобразуется в постоянный при помощи диодного выпрямителя.

Преимущества и недостатки

Использование автомобильного генератора как элемента ветроэлектростанции дает существенные преимущества:

• Имеется готовый генератор, который может использоваться без вмешательства в конструкцию или с некоторой модернизацией.
• Автомобильный генератор выдает стабильное напряжение, что важно для ветряков с их постоянно меняющейся скоростью вращения.
• Используется стандартное оборудование, доступное и не нуждающееся во вмешательстве в конструкцию.
• Автомобильные генераторы широко распространены, что делает их ремонтопригодными и доступными для замены при необходимости.

Наряду с достоинствами имеются и некоторые недостатки:

• Автомобильный генератор нуждается в высокой скорости вращения, что требует использования повышающего редуктора или изменений в конструкции устройства.
• Ресурс автомобильного генератора ограничен примерно 4000 часами работы (в среднем). Даже новый генератор не выдержит и года непрерывной работы и потребует ремонта.
• Система возбуждения некоторых генераторов требует подачи напряжения на катушку, что вынуждает изменять конструкцию и устанавливать постоянные магниты.

Несмотря на имеющиеся недостатки, автомобильный генератор считается оптимальным вариантом, возможным при самостоятельном создании ветроэлектростанции.

Как сделать своими руками?

Изготовление ветрогенератора складывается из двух основных этапов:

• Создание вращающегося ротора с лопастями.
• Изготовление или модернизация генератора, приводимого во вращение крыльчаткой.

Изготовление крыльчатки требует отдельного подробного описания, так как существует масса вариантов конструкции, выбор наиболее подходящего из них требует определенных познаний и опыта.

Изготовление генератора своими руками требует четкого знания принципа работы устройства, обладания навыками, материалами и необходимыми инструментами. Для ускорения процесса и получения более качественного результата надо использовать готовое устройство, нуждающееся в небольших вмешательствах в конструкцию. Это поможет сэкономить время, усилия и получить устройство с заранее известными параметрами.

Обычным изменением, которое приходится вносить в конструкцию генератора, является установка постоянных неодимовых магнитов вместо обмотки возбуждения. Этот вариант создает возможность самовозбуждения и повышает производительность генератора, но нередко создает эффект залипания, затрудняющий старт вращения ротора.

Также часто изменяют число витков обмотки, индуцирующей ток. Таким образом повышается чувствительность устройства, создается возможность генерации тока на низких скоростях вращения. Примечательно, что все переделки производятся достаточно просто и не требуют глубокого вмешательства в конструкцию. Меняется количество витков и толщина провода обмотки.

Тихоходный генератор

Наиболее предпочтительна конструкция генератора, способного производить ток при малых оборотах. Скорость ветра в регионах России в большинстве средняя и низкая, создать номинальную скорость вращения для автомобильного генератора чрезвычайно сложно. Потребуется установка повышающего редуктора, который будет существенно уменьшать чувствительность.

Вариантов решения вопроса может быть несколько:

• Модернизация автомобильного генератора.
• Использование магнето в качестве основы для создания генератора.
• Создание быстроходного ротора, способного обеспечить необходимый режим работы генератора.

Первый вариант используется чаще всех в силу своей простоты и доступности, хотя изменения, вносимые в конструкцию, требуют использования производственного оборудования (токарный станок), приобретения супермагнитов (неодимовых) и изменения числа витков обмотки статора.

Применение магнето вызывает немало споров, хотя причиной для них становится неподготовленность. Конструкция магнето позволяет создать производительный и относительно тихоходный генератор, требуется лишь изменить параметры трансформатора на соответствующие режиму вращения имеющегося ветряка.

Изготовление быстроходных крыльчаток возможно при наличии естественных условий — наличие достаточно сильных и ровных ветров в регионе. Такое имеется не везде, в большинстве районов ветра слабые и имеют эпизодический характер.

Ветрогенератор из тракторного генератора Г-700

Тракторный генератор Г-700 имеет следующие номинальные параметры:

• Напряжение — 14 В.
• Сила тока — до 50 А.
• Скорость вращения — 5000 об/мин (номинальная), 6000 об/мин (максимальная).

Ротор ветряка не сможет обеспечить такую частоту вращения, поэтому потребуется перемотать обмотку статора для того, чтобы обеспечить нужную производительность при низкой скорости вращения. Для этого надо использовать более тонкий провод, чтобы увеличить число витков в катушках. Обычно используется провод толщиной 0,8 мм, число витков делается максимальным, сколько сможет вместить корпус статора. Обычно делается не менее 80 витков.

Катушка возбуждения также подлежит доработке. Обмотка перематывается таким же проводом, добавляется до 250 витков. В результате получается устройство практически с исходными параметрами, но способное работать на низких скоростях вращения.

После доработки генератор устанавливается на ротор ветряка, испытывается на производительность и чувствительность в рабочем режиме. При необходимости параметры обмоток могут быть изменены, оптимальный режим находится опытным путем на основании эксплуатационных показателей.

Ветряк из автогенератора от бычка

Неплохие результаты показывает автомобильный генератор от грузовика «Бычок». Понадобится перемотать обмотку статора проводом 0,6 мм (получено опытным путем), для трехфазной обмотки понадобится около 90 витков на каждую катушку, всего 18 шт.

Ротор генератора подлежит некоторой доработке — на токарном станке стачивается толщина (диаметр) для того, чтобы получить пространство под неодимовые магниты. Исследования показывают, что наилучший результат достигается при большом числе магнитов.

При этом, необходимо избегать сильного залипания, что можно регулировать увеличением расстояния от магнитов до сердечников статора. Имеется возможность добиться минимального залипания при максимальном выходном напряжении, что потребует некоторых затрат времени, по поможет получить оптимальных результатов.

Подготовленный генератор устанавливается на ветряк, присоединяется к крыльчатке и тестируется на практике.

Инструкция по сбору и установке

После перемотки или установки неодимовых магнитов генератор собирается обычным образом. Гайки на соединительных элементах надежно затягивают, исключая возможность расшатывания собранной конструкции. Провода качественно изолируют, по возможности помещают в гофрированную трубу. Снаружи корпус генератора неплохо защитить корпусом, в качестве которого можно использовать отрезок полипропиленовой трубы с заглушками, в которых проделаны соответствующие отверстия.

Монтаж устройства к ветряку производится согласно выбранной конструкции. Поскольку оптимальным способом является непосредственная установка крыльчатки на вал генератора, следует заранее предусмотреть способ крепления и изоляции от атмосферной влаги. В идеале вращающиеся части должны быть надежно закрыты от доступа внешнего воздуха, что предотвратит появление коррозии, обледенение, появление пылевых наносов.

Оптимальным способом монтажа принято считать фиксацию на опорной штанге при помощи хомутов. Такой вариант не нуждается в использовании крепежных болтов, опасных из-за возможности появления ржавчины и сложностей при ремонте. Проблемы, возникшие с хомутами, решить намного проще – их всегда можно срезать и заменить новыми.

Иногда приходится использовать соединительную муфту. Она устанавливается как переходный элемент с вала ротора ветряка на вал генератора, установленных соосно. Требуется точное соблюдение размеров и прочность крепления муфты, иначе передача вращения прекратится или будет происходить с большими потерями.

Рекомендуемые товары

сборка статора, крыльчатки и выбор количества фаз генератора

Самодельный ветряк

Приобретение ветрогенератора — дорогостоящая и не всегда полностью эффективная затея. Образцы ветряков, имеющиеся в продаже, имеют ограниченный срок службы, низкую ремонтопригодность и высокую цену. Покупка такого комплекта не по карману многим потенциальным пользователям. Выходом из положения становится самостоятельное изготовление ветрогенератора, обходящееся гораздо дешевле и позволяющее получить устройство с высокой эффективностью и производительностью.

Самодельный ветряк имеет высокую ремонтопригодность и, как следствие, длительный срок службы. Зачастую конструкцию по ходу эксплуатации модернизируют, улучшают и доводят до максимально возможных параметров, чего нельзя сделать с заводскими комплектами.

Тихоходные ветрогенераторы

Наиболее привлекательными конструкциями ветряков для большинства регионов России являются образцы, дающие высокие показатели на слабых и средних ветрах — тихоходные ветряки. Для них характерна возможность начинать вращение при низких скоростях потока, выдавая достаточное напряжение для питания приборов потребления.

Выработка энергии на таких устройствах производится генераторами, адаптированными к работе с ветряками. Специфика конструкции таких генераторов состоит в высокой чувствительности, поскольку устройство изначально рассчитывается на работу с низкими скоростями вращения.

Для того, чтобы обеспечить заданный режим работы, необходимо обмотку возбуждения исключить из конструкции, заменив ее постоянными магнитами. В результате отпадет необходимость подачи напряжения для образования электромагнитов, индукция станет более стабильной, независимой от источника питания на обмотке ротора. Кроме того, отпадет надобность в щеточном узле, подающем питание на обмотку возбуждения.

Изготовление ротора на постоянных магнитах

Конструкция генератора на постоянных магнитах в каком-то смысле проще, чем с электромагнитным возбуждением. Создание такого устройства может выполняться как на базе готового генератора, так и при помощи подручных материалов.

Модификация автомобильного генератора

Создание ротора на постоянных магнитах требует достаточно серьезного вмешательства в конструкцию. Необходимо уменьшить диаметр на толщину магнитов плюс толщину стальной гильзы, которая одевается на ротор для образования сплошного магнитного потока и одновременно служит посадочной площадкой под магниты. Некоторые специалисты обходятся без гильзы, устанавливая магниты прямо на ротор с уменьшенным диаметром и фиксируя на эпоксидку.

Процесс изготовления требует участия производственного оборудования. В токарный станок зажимается ротор и аккуратно снимается слой с таким расчетом, чтобы установленные магниты вращались с минимальным зазором, но вполне свободно. Установка магнитов производится на пластины ротора с чередованием полюсности.

Наибольшего эффекта удается добиться при установке относительно небольших по размерам магнитов, расположенных рядами в продольном направлении. Достигается ровный и мощный магнитный поток, воздействующий на силовые обмотки статора с равномерной плотностью во всех точках.

Изготовление ротора из ступицы и тормозного диска

Рассмотренный способ относится к готовым генераторам, нуждающимся в небольших изменениях конструкции. К таким устройствам относятся автомобильные генераторы, часто применяющиеся самодеятельными конструкторами в качестве базового устройства. Зачастую генераторы собирают полностью самостоятельно, не имея готового устройства.

В таких случаях действуют несколько иначе. За основу берется автомобильная ступица с тормозным диском. Она качественно отбалансирована, прочна и приспособлена к нагрузкам определенного рода. Кроме того, размер ступицы позволяет разместить по окружности большое число магнитов, позволяя получить трехфазное напряжение.

Магниты с чередованием полюсности размещают на равноудаленном от центра расстоянии. Очевидно, что наибольшее число можно установить, если приклеивать их как можно ближе к наружному краю. Наиболее точным показателем станет размер магнитов, который определит возможность размещения на определенном расстоянии. Число магнитов должно быть четным, чтобы не сбивался ритм чередования полюсов при вращении.

Наклейка магнитов на ступицу производится при помощи любого клея, оптимальным вариантом считается эпоксидная смола, которой заливают магниты полностью. Это защищает их от воздействия влаги или от механических воздействий. Перед заливкой по краю ступицы рекомендуется сделать бортик из пластилина, не позволяющий эпоксидке стекать со ступицы вниз.

Конструкция генератора на автомобильной ступице наиболее удобна при изготовлении вертикального ветряка. Примечательно, что подобную схему можно использовать и без ступицы, на диске, вырезанном из обычной фанеры. Такая конструкция намного легче, позволяет выбирать удобный размер, что делает возможным создание чувствительного и производительного устройства.

Ветряк с аксиальным генератором на неодимовых магнитах

Наиболее сильными магнитами, обладающими оптимальными параметрами для использования в конструкции генератора, являются неодимовые магниты. Они несколько дороже обычных, но превосходят их многократно и дают возможность создать мощное устройство при относительно компактном размере.

Принципиального отличия в конструкции не имеется. Неодимовые магниты изготавливаются в различных формфакторах, позволяющих выбрать наиболее удобный для себя вариант — тонкие продолговатые брусочки, форма таблетки, цилиндры и т.д. если используется металлический ротор, то приклеивать магниты необязательно, они сами по себе с усилием прикрепляются к основанию. Остается лишь залить их эпоксидкой для защиты от коррозии.

Приобрести такие магниты проще всего через Интернет, заодно можно сразу же выбрать самую удобную форму.

Изготовление статора

Статор — это неподвижная часть генератора, несущая силовую обмотку, индуцирующую электрический ток. В зависимости от типа конструкции, статор может быть использован от готового устройства (например, от автомобильного генератора), или изготовлен с нуля самостоятельно. Техника изготовления в каждом случае своя, но принцип остается общий — по окружности, охватывающей вращающийся ротор, располагаются катушки, вырабатывающие переменный ток.

При модификации автомобильного генератора иногда силовые обмотки не трогают, предпочитая изменить конструкцию ротора и на этом остановиться. Чаще всего причиной тому является слабая техническая или теоретическая подготовка, когда мастер имеет весьма смутное представление, как именно подобные вещи делаются. Рассмотрим вопрос внимательнее:

Выбор количества фаз

Многие мастера пытаются облегчить себе задачу, делая генератор на одну фазу. В данном случае простота весьма сомнительная, так как экономия усилий получается только на стадии намотки катушек. Зато при эксплуатации получается неприятный эффект — амплитуда напряжения имеет классический вид, отчего выпрямленный ток имеет пульсирующую структуру.

Скачки противопоказаны аккумуляторам, создают отрицательное воздействие на все узлы комплекса и способствуют быстрому выходу из строя. Появляется вибрация, которая может стать причиной жалоб соседей, источником неприятных ощущений для людей или животных.

Трехфазная конструкция, напротив, имеет более мягкую огибающую, в выпрямленном состоянии ток практически не имеет каких-либо отклонений. Мощность устройства имеет стабильное значение, сохраняется в рабочем состоянии механическая и электрическая часть агрегата.

Выбор между трех- и однофазным устройством однозначно следует делать в сторону трехфазной конструкции. Количество намотанных катушек возрастает, но число витков не настолько велико, чтобы отказываться от более качественного результата из-за призрачной экономии времени.

Модификация статора автогенератора

Автомобильный генератор имеет готовые силовые катушки, плотно уложенные в каналах статора. Для получения качественного результата требуется изменить чувствительность статора, поскольку номинальная частота вращения автомобильного двигателя находится в пределах 2000-3000 об/мин, а на пике может подниматься до 5000-6000 об/мин. Таких параметров ветряк выдать не в состоянии, а использование повышающей передачи значительно снизит мощность крыльчатки.

Решением вопроса становится увеличение количества витков, для чего старые обмотки демонтируются, а на их место наматываются новые, с большим числом витков из более тонкого провода. При этом, нельзя использовать слишком тонкий провод, так как с возрастанием числа витков растет и сопротивление, делающее генератор менее производительным. Необходимо соблюдать «золотую середину», увеличивая количество аккуратно, без излишнего рвения.

Важно! Подобная операция требует расчета, но на практике чаще всего поступают проще — наматывают столько витков, сколько способна вместить конструкция статора. Результат обычно достигается положительный, поскольку слишком большое число витков вместить не получится.

Изготовление статора аксиального типа

Такая конструкция подойдет для генератора аксиального типа, ротор которого создан из ступицы и тормозного диска от автомобильного колеса. Статор имеет форму плоского диска, по окружности которого расположены силовые обмотки. Они должны быть намотаны из достаточно толстого провода, чтобы число витков было достаточным, но и сопротивление не снижало эффективность конструкции. Количество катушек кратно трем, чтобы на каждую фазу приходилось одинаковое количество.

Соединяются они между собой звездой, для каждой фазы соединяются 1, 4, 7, 10 и т.д. При намотке однофазного статора каждая катушка мотается в противоположном направлении — первая по часовой стрелке, вторая — против, затем опять по часовой и т.д. соединяются они последовательно.

Готовый статор устанавливается соосно с ротором. Зазор между катушками и неодимовыми магнитами должен быть минимальным, но ход ротора свободный, без соприкосновения с катушками.

Для защиты от влаги, пыли или прочих воздействий катушки обычно заливают эпоксидной смолой. Для этого предварительно делается по внешнему краю диска статора бортик из пластилина высотой, немного превышающей слой заливки.

Сборка крыльчатки

Крыльчатка должна обеспечивать максимальную чувствительность. Перед тем, как начать создание ветряка, следует подробно изучить метеорологическую обстановку в регионе, направление и скорость преобладающих ветров, частоту и силу шквалистых порывов, возможность ураганов. Эта информация поможет выбрать наиболее подходящую конструкцию ветряка (вертикальный или горизонтальный, размер, количество лопастей и т.п.).

Создание крыльчатки производится из подручного материала на основании параметров генератора. Размер лопастей должен обеспечивать начало вращения при невысоких скоростях потока, но не создавать чрезмерно большой преграды. Это снизит риск падения мачты при сильном порыве или шквале.

Регионы с нестабильными и часто меняющимися ветрами (каких большинство в России) больше подходят для эксплуатации вертикальных конструкций.  Горизонтальные ветряки считаются более эффективными, но нуждаются в установке на высокие мачты, что создает проблемы при обслуживании.

Рабочее колесо ветрогенератора должно быть качественно отбалансировано и прочно соединено. Установка комплекта на крышу дома запрещается, особенно, если в нем проживает несколько семей. Рекомендуется выбирать открытое место на возвышении неподалеку от дома, чтобы длина кабеля не создавала большого сопротивления. Поблизости не должно быть преград, высоких деревьев или зданий, заслоняющих прямой поток ветра.

Рекомендуемые товары

Ветрогенератор на неодимовых магнитах своими руками

Аксиальный ветрогенератор, который работает на неодимовых магнитах, впервые начали массово изготавливать в странах Запада. И это были вовсе не заводские изделия, а плод труда местных гаражных мастеров, поставивших себе на службу явление левитации.

Серьезной популярности именно такие модели ветряка обязаны массовому распространению и дешевизне неодимовых магнитов. Постепенно комплектующие и схемы изготовления стали распространятся по всему миру и в настоящее время магнитный аксиальный ветрогенератор завоевывает признание на просторах Российской Федерации. Ниже описана последовательность создания одной из самых удачных моделей такого ветряка.

к содержанию ↑

Процесс создания ротора

Основой генератора автор разработки решил сделать ступицу автомобиля с дисками тормоза, поскольку она мощная, надежная и идеально сбалансированная. Начав делать ветряк своими руками, в первую очередь следует подготовить основу для ротора — ступицу, — почистить ее от грязи, краски и смазки. После чего приступить к наклейке постоянных магнитов. Для создания данного ветрогенератора, их было использовано по двадцать штук на диске. Размер неодимовых магнитов составил 25х8 миллиметров. Однако, и их количество, и их размер могут варьировать в зависимости от целей и задач человека, своими собственными руками создающего ветрогенератор. Однако всегда будет правильным, для получения одной фазы, равенство количества полюсов числу неодимовых магнитов, а для трех фаз — выдержка соотношений полюсов и катушек — два к трем или три к четырем.

Магниты следует располагать учитывая чередование полюсов, к тому же максимально точно, но прежде, чем приступить к их наклейке, нужно либо создать бумажный шаблон, либо прочертить линии, делящие диск на сектора. Чтобы не перепутать полюса, делаем отметки на магнитах. Главное — выполняем следующее требование — те магниты, которые стоят напротив друг друга, должны быть повернуты разными полюсами, то есть притягиваться.

Магниты приклеиваются к дискам при помощи супер-клея и заливаются. Также нужно сделать бордюрчики по краям дисков и в их центре, либо намотав скотча, либо вылепив из пластилина для недопущения растекания.

к содержанию ↑

Фазы — что лучше — три или одна?

Многие любители электрической техники идут по пути наименьшего сопротивления и, чтобы не заморачиваться, останавливают свой выбор на однофазном статоре для ветряка. Однако у него имеется одна неприятная особенность, нивелирующая простоту сборки, — это вибрация в нагруженном состоянии, по причине непостоянства отдачи тока. Ведь амплитуда такого статора скачкообразна, — достигая максимума, когда неодимовые магниты располагаются над катушками, а после падая до минимума.

А вот, когда генератор сделан по трехфазной системе, то вибрации отсутствуют, и показатель мощности ветряка имеет постоянное значение.

Причина такого отличия заключается в том, что ток, падая в одной фазе, в то же время нарастает в другой. И в итоге, ветрогенератор, работающий в трехфазной системе, может быть более эффективным до 50 %, чем точно такой же, но использующий однофазную систему. И главное, — нагруженный трехфазный генератор не дает вибрации, следовательно, мачта не дает повода для жалоб на ветрогенератор в надзирающие органы недоброжелателям из числа соседей, поскольку не создает надоедливого гула.

к содержанию ↑

Способ намотки катушки статора ветряка

Для того, чтобы сделанный своими руками ветрогенератор на неодимовых магнитах работал с максимальной отдачей, статорные катушки следует рассчитывать. Однако большинство мастеров предпочитают делать их на глаз. К примеру, тихоходный генератор, способный заряжать 12 В аккумулятор, начиная со 100 — 150 оборотов за минуту, должен иметь во всех катушках от 1000 до 1200 витков, поровну разделенное между всеми катушками. Увеличение количества полюсов ведет к росту частоты тока в катушках, благодаря чему генератор, даже при малых оборотах, дает большую мощность.

Намотка катушек должна производиться по возможности более толстыми проводами, с целью снижения сопротивления в них. Делать это можно на оправке, либо на самодельном станке.

Для того чтобы разобраться, какой потенциал мощности имеет генератор, покрутите его с одной катушкой, поскольку, в зависимости от того, в каком количестве будут установлены неодимовые магниты и какова их толщина, данный показатель может существенно отличаться. Измерение проводятся без нагрузки при необходимом числе оборотов. Например, если генератор при 200 оборотах за минуту обеспечивает напряжение в 30 В, имея сопротивление в 3 Ом, то следует из 30 В вычесть 12 В (напряжение питания аккумулятора) и полученный результат — 18 делим на 3 (сопротивление в омах) получаем 6 (сила тока в амперах), которые и пойдут от ветрогенератора на зарядку АКБ. Однако, как показывает практика, по причине потерь в проводах и диодном мосту, реальный показатель, который будет производить магнитный аксиальный генератор, будет поменьше.

Магниты для создания ветрогенератора лучше брать в форме прямоугольника, поскольку их поле распространяется по длине, в отличие от круглых, поле которых сосредотачивается в центре. Катушки, как правило, мотают круглыми, хотя лучше делать их несколько вытянутыми, что обеспечивает больший объем меди в секторе, а также более прямые витки. Отверстие внутри катушек должно быть равно или превышать ширину магнитов.

Толщина статора должна быть такой же что и магниты. Форма для него обычно фанерная, для прочности под катушки и поверх них кладут стеклоткань, и все это заливается эпоксидной смолой. Для того, что бы не допустить прилипания смолы к форме, последнюю смазывают любым жиром либо применяют скотч. Провода предварительно выводят наружу и скрепляют между собой, концы каждой фазы после этого соединяют треугольником либо звездочкой.

к содержанию ↑

Мачта для ветрогенератора

Мачту на которой будет расположен данный генератор, можно делать высотой от 6 и выше метров, чем выше, тем больше скорость ветра. Под нее следует вырыть яму и залить основание из бетона, а трубу укрепить таким образом, чтобы магнитный аксиальный ветрогенератор, сделанный своими руками, можно было опускать и поднимать. Делать это можно при помощи механической тали.

к содержанию ↑

Винт ветряка

Его делают из поливинилхлоридных труб, чей оптимальный для этого диаметр — 160 мм. К примеру, ветрогенератор, работающий на принципе магнитной левитации, с диаметром в два метра и шестью лопастями, при скорости ветра в 8 метров за секунду, способен обеспечить мощность до 300 Вт.

к содержанию ↑

Как повысить мощность ветряка?

Для подъема мощности ветрогенератора можно использовать магниты. Попросту на магниты, которые уже установлены наклеить еще по одному такому же или более тонкому. Другой способ основан на установке в катушки металлических сердечников, — пластин трансформатора. Это обеспечит усиление магнитопотока в катушке, однако вызывает небольшое залипание, которое, впрочем, совершенно не ощущается шестилопастным винтом. Стартует такой ветрогенератор при ветре в 2 м/с. Благодаря применению сердечников генератор получил увеличение мощности с 300 до 500 Вт/ч при ветре в 8 м/с. Также следует уделять внимание форме лопастей, — малейшие неточности снижают мощность.

Генератор для ветрогенератора, часть 1, расчёты

Начиная делать новый ветрогенератор я решил подробно описать весь процесс создания ветрогенератора. Это первая начальная статья, (далее будут описаны следующие этапы), описывающая расчёт генератора. На этот раз я делаю ветрогенератор с дисковым аксиальным генератором, но принцип расчёта одинаков для всех типов генераторов. Ранее я уже неоднократно описывал процесс расчёта на разных примерах, но сейчас я попробую снова всё описать, тем-более что я рассчитываю генератор для себя.

Расчёт мощности генератора строится по закону Ома, характеристики генератора зависят от выходного напряжения, и сопротивления фаз генератора. Задача спроектировать генератор так, чтобы он работая в паре с ветроколесом (винтом), был максимально эффективен. Я хочу получить максимально возможное на ветре 4-7м/с, но чтобы зарядка АКБ начиналась как можно раньше, желательно с 2м/с.

Расчёт дискового аксиального генератора должен начинаться с чертежей, чтобы понять какой диаметр дисков нужен, какие размеры катушек, и какого диаметра заливать смолой статор генератора. Без рисования ничего не получится, а рисовать можно хоть на бумаге (вспомнив уроки геометрии), или на компьютере. Но потом всё равно придётся рисовать на фанере, чтобы точно разместить катушки перед заливкой статора.

Все размеры генератора строятся исходя из размеров магнитов. Я купил 16 магнитов размером 50×30×10 мм, магниты дорогие, поэтому денег хватило только на 16 штук. Вкратце скажу что прямоугольные магниты лучше чем круглые, и чем крупнее магниты, тем потом легче делать катушки, так-как и катушки тогда тоже будут по размерам крупнее. Генератор трёхфазный, по этому если магнитов 16шт, то будет по 8 шт на дисках, а катушек 12шт,

Расчёт диаметра дисков генератора

Оптимальное расположение магнитов по кругу должно быть с расстоянием между магнитами равным половине ширины магнитов. У меня магниты 50×30×10 мм. Ширина магнитов 30 мм, прибавляем половину ширины (30+15=45 мм), и умножаем на 8 магнитов, и делим на π(3.14). Внутренний диаметр по магнитам (30+15*8:π= 114.5 мм) равен 114мм. Чтобы узнать внешний диаметр нужно прибавить высоту магнитов, у меня высота магнитов 50 мм. Значит (114+50+50=214 мм). Теперь я знаю диаметр дисков, я сделаю диски диаметром не 214 мм, а 220 мм, добавлю 6мм в диаметре.

Для примера: если вы хотите например поставить по 12 магнитов на дисках, а магниты размером 40×40×10 мм, то тогда получится (40+20*12:π+40+40) диаметр 309мм. Или если магниты 45*25*8 мм, то (45+22,5*12:π+45+45) диаметр дисков получится 347 мм. В общем не важно какие по размерам магниты, и их число по кругу, диаметр дисков строится от ширины магнитов, и расстояния между магнитами должно быть равным половине ширины магнитов.

У меня получилось вот так, я рисовал не на бумаге, а в планшете. Потом снова придётся рисовать уже на реальных дисках. Я думаю проблем с разметкой на дисках быть не должно, размечается диск на секторы, в моём случае на 8 секторов, и наклеиваем магниты.

>

Расчёт размеров статора и катушек

Теперь вычислим размеры статора и катушек. Так-как у нас внешний диаметр по магнитам 214мм, то рисуем круг диаметром 214мм. Высота магнитов 50 мм, значит (214-50-50=114 мм), рисуем второй круг внутри первого диаметром 114мм. Катушек у нас должно быть 12 штук, значит делим круг на 13 секторов, это по 30° на сектор.

В каждый сектор должна поместится катушка, при этом внутреннее отверстие катушки по высоте должно быть равно высоте магнита, то-есть 50 мм. А внешняя высота будет зависеть от ширины намотки катушки, А ширина катушки должна быть равна размерам сектора. Ниже на рисунке я думаю всё понятно.

Катушки треугольной формы будут лучше, так-как чем прямей витки тем выше эффективность катушки.

>

Расчёт катушек сколько поместится витков провода

Теперь когда нам известны размеры катушек тот можно подумать каким проводом мотать катушки и сколько витков поместится. Если магниты шириной 10мм, то статор должен быть по ширине 8 м, так-как расстояние между магнитами на противоположных дисках должно быть 10 мм. Но я хочу сделать статор толщиной 10 мм, а расстояние между магнитами получится тогда 12 мм. Статор толщиной 10 мм, и по 1мм это зазор между статором и магнитами.

Ширина борта катушки у меня получилась 14 мм, можно сделать и меньше, можно чуть больше уменьшив внутреннее отверстие катушки. Я выбрал оптимально 14 мм. Если мотать проводом диаметром 1 мм, то поместится ровно 14 витков по ширине борта катушки. Толщина статора 10 мм, значит и толщина катушки 10 мм, но так как провод начала катушки выходит сбоку, то он съедает 1мм, и остаётся 9 мм. Таким образом размеры под витки провода 14*9мм, это 126 витков.

Если провод будет например 1,5 мм в диаметре, то поместится (14:1.5=9.3), (9:1.5=6), (6*9=45) 45 витков. Думаю с этим понятно, есть площадь, а сколько витков поместится зависит от диаметра провода.

>

Расчёт Напряжения, сопротивления, и мощности генератора

Напряжение генератора зависит от магнитной индукции магнитов (Тл), скорости движения магнитов, количества витков в катушках, и длины активного проводника. Напряжение или будет правильней — ЭДС (электродвижущая сила) зависит от магнитной индукции магнитов. Неодимовые магниты имеют индукцию на поверхности магнита 1.2-1.6 Тесла. Но какая индукция будет в зазоре между магнитами мы не можем знать, если у нас нет измерителя. Поэтому при расчёте генератора если расстояние между магнитами равно ширине магнитов, то магнитную индукцию магнитов можно брать как 0.8-1 Тл. Ели магниты марки N35 то 0.8Тл, если N52 то 1Тл, но в реальном генераторе может быть всё не так.

Если расстояние больше то понятно что магнитная индукция в зазоре будет ниже, ну а если ближе то выше. Магнитная индукция магнитов нужна при расчёте напряжения генератора. Формула расчёта ЭДС генератора выглядит так:

Формула E=B*V*L где:

Е-напряжение проводника при скорости движения магнитов 1об/с или 60об/м (V)

B-магнитная индукция магнитов(Тл)

V-скорость движения магнитов (м/с)

L-активная длина проводника (м)

(B) — я буду брать как 0.8 Тл, так как мгниты у маня толщиной 10мм, а зазор между магнитами 12 мм, если будет больше то хорошо,а так будем исходить из меньшего.

(V) — скорость движения магнитов зависит от длины окружности, по которой они описывают круг за один оборот. В с лучае с дисковым генераторам окружность берётся по середине магнитов.2 2*(3.14*(104*104)=339 мм), то есть 0.34 метра.

(L) — Активная длина проводника это та часть, которая попадает под магнит. У меня магнит по высоте 50 мм, значит активная длина 50 мм, или 0.05 метра.

Теперь соберём полученные цифры, (0.8*0.34*0.05=0.0136V), напряжение одного витка у нас получилось 0.0136V. В катушках у нас по 126, а катушек в одной фазе 4, значит (0.0136*126*4=6.8V). Таким образом напряжение одной фазы генератора при 60об/м будет 6.8 вольта. При соединении фаз звездой напряжение возрастёт в 1.7 раза,и составит 11.5 вольт. Напряжение линейно зависит от скорости движения магнитов, по этому если увеличить скорость в 5 раз, то и напряжение увеличится в 5 раз, если в 10 раз увеличить скорость, то напряжение увеличится в 10 раз. Например при 600 об/м напряжение составит 115 вольт, а при 300 об/м 57.5 вольт.

Сопротивление фазы генератора рассчитывается очень просто, нужно вычислить общую длину медного провода в фазе. У меня средняя длинна витка в катушках равна примерно 0.16 метра, значит (0.16*126*4=80.64 м). В фазе 80.64 метра провода, провод диаметром 1 мм, сопротивление одного метра провода сечением 1 мм равно 0,0224 Ом. Значит (80.64*0.0224=1.8 Ом). Сопротивление проводов различного диаметра можно посмотреть здесь Таблица сопротивлений медного провода

Расчёт мощности генератора

Теперь зная напряжение генератора, и сопротивление обмотки можно вычислить мощность генератора при разных оборотах. Напряжение генератора будет проседать до напряжения аккумулятора, а сила тока при просадке напряжения будет зависеть от сопротивления обмотки генератора. Например при 300 об/м напряжение генератора соединённого звездой 57.5 вольт, отнимем напряжение аккумулятора (13V), тогда (57-13=44V). То-есть при 300 об/м напряжение генератора при заряде акб просядет на 44 вольта. А ток заряда заряда АКБ зависит от сопротивления обмоток. При соединении звездой сопротивление увеличивается в два раза от сопротивления одной фазы, по-этому сопротивление (1.8*2=3.6 Ом). Теперь делим 44 на 3.6 и получим (44:3.6=12.2А). В итоге при 300 об/м ток зарядки АКБ составит 12.2А, а мощность (12.2*13=158 ватт).

Вот так можно вычислить мощность на любых оборотах. Но нужно ещё помнить про КПД генератора, чем больше просадка напряжения тем ниже КПД. При садке напряжения на треть КПД около 80%, а дальше он только ухудшается. Это нужно помнить при расчёте винта, чтобы подобрать правильно мощность винта, чтобы она соответствовала мощности генератора.

У меня получилась вот такая картина по мощности генератора соединённого звездой.

Начало заряда при 70 об/м 13,7 вольта.
обороты/напряжение ХХ/ток заряда/мощность

60/11,5//0/0/
120/23/2,7/36
180/34/6/77
240/46/9/120
300/57/12/160
360/69/15/202
420/80/19/243
480/92/22/285
540/103/25/326
600/115/28/368

В итоге при соединении звездой мощность не впечатлила, и слишком рано начинается зарядка АКБ. Быстроходный винт подобрать не получается, а с тихоходным обороты получаются низкие. Вообще вот когда вы рассчитаете мощность генератора, только после этого нужно подбирать винт. Винт нужно смотреть в программе, смотреть на мощность винта, его обороты, быстроходность, КИЭВ, и подгонять под генератор.

Этот генератор будет работать на АКБ 24 гораздо лучше при соединении фаз звездой, на я собираюсь заряжать 12в АКБ, по-этому придётся генератор соединить треугольником. При этом сопротивление генератора станет равно фазному, это 1.8 Ом, и напряжение станет равно напряжению одной фазы, то-есть 6.8 вольт.

Значит начало заряда при 120 об/м,
обороты/напряжение ХХ/ток заряда/мощность
120/13.6/0/0
180/20/4/53
240/27/7.8/102
300/34/11.6/151
360/41/15.5/200
420/47/19/249
480/54/23/300
540/61/27/350
600/68/30/400

Расчёт винта для ветрогенератора

Теперь когда параметры будущего генератора известны можно рассчитать винт для него. В программе по расчёту лопастей из ПВХ труб я прикинул винт диаметром 2,6 метра, с быстроходностью Z7. Я долго подгонял размеры винта, и размеры лопастей чтобы и зарядка начиналась как можно раньше, и чтобы винт был максимально эффективен в широком диапазоне.

Начало зарядки акб у меня получилось при 2,5 м/с. При 4 м/с мощность ветрогенератора составит 50-55 ватт, при этом мощность винта при 180 об/м составит 75 ватт. Запас по мощности это на КПД генератора. При 5 м/с мощность ветрогенератора составит около 100 ватт. А при 6 м/с будет уже 200 ватт, и винт будет иметь максимальный КИЭВ 0.45, обороты при этом 300-310 об/м. При 10 м/с с падением КИЭВ до 0.27 винт сможет раскрутить генератор до 600-650 об/м. Мощность у винта при этом будет около 850 ватт, а генератор сможет дать около 500 ватт мощности.

В общем с этим винтом ветрогенератор получится мощностью 500 ватт при 10 м/с, и максимальная эффективность будет при ветре 5-7 м/с. При этом работать ветряк будет с 2,5 м/с. Стартовый момент таких быстроходных лопастей очень низкий, всего 0.13 Нм, но так-как генератор не имеет залипания я думаю проблем со стартом не будет, и ветряк будет запускаться с 2-3м/с.

Ниже скриншоты из программы по расчёту лопастей. Первый это основные данные винта, а второй это данные для вырезания лопасти из трубы.

>
>

При подборе винта для генератора нужно понимать что у винта есть быстроходность, обороты, и КИЭВ, который изменяется. Например Я сначало взял винт диаметром 3 метра, посмотрел и понял что у винта не хватает оборотов при хорошем КИЭВ. Если увеличивать быстроходность то КИЭВ резко падает, а при среднем и сильном ветре у вита перебор по мощности так-как он не может крутить генератор быстро. То-есть несоответствие мощности винта и генератора, от этого общий КПД ветрогенератора очень низкий.

Тогда я стал уменьшать диаметр сначала добившись чтобы при ветре 3-4 м/с мощность генератора и винта была одинаковой. Я уменьшил винт до 2,4 метра, и поставил 5 лопастей. При слабом ветре 3-4 м/с стало не плохо, КИЭВ 0,45, но оборотов маловато. Тогда я оставил три лопасти и поднял диаметр до 2.6 метра. При этом я получил и хороший показатель на ветре 3-4 м/с с оборотами при этом ветре 120-180 с КИЭВ 0,35-0,40. И максимальная эффективность достигается при 6 м/с с КИЭВ 0,45. При этом винт максимально быстроходный, и так-сказать тяговитый в широком диапазоне ветра, и быстроходности.

Если бы я сделал тихоходный пяти-лопастной винт, то я бы получал на 30% меньше энергии в сравнении с этим трёх-лопастным. Шести-лопастной дал бы результат ещё, так-как у него обороты в два раза ниже чем у трёх-лопастного. По-этому я отказался от тихоходных винтов, что я зря такие деньги потратил на магниты, провод и прочее, чтобы потом получать намного меньше чем это возможно.

Хотя если сделать двухлопастной винт, ро можно ещё на 30% увеличить обороты и мощность ветрогенератора. Но тогда придется делать всё очень точно и сбалансировано, иначе будут вибрации при работе, что очень не приятно. Также двух и однолопастные винты сильно «колбасит» при разворотах, и это тоже неприятно. По-это трёхлопастной винт это оптимально для ветрогенератора, что в принципе давно определили производители.

Следующий этап это по имеющимся размерам сделать чертежи деталей генератора, об этом в следующей части… Чертежи деталей для генератора

Технологии ветрогенераторов | IntechOpen

1. Введение

Энергия ветра играет решающую роль в создании экологически устойчивой низкоуглеродной экономики. В этой главе представлен обзор технологий ветряных генераторов и сравниваются их преимущества и недостатки, используемые для использования энергии ветра. Традиционно машины постоянного тока, синхронные машины и индукционные машины с короткозамкнутым ротором использовались для маломасштабной выработки электроэнергии. Для средних и больших ветряных турбин (WT) индукционный генератор с двойным питанием (DFIG) в настоящее время является доминирующей технологией, в то время как генераторы с постоянным магнитом (PM), импульсным сопротивлением (SR) и высокотемпературными сверхпроводящими (HTS) генераторами все активно исследуются и развивалась годами.В этой главе обсуждаются топологии и особенности этих машин с особым вниманием к их практическим соображениям, связанным с проектированием, управлением и эксплуатацией. Надеемся, что в этой главе представлены краткие справочные руководства по разработке систем генерации ветряных турбин.

2. Использование энергии ветра

Использование энергии ветра можно датировать 5000 годом до нашей эры. когда парусные лодки переправлялись через реку Нил. Было зафиксировано, что с 200 г.C. и далее ветер использовался в качестве источника энергии для перекачивания воды, измельчения зерна и управления транспортными средствами и кораблями в древнем Китае и на Ближнем Востоке. Первая задокументированная ветряная мельница была в книге « Пневматика », написанной героем Александрии примерно в первом веке до нашей эры. или I век н. э. [52]. Фактически, эти ветряные мельницы используются для преобразования кинетической энергии в механическую.

Использование энергии ветра для выработки электроэнергии впервые появилось в конце 19, ^, века [35], но не получило широкого распространения из-за преобладания паровых турбин в производстве электроэнергии.Интерес к ветровой энергии возобновился в середине 1970-х годов после нефтяного кризиса и возросшей озабоченности по поводу сохранения ресурсов. Первоначально ветровая энергия начала набирать популярность в производстве электроэнергии для зарядки аккумуляторов [17] в удаленных энергосистемах, энергосистемах жилого масштаба, изолированных или островных энергосистемах и коммунальных сетях. Сами эти ветряные турбины, как правило, небольшие (мощностью менее 100 кВт), но могут быть преобразованы в большую ветряную электростанцию ​​(мощностью 5 МВт или около того). Это было до начала 1990-х годов, когда ветровые проекты действительно начали развиваться, в основном благодаря правительственным и промышленным инициативам.Это было также в 1990-х годах, когда в основных странах ветроэнергетики, особенно в Европе, наблюдалось смещение акцента с наземной разработки на оффшорную.

Морские ветряные турбины были впервые предложены в Германии в 1930-х годах и впервые установлены в Швеции в 1991 году и в Дании в 1992 году. К июлю 2010 года в Европе было установлено 2,4 ГВт морских ветряных турбин. По сравнению с наземной ветровой энергией, морская ветровая энергия имеет некоторые привлекательные атрибуты, такие как более высокая скорость ветра, доступность более крупных площадок для разработки, более низкий сдвиг ветра и более низкая собственная турбулентность.Но недостатки связаны с тяжелыми условиями работы, высокими затратами на установку и обслуживание. Для морских операций основные компоненты должны быть обработаны дополнительными антикоррозийными мерами и осушающей способностью [24]. Чтобы избежать внепланового технического обслуживания, они также должны быть оснащены функцией устранения неисправностей для повышения их надежности.

Рисунок 1.

Постоянно растущие размеры ветряных турбин с горизонтальной осью [36].

За последние три десятилетия ветряные турбины претерпели значительные изменения, поскольку мировой рынок ветроэнергетики постоянно и быстро растет.К концу 2009 г. мировая мощность достигла 160 ГВт [7]. Прогнозируется, что на мировом рынке электроэнергии проникновение ветровой энергии вырастет с 1% в 2008 году до 8% в 2035 году [45]. Это достигается просто за счет разработки более крупных ветряных турбин и использования большего количества ветряных электростанций. По размерам большие ветряки порядка МВт начали появляться в ЕС, США, а теперь и в Китае и Индии. Как правило, мощность крупных ветряных турбин, установленных в электрических сетях, составляет от 1,5 до 5 МВт, а мощность от 7,5 до 10 МВт находится в стадии интенсивной разработки, как показано на рис.1. В настоящее время современные ветряные турбины надежны, бесшумны, рентабельны и коммерчески конкурентоспособны, в то время как технологии ветряных турбин проверены и отработаны. В настоящее время технические проблемы обычно связаны с постоянно растущими размерами ветряных турбин, передачей энергии, накоплением энергии, энергоэффективностью, стабильностью системы и отказоустойчивостью.

Рис. 2.

Мировой энергетический потенциал наземных ветряных турбин (расчетный выход энергии в кВтч / кВт от ветряной турбины, рассчитанной на скорость 11 м / с) [36].

В настоящее время ветроэнергетика широко признана как основной реальный источник возобновляемой энергии, который можно экономно использовать в больших количествах. Мировая карта потенциала ветровой энергии проиллюстрирована на рис. 2. Если взять, например, Соединенное Королевство, используемой морской ветровой энергии достаточно, чтобы обеспечить в три раза больше, чем требуется в стране, потребление электроэнергии при достаточной поддержке. Однако ветроэнергетика колеблется по своей природе, и такие приложения требуют высокой надежности и доступности, в то время как рынок все еще стремится снизить вес, сложность и эксплуатационные расходы.

3. Ветровые турбины

Ясно, что ветроэнергетика занимает важное место в правительственной и институциональной повестке дня. Однако на пути его широкого распространения есть некоторые камни преткновения.

Ветровые турбины имеют разную топологию, архитектуру и конструктивные особенности. Схема системы генерации ветряных турбин представлена ​​на рис. 3. Некоторые варианты топологий ветряных турбин следующие [35],

• Ориентация оси ротора: горизонтальная или вертикальная;

• Положение ротора: по ветру или по ветру от башни;

• Скорость ротора: постоянная или переменная;

• Ступица: жесткая, качающаяся, карданная или шарнирная лопасти;

• Жесткость: неподвижная или гибкая;

• Количество лезвий: одно, два, три или даже больше;

• Управление мощностью: сваливание, тангаж, рыскание или аэродинамические поверхности;

• Контроль рыскания: активный или свободный.

В этой главе основное внимание уделяется только ветряным турбинам с горизонтальной осью (HAWT), которые являются преобладающим типом топологии ветряных турбин, что подтверждается на рис. 4.

Рис. 3.

Схема системы выработки ветряных турбин [50].

Ветровые турбины включают важные механические компоненты, такие как лопасти и роторы турбины, привод и генераторы. Они стоят более 30% от общих капитальных затрат на морской ветроэнергетический проект [24]. В общем, ветряные турбины предназначены для использования в относительно труднодоступных местах, что накладывает некоторые ограничения на конструкцию несколькими способами.В случае оффшорной среды сайт может быть реально доступен для обслуживания один раз в год. В результате отказоустойчивость ветряной турбины имеет большое значение для развития ветряной электростанции.

Рисунок 4.

Общепринятый тип ветряной турбины и его разновидности [24].

Одним из ключевых компонентов ветряной турбины является привод, который соединяет аэродинамический ротор и электрические выходные клеммы. Оптимизация ветрогенераторов не может быть осуществлена ​​без учета механических, конструктивных, гидравлических и магнитных характеристик трансмиссии.Обзор технологий трансмиссии показан на рис. 5 для сравнения. Как правило, их можно разделить на четыре типа в соответствии с их структурой [24]:

• Обычные: редуктор и высокоскоростной генератор с несколькими парами полюсов.

• Прямой привод: любая трансмиссия без коробки передач и тихоходного генератора с большим количеством пар полюсов.

• Гибрид: любая трансмиссия с коробкой передач и частотой вращения генератора между двумя вышеуказанными типами.

• Несколько генераторов: любая трансмиссия с более чем одним генератором.

Топология трансмиссии может вызвать такие проблемы, как интеграция ротора и коробки передач / подшипников, изоляция валов шестерни и генератора от механических изгибающих нагрузок, целостность и пути нагрузки. Хотя обслуживание отдельных компонентов ветряных турбин, таких как коробки передач, подшипники и генераторы, может быть проще, промышленность все больше отдает предпочтение системной конструкции интегрированных компонентов трансмиссии.

4. Генераторы ветряных турбин

Одним из ограничивающих факторов в ветровых турбинах является технология их генераторов. Среди ученых и представителей промышленности нет единого мнения о лучших технологиях ветряных генераторов. Традиционно существует три основных типа ветряных генераторов (WTG), которые можно рассматривать для различных систем ветряных турбин: это синхронные генераторы постоянного тока (DC), переменного тока (AC) и асинхронные генераторы переменного тока. В принципе, каждый из них может работать с фиксированной или переменной скоростью.Из-за изменчивого характера энергии ветра выгодно использовать WTG с переменной скоростью, что снижает физическую нагрузку на лопатки турбины и привод, а также улучшает аэродинамическую эффективность системы и переходные характеристики крутящего момента.

(a) Технологии генераторов постоянного тока

В обычных машинах постоянного тока поле находится на статоре, а якорь — на роторе. Статор состоит из нескольких полюсов, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо обмотками постоянного тока.Если машина находится в электрическом возбуждении, она обычно работает по принципу генератора постоянного тока с шунтирующей обмоткой.

Рисунок 5.

Технологии трансмиссии системного уровня [24].

Пример системы ветрогенератора постоянного тока показан на рис. 6. Он состоит из ветряной турбины, генератора постоянного тока, инвертора на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), контроллера, трансформатора и электросети. Для генераторов постоянного тока с шунтирующей обмоткой ток возбуждения (и, следовательно, магнитное поле) увеличивается с рабочей скоростью, в то время как фактическая скорость ветряной турбины определяется балансом между крутящим моментом привода WT и крутящим моментом нагрузки.Ротор включает в себя намотанные на якорь проводники, которые соединены с комментатором с разъемным контактным кольцом. Электроэнергия извлекается через щетки, соединяющие комментатор, который используется для преобразования генерируемой мощности переменного тока в выход постоянного тока. Очевидно, что они требуют регулярного обслуживания и относительно дороги из-за использования коммутаторов и щеток.

В целом, эти WTG постоянного тока необычны для ветряных турбин, за исключением ситуаций с низким потреблением энергии [47; 23; 33; 54], где нагрузка физически близка к ветряной турбине, в системах отопления или при зарядке аккумулятора.

Рисунок 6.

Схема системы генератора постоянного тока [33].

(b) Технологии синхронных генераторов переменного тока

С самого начала разработки ветряных турбин были предприняты значительные усилия по использованию трехфазных синхронных машин. Синхронные WTG переменного тока могут принимать постоянное или постоянное возбуждение от постоянных магнитов или электромагнитов и поэтому называются синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и синхронными генераторами с электрическим возбуждением (EESG) соответственно.Когда ротор приводится в движение ветряной турбиной, трехфазная энергия генерируется в обмотках статора, которые подключены к сети через трансформаторы и преобразователи мощности. Для синхронных генераторов с фиксированной скоростью частота вращения ротора должна поддерживаться точно на уровне синхронной скорости. Иначе синхронизация будет потеряна.

Синхронные генераторы — это проверенная машинная технология, поскольку их эффективность для выработки электроэнергии изучалась и широко применялась в течение долгого времени. Схема обычного синхронного генератора в разрезе показана на рис.7. Теоретически характеристиками реактивной мощности синхронных WTG можно легко управлять через цепь возбуждения для электрического возбуждения. Тем не менее, при использовании синхронных генераторов с фиксированной скоростью случайные колебания скорости ветра и периодические возмущения, вызванные эффектами затенения башни и естественными резонансами компонентов, будут передаваться в электросеть. Кроме того, синхронные WTG имеют тенденцию к низкому демпфирующему эффекту, поэтому они не позволяют электрически поглощать переходные процессы трансмиссии.Как следствие, они требуют дополнительного демпфирующего элемента (например, гибкой муфты в трансмиссии) или узла коробки передач, установленного на пружинах и амортизаторах. Когда они интегрированы в электросеть, синхронизация их частоты с частотой сети требует деликатной операции. Кроме того, они, как правило, более сложны, дороги и более подвержены отказу, чем индукционные генераторы. В случае использования электромагнитов в синхронных машинах управление напряжением происходит в синхронной машине, тогда как в машинах с возбуждением от постоянных магнитов управление напряжением достигается в цепи преобразователя.

Рисунок 7.

Разрез синхронного генератора [22].

В последние десятилетия генераторы PM постепенно используются в ветряных турбинах из-за их высокой плотности мощности и малой массы [39]. Часто эти машины называют синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и рассматривают как предпочтительную машину в небольших ветряных генераторах. Структура генератора относительно проста. Как показано на рис. 8. Прочные PM устанавливаются на ротор для создания постоянного магнитного поля, а генерируемое электричество отбирается от якоря (статора) с помощью коммутатора, контактных колец или щеток.Иногда PM могут быть встроены в цилиндрический литой алюминиевый ротор для снижения затрат [35]. Принцип работы генераторов PM аналогичен принципу работы синхронных генераторов, за исключением того, что генераторы PM могут работать асинхронно. Преимущества PMSG включают отсутствие коммутатора, контактных колец и щеток, что делает машины прочными, надежными и простыми. Использование PM устраняет обмотку возбуждения (и связанные с ней потери мощности), но делает невозможным управление полем, а стоимость PM может быть непомерно высокой для больших машин.

Поскольку фактическая скорость ветра переменная, PMSG не могут вырабатывать электроэнергию с фиксированной частотой. В результате они должны быть подключены к электросети путем преобразования переменного тока в постоянный ток преобразователями мощности. То есть генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в фиксированный постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Также очень привлекательно использовать эти машины с постоянными магнитами для прямого привода.Очевидно, что в этом случае они могут устранить неисправные редукторы, которые вызывают большинство отказов ветряных турбин. Машины должны иметь большое число полюсов и быть физически большими, чем редукторные машины аналогичного номинала.

Рисунок 8.

Разрез синхронного генератора с постоянными магнитами [18].

Потенциальным вариантом синхронных генераторов является высокотемпературный сверхпроводящий генератор [31; 27; 49; 55]. См. Рис. 9 для низкоскоростной системы синхронного генератора HTS с несколькими МВт.Машина содержит статор железо, медь статора обмотку, HTS полевых катушки, сердечник ротора, опорную конструкцию ротора, ротор систему охлаждения, криостат и внешний холодильник, электромагнитный экран и заслонку, подшипник, вал и корпус. В конструкции машины компоновка статора, ротора, охлаждения и редуктора может создавать особые проблемы для поддержания катушек HTS в условиях эксплуатации при низких температурах.

Рисунок 9.

Схема системы синхронного генератора HTS [11].

Сверхпроводящие катушки могут пропускать в 10 раз больше тока, чем обычные медные провода, с незначительным сопротивлением и потерями в проводнике. Без сомнения, использование сверхпроводников устранит все потери мощности в цепи возбуждения, а способность сверхпроводимости увеличивать плотность тока позволяет создавать сильные магнитные поля, что приводит к значительному уменьшению массы и размеров генераторов ветряных турбин. Таким образом, сверхпроводящие генераторы являются многообещающими в плане высокой мощности и снижения веса, возможно, лучше подходят для ветряных турбин мощностью 10 МВт или более.В 2005 году компания Siemens успешно запустила в производство первый в мире сверхпроводящий ветрогенератор, представляющий собой синхронный генератор мощностью 4 МВт. Тем не менее, существует множество технических проблем, с которыми приходится сталкиваться, особенно в отношении долговечных и не требующих обслуживания ветряных турбин. Например, всегда существует необходимость в обслуживании криогенных систем, так что время для охлаждения и восстановления работы после остановки будет дополнительной проблемой.

(c) Асинхронные генераторы переменного тока

В то время как в традиционной выработке электроэнергии используются синхронные машины, в современных ветроэнергетических системах широко используются индукционные машины в ветряных турбинах.Эти индукционные генераторы делятся на два типа: индукционные генераторы с фиксированной скоростью (FSIG) с роторами с короткозамкнутым ротором (иногда называемые индукционными генераторами с короткозамкнутым ротором — SQIG) [40; 1] и индукционные генераторы с двойным питанием (ДФИГ) с намотанными роторами [9; 29; 19; 32, 43; 13; 34]. Схемы в разрезе индукционного генератора с короткозамкнутым ротором и индукционного генератора с двойным питанием представлены на рисунках 10 и 11 соответственно, а их топология системы дополнительно проиллюстрирована на рисунке 12.

При питании от трехфазного переменного тока При подаче питания на статор в воздушном зазоре создается вращающееся магнитное поле.Если ротор вращается со скоростью, отличной от синхронной, возникает проскальзывание и на цепь ротора подается питание. В целом индукционные машины просты, надежны, недороги и хорошо разработаны. Они обладают высокой степенью демпфирования и способны поглощать колебания скорости ротора и переходные процессы трансмиссии (т. Е. Отказоустойчивые). Однако асинхронные машины потребляют реактивную мощность из сети, и поэтому требуется некоторая форма компенсации реактивной мощности, такая как использование конденсаторов или преобразователей мощности.В асинхронных генераторах с фиксированной частотой вращения статор подключается к сети через трансформатор, а ротор подключается к ветряной турбине через редуктор. Скорость ротора считается фиксированной (фактически, варьирующейся в узком диапазоне). До 1998 года большинство производителей ветряных турбин выпускали индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения мощностью 1,5 МВт и ниже. Эти генераторы обычно работали со скоростью 1500 оборотов в минуту (об / мин) в электросети 50 Гц [37] с трехступенчатой ​​коробкой передач.

Рисунок 10.

Разрез индукционного генератора с короткозамкнутым ротором [22].

Рисунок 11.

Разрез индукционного генератора с двойным питанием и вращающимся трансформатором [43].

SCIG могут использоваться в ветряных турбинах с регулируемой скоростью, а также в управлении синхронными машинами. Однако выходное напряжение нельзя контролировать, и реактивная мощность должна подаваться извне. Очевидно, что индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения могут работать только в очень узком диапазоне дискретных скоростей.Другие недостатки машин связаны с размерами машины, шумом, низкой эффективностью и надежностью. Доказано, что эти машины вызывают серьезные сбои в обслуживании и последующее обслуживание.

Рис. 12.

Схема двух систем индукционных генераторов.

SCIG лидировали на рынке ветряных турбин до последнего тысячелетия [16; 26], уступив место широкому распространению DFIG. В настоящее время более 85% установленных ветряных турбин используют DFIG [41], а самая большая мощность промышленных ветряных турбин с DFIG увеличилась до 5 МВт в промышленности.В топологии DFIG статор напрямую подключен к сети через трансформаторы, а ротор подключается к сети через преобразователи мощности PWM. Преобразователи могут контролировать ток в цепи ротора, частоту и сдвиг фазового угла. Такие индукционные генераторы способны работать в широком диапазоне скольжения (обычно ± 30% синхронной скорости). В результате они предлагают множество преимуществ, таких как высокий выход энергии, снижение механических напряжений и колебаний мощности, а также возможность управления реактивной мощностью.

Для индукционных генераторов вся реактивная мощность, приводящая в действие магнитные цепи, должна поступать от сети или местных конденсаторов. Индукционные генераторы подвержены нестабильности напряжения. Когда конденсаторы используются для компенсации коэффициента мощности, существует риск самовозбуждения. Кроме того, эффект демпфирования может привести к потерям мощности в роторе. Нет прямого управления ни напряжением на клеммах (т.е. реактивной мощностью), ни устойчивыми токами короткого замыкания.

Как показано на рис.12 (b), ротор DFIG механически связан с ветряной турбиной через систему привода, которая может содержать высокоскоростные и низкоскоростные валы, подшипники и редуктор. Ротор питается от двунаправленных преобразователей напряжения. Таким образом, скорость и крутящий момент DFIG можно регулировать, управляя преобразователем на стороне ротора (RSC). Другая особенность заключается в том, что DFIG могут работать как в подсинхронных, так и в суперсинхронных условиях. Статор всегда передает мощность в сеть, а ротор может обрабатывать мощность в обоих направлениях.Последнее связано с тем, что преобразователи ШИМ способны подавать напряжение и ток с разными фазовыми углами. В подсинхронном режиме преобразователь на стороне ротора действует как инвертор, а преобразователь на стороне сети (GSC) — как выпрямитель. В этом случае активная мощность течет от сети к ротору. В суперсинхронном режиме RSC работает как выпрямитель, а GSC как инвертор. Следовательно, активная мощность течет от статора, а также от ротора к электросети.

Рисунок 13.

Пофазная эквивалентная схема DFIG.

Для анализа характеристик DFIG всегда необходимо использовать его пофазную эквивалентную схему, как показано на рисунке 13. Из этого рисунка можно увидеть, что DFIG отличается от обычной индукционной машины в цепи ротора, где Источник напряжения добавлен для подачи напряжения в цепь ротора. Фактическое управление DFIG d — q аналогично регулированию величины и фазы подаваемого напряжения в цепи.

Матричная форма уравнения для этой схемы:

[VsVr / s] = [Rs + j (Xs + Xm) −jXm − jXmRr / s + j (Xr + Xm)] [IsIr] E1

Входная мощность P _в можно суммировать из выходной мощности P _из и общих потерь P _потерь . Последние включают потери в проводнике статора P _cu1 , потери в проводнике ротора P _cu2 , потери в сердечнике P _{сердечника} , потери на ветер и трение P _wf и потеря паразитной нагрузки P _{случайная} .Среди этих потерь предполагается, что P _cu1 изменяется в зависимости от квадрата тока статора I _с , тогда как P _cu2 изменяется в зависимости от квадрата тока ротора I _р . Потери паразитной нагрузки можно разделить на две части: основной компонент P _fun , возникающий на стороне статора, и P _har на стороне ротора.Таким образом, P _{удовольствие} пропорционально I _s ² , а P _har пропорционально I _r ^{2 .}

Суммарные потери тогда определяются как

Ploss = 3Is2 (Rs + Rfun) + 3Ir2 (Rr ‘+ Rhar) + Pcore + PwfE2

Эффективность DFIG составляет

η = PoutPin = 3Voutcosφr6Is (Rs + Rfun + Rr’ + Rhar) + 3VoutcosφrE3

КПД можно выразить как функцию тока нагрузки I _с , и эта функция является непрерывной и монотонной.Следовательно, максимальная эффективность может быть найдена, когда

То есть условие максимальной эффективности для DFIG составляет

Pcore + Pwf = Pcu1 + Pcu2 + PstrayE5

Для оптимизации конструкции машины DFIG, ее потери и эффективность должны быть определены численно. или экспериментально. Дополнительным параметром уточнения является рабочая точка машины. Условие возникновения максимального КПД указывает: когда потери, зависящие от нагрузки, уравнивают потери, не зависящие от нагрузки, КПД машины достигает пика.При проектировании и эксплуатации DFIG выгодно согласовывать характеристики генератора с конкретной скоростью ветра, перемещая точку максимального КПД ближе к номинальной или эксплуатационной нагрузке.

Для целей управления математическая модель DFIG основана на синхронной системе отсчета, как показано ниже:

{vsd = rsisd + dψsddt − ωsψsqvsq = rsisq + dψsqdt + ωsψsdE6 {vrd = rrird + dψrddt− (ωs − ωrq) ψrqr + dψrqdt + (ωs − ωr) ψrdE7 {ψsd = (Lls + Lm) isd + Lmirdψsq = (Lls + Lm) isq + LmirqE8 {ψrd = (Llr + Lm) ird + Lmisdψrq = (Llr + Lm) irq9 + Lmis rrare сопротивления статора и ротора в Ω, Lls и Llrare индуктивности рассеяния статора и ротора в H, Lm — индуктивность намагничивания в H.ωsis синхронная электрическая скорость в рад / сек. ω — электрическая скорость ротора DFIG и ее связь с механической скоростью ротора ωgisωr = Pωg, где P — пары полюсов.

Электромагнитный крутящий момент определяется как

Te = 32PLm (isqird-isdirq) E10

В DFIG активная мощность используется для оценки выходной мощности, а реактивная мощность отвечает за ее электрические характеристики в сети. DFIG требует некоторого количества реактивной мощности для установления своего магнитного поля. В случае систем, подключенных к сети, генератор получает реактивную мощность от самой сети [48].В случае изолированной работы системы реактивная мощность должна обеспечиваться внешними источниками, такими как конденсаторы [4] или батареи [9].

(d) Технологии генераторов с коммутируемым сопротивлением

ВГТ с коммутируемым сопротивлением имеют выступающие роторы и статор. По мере вращения ротора сопротивление магнитной цепи, соединяющей статор и ротор, изменяется и, в свою очередь, индуцирует токи в обмотке якоря (статора). См. Рис. 14, где представлена ​​схема системы импульсного генератора реактивного сопротивления.

Рисунок 14.

Схема системы импульсного генератора реактивного сопротивления [12].

Реактивный ротор изготовлен из многослойных стальных листов и не имеет обмоток электрического поля или постоянных магнитов. В результате реактивная машина проста в изготовлении и сборке. Очевидной особенностью является их высокая надежность, поскольку они могут работать в суровых или высокотемпературных условиях. Поскольку реактивный крутящий момент составляет лишь часть электрического крутящего момента, переключаемый реактивный ротор обычно больше, чем другие с электрическими возбуждениями для данного номинального крутящего момента.Если реактивные машины объединить с функциями прямого привода, они будут чрезвычайно большими и тяжелыми, что сделает их менее подходящими для применения в ветроэнергетике.

5. Конструктивные особенности и проблемы

В общем, ветряные генераторы можно выбрать из имеющихся в продаже электрических машин с небольшими модификациями или без них. Если требуется, чтобы конструкция ветряной турбины соответствовала конкретному объекту, следует принять во внимание некоторые ключевые моменты. К ним относятся:

• Выбор машин

• Тип трансмиссии

• Топология щеток

• Номинальные и рабочие скорости

• Номинальный и рабочий крутящие моменты

• Передаточное число наконечников

• Мощность и ток

• Регулировка напряжения (синхронные генераторы)

• Способы пуска

• Пусковой ток (индукционные генераторы)

• Синхронизация (синхронные генераторы)

• Охлаждающее устройство

• Компенсация коэффициента мощности и реактивной мощности (индукционные генераторы)

• Топология преобразователя мощности

• Вес и размер

• Защита (морская среда)

• Капитальные затраты и техническое обслуживание.

Среди этих конструктивных соображений особое внимание уделяется и более детально анализируется выбор рабочей скорости, типа привода, топологии щеток и преобразователя мощности.

(a) Фиксированная или регулируемая скорость?

Очевидно, что выгодно использовать WTG с переменной скоростью. Причин несколько. Когда скорость ветра ниже номинальной, работа скорости ротора со скоростью ветра и поддержание постоянного передаточного числа конечных скоростей гарантируют, что ветряная турбина будет извлекать максимальную энергию.Работа с регулируемой скоростью помогает снизить колебания механических нагрузок на трансмиссию и вал машины, снизить вероятность усталости и повреждений, а также снизить аэродинамический акустический шум. Ротор может действовать как регенеративный накопитель (например, маховик), сглаживая колебания крутящего момента и мощности до входа в трансмиссию. Прямое управление крутящим моментом в воздушном зазоре также помогает минимизировать колебания крутящего момента коробки передач. Поскольку между генератором ветряной турбины и электросетью имеется преобразователь частоты, становится возможным разделить частоту сети и скорость вращения ротора.Это позволяет работать с регулируемой скоростью ротора и контролировать крутящий момент в воздушном зазоре машины. Кроме того, работа с регулируемой скоростью позволяет отдельно контролировать активную и реактивную мощность, а также коэффициент мощности. Теоретически можно использовать некоторые ветряные генераторы для компенсации низкого коэффициента мощности, вызванного соседними потребителями. С экономической точки зрения, ветряная турбина с регулируемой скоростью может производить на 8-15% больше энергии, чем ее аналоги с фиксированной скоростью [45]. Тем не менее, капитальные затраты будут увеличиваться из-за привода с регулируемой скоростью и преобразователей мощности, а также из-за повышенных требований к сложности и управлению.

Рисунок 15.

Система регулирования скорости [35].

В принципе, работа с переменной скоростью может быть достигнута механически с использованием дифференциальных коробок передач или систем бесступенчатой ​​трансмиссии [8], основанных на управлении скоростью и угловой скоростью гироскопов. Но общая практика заключается в достижении этой цели электрическими средствами. Используются два основных метода: регулировка скорости в широком и узком диапазоне [8]. Первое относится к широкому рабочему диапазону от нуля до полной номинальной скорости, а второе относится к узкому рабочему диапазону между долей (до ± 50%) синхронной скорости.В действительности, этого последнего диапазона практически достаточно, и он может значительно сэкономить на силовых электронных преобразователях. Регулирование скорости с обратной связью с помощью такого метода показано на рис. 15.

При проектировании ветряных турбин с регулируемой скоростью необходимо учитывать три аспекта управления, связанных со скоростью ветра. Во-первых, следует поддерживать постоянную оптимизированную скорость наконечника для достижения максимальной аэродинамической эффективности путем изменения скорости ротора в зависимости от фактической скорости ветра. Во-вторых, скорость ротора должна поддерживаться постоянной после того, как ротор достиг своей номинальной скорости, а мощность — нет, в случае умеренного ветра.Когда скорость ветра выше, управление должно поддерживать постоянную номинальную мощность с помощью управления углом тангажа или сваливания. При использовании регулятора угла наклона шаг лопастей изменяется для управления скоростью ротора вместе с крутящим моментом генератора.

(б) Прямой или редукторный привод?

В ветряной турбине с зубчатой ​​передачей скорость генератора увеличивается вместе с передаточным числом, так что снижение веса машины компенсируется увеличением веса коробки передач. Например, ветряная турбина работает со скоростью 15 об / мин, а генератор рассчитан на работу 1200 об / мин (при 60 Гц) [2].Коробка передач с повышенным числом оборотов 1:80 необходима для согласования частоты вращения / крутящего момента турбины с данными генератора.

Однако исторически отказы редукторов представляют собой серьезную проблему для работы ветряных электростанций. Это особенно верно для морских ветряных турбин, которые расположены в суровых и труднодоступных условиях. Из-за этого все чаще используются системы прямого привода в новых ветроэнергетических установках. Одним из примеров является возбужденный синхронный генератор с возбужденным полевым ротором, конструкция которого хорошо зарекомендовала себя на рынке; и другим может быть популярная конструкция генератора неодимового магнита, которая также привлекает большое внимание на рынке.

Очевидно, что конфигурация с прямым приводом устраняет необходимость в зубчатых колесах и связанные с ними проблемы надежности [46]. Поэтому некоторые производители ветряных турбин сейчас переходят на генераторы с прямым приводом для повышения надежности системы. Поскольку генераторы ветряных турбин работают с силовыми электронными преобразователями, топология прямого привода может обеспечить некоторую гибкость в требованиях к напряжению и мощности машин. Тем не менее недостаток прямого привода связан с низкой скоростью работы турбогенератора.При уменьшении номинальной скорости машины объем и вес ее ротора увеличиваются приблизительно в обратной пропорции для данной выходной мощности. Это можно объяснить следующим уравнением, определяющим выходную мощность любой вращающейся электрической машины [28],

, где k — постоянная величина, n — скорость вращения ротора, D — диаметр ротора и L — длина ротора в условных единицах.

Прямой привод увеличивает размер электрогенераторов, что эффективно компенсирует часть снижения веса за счет демонтажа редукторов.На рис. 16 показан ветрогенератор с прямым приводом, который более чем в 10 раз больше, чем его аналог с редуктором. Более того, для подключения к сети обычно требуются преобразователи мощности с полной номинальной мощностью. Как следствие, всегда необходимо соблюдать баланс между массой машин и редукторов. В гибридных системах используется одна или две ступени шестерен, а не три или четыре, которые требуются в обычных генераторах МВ. Иногда гибридные системы могут предложить лучший компромисс с точки зрения общей производительности ветряной турбины.

Рисунок 16.

Пример ветряного генератора с прямым приводом MW.

Для прямого привода популярной опцией станка являются синхронные машины с постоянным магнитом. Хотя значительные усилия и инвестиции были потрачены на улучшение реактивных машин [10; 15], они по-прежнему не являются коммерчески конкурентоспособными. Прямой привод создает некоторые проблемы при проектировании генератора и преобразователей энергии. Для генераторов с прямым приводом с постоянными магнитами требуется значительное количество дорогостоящих редкоземельных постоянных магнитов [51; 53; 44].Кроме того, необходимо увеличить номинальные характеристики IGBT в обратном преобразователе или интегрировать компоненты преобразователя со стороны машины с обмотками статора. Очевидно, преимуществом прямого привода является удаление редуктора за счет увеличения габаритов и веса ветрогенератора. Как показывает практика, объем машины пропорционален требуемому крутящему моменту и обратно пропорционален рабочей скорости для данной мощности. Увеличенная масса генератора может быть ограничивающим фактором для морских установок, поскольку грузоподъемность обычно ограничивается 100 тоннами, так что мощность генератора с прямым приводом не может превышать 10 МВт.

В гибридном варианте размер и частота вращения генератора находятся между прямым и редукторным приводом. В этом случае синхронные машины более популярны, чем асинхронные. Как правило, это среднескоростные многополюсные генераторы, которые почти всегда представляют собой машины с постоянными магнитами. Гибридная трансмиссия может облегчить установку большего количества гондол и соответствовать размеру генератора и коробки передач.

(c) Матовая или бесщеточная топология?

В целом, машины постоянного тока, синхронные генераторы с фазным ротором, индукционные генераторы с фазным ротором используют коммутаторы, щетки или токосъемники для доступа к цепям вращающегося ротора.Следовательно, текущее обслуживание и замена приводят к некоторым трудностям при использовании ветроэнергетики, особенно для морских установок. Ясно, что было бы особенно желательно избавиться от любых компонентов, физически связанных с вращающимися частями ветряных турбин. Есть несколько способов добиться этого. Взяв, к примеру, DFIG, решением могут быть бесщеточные генераторы с двойной подачей питания (BDFG). В них используются две обмотки статора (силовая обмотка и обмотка управления) с разным числом полюсов.Ротор может быть с короткозамкнутым ротором, и через ротор устанавливается непрямое соединение двух обмоток статора. Также возможно использование реактивного ротора в этой топологии, где машина стала бесщеточным генератором сопротивления [6, 14, 25]. За счет модификации обычных машин достигается более высокая надежность за счет отсутствия щеток и контактных колец. Наказанием является использование двух машин в машинном ящике.

(d) Двухуровневый, многоуровневый или матричный преобразователь?

Силовая электроника признана ключевым компонентом ветряных турбин.В целом, на ветроэнергетическом рынке широко используются три типа преобразователей. Это двухуровневые, многоуровневые и матричные преобразователи.

Двухуровневые преобразователи мощности обычно называются «параллельными преобразователями ШИМ», как показано на рис. 17 (a). В их состав входят два инвертора источника напряжения (со схемой управления ШИМ), подключенные через конденсатор постоянного тока. Это отработанная технология, но она отличается высокой стоимостью, большими потерями при переключении и большими конденсаторами постоянного тока. Любые преобразователи мощности, имеющие три или более уровней напряжения, называются «многоуровневыми преобразователями».Они проиллюстрированы на рис. 17 (b). Они особенно популярны в ветряных турбинах мощностью несколько МВт, поскольку они обеспечивают лучшее напряжение и мощность, меньшие потери при переключении и общие гармонические искажения. Однако силовые электронные схемы более сложны и дороги.

Рисунок 17.

Три типа преобразователей энергии в ветроэнергетических установках. (а) [21], (б) [42], (в) [5].

Напротив, матричные преобразователи отличаются способом преобразования AC-AC. Они устраняют необходимость в каскаде постоянного тока и напрямую синтезируют форму волны входящего переменного напряжения для согласования с требуемым выходным переменным током.Как показано на рис. 17 (c), они обычно имеют девять силовых электронных переключателей, три из которых находятся на общей ножке. Исключение конденсаторов постоянного тока повышает надежность, размер, эффективность и стоимость преобразователей энергии. Недостатками являются ограниченное напряжение (до 86% входного напряжения), чувствительность к помехам в сети [26] и большие потери проводящей мощности.

5. Сравнение производительности

Количественное сравнение генераторов DFIG, синхронных генераторов и генераторов с постоянными магнитами приведено в таблице 1. Можно видеть, что ветряные генераторы с прямым приводом больше по размеру, но короче по длине по сравнению с аналогами с редуктором.Исходя из этого ограниченного диапазона данных, трехступенчатые редукторы DFIG кажутся самыми легкими; обычные синхронные генераторы — самые тяжелые и дорогостоящие машины.

Кроме того, в таблице 2 приведено сравнение производительности различных ветряных турбин. ступенчатый редуктор 3-ступенчатый редуктор Прямой привод с электрическим возбуждением PM 1-ступенчатый редуктор Прямой привод PM Диаметр воздушного зазора4 (м) 3.6 0,84 5 3,6 5 Длина штабеля (м) 0,6 0,75 1,2 0,4 тонн 1,2 905 Вес 8,65 4,03 32,5 4,37 18,1 Масса меди (тонна) 2,72 1,21 12,6 1,373 Вес БДМ (тонны) 0,41 1,7 Стоимость активного материала генератора (евро) 67 30 Стоимость редуктора (евро) 120 220 120 Стоимость преобразователя (евро) 40 40 905 905 905 12048 12048 Стоимость строительства генератора (кЕвро) 60 30 160 50 150 Общая стоимость системы генератора (кЕвро) 287 320 5650 432 Годовая выработка электроэнергии (МВтч) 7760 7690 7740 90 505 7700 7890 Доходность / общая стоимость (кВтч / евро) 4.22 4,11 3,67 4,09 3,98

Таблица 1.

Количественное сравнение трех основных ветряных генераторов [38; 30].

9050 9050 9050 9050 905 905 905 переменная 9038 переменная 905 подача 9 0538 Колебания напряжения плохое 905 низкий50 высокая

Показатель производительности	Генераторы постоянного тока	Индукционные генераторы		Синхронные генераторы				PM	Сопротивление	HTS
		Скорость	переменная	постоянная	переменная	переменная	непосредственно в сеть	непосредственно в сеть	частично статор-преобразователь	полностью через преобразователи	полностью через преобразователи	полностью через преобразователи	полностью через преобразователи
высокий	высокий	низкий	низкий	низкий	средний	очень низкий
Масштаб преобразователя	100%	030%	100%	100%	100%	100%
Управляемость	плохая	плохая	хорошая	хорошая	очень хорошая	хорошая	очень хорошая	Управление активной-реактивной мощностью	нет	зависимый	отдельный	отдельный	отдельный	отдельный	отдельный
Возможность поддержки сети	низкий высокий 9 905 905 низкий высокий 9050 средний	очень высокий	средний	высокий
КПД	низкий	низкий	высокий	высокий	очень высокий	средний	14 чрезвычайно высокий	14 очень высокий	14 чрезвычайно высокий	среднее	высокое	высокое h	высокий	очень высокий	высокий
Реакция на сбой	медленный	медленный	высокий	высокий	высокий	высокий	очень высокий	низкий	средний	средний	высокий	средний	очень высокий
Массовая экономия	низкий	низкий	высокий	средний очень низкий	высокий	средний очень низкий
Пригодность	маломощные, бытовые применения	малые ветряные турбины	средние-большие ветровые турбины	малые-средние ветровые турбины	прямой привод; малые-средние ветряные турбины	ранняя стадия	большие ветровые турбины; ранняя стадия

Таблица 2.

Общее сравнение производительности различных ветрогенераторов (частично, 3; 20).

6. Выводы

Энергия ветра привлекла большое внимание исследователей и промышленных сообществ. Считается, что одной из областей роста является рынок морских ветряных турбин. Постоянные усилия по разработке передовых технологий ветрогенераторов уже привели к увеличению производства, надежности, ремонтопригодности и экономической эффективности. На данном этапе технология индукционных генераторов с двойным питанием (оснащенных системой защиты от неисправностей) будет по-прежнему преобладать в средних и больших ветряных турбинах, в то время как генераторы с постоянными магнитами могут быть конкурентоспособными в небольших ветряных турбинах.Другие типы ветряных генераторов начали проникать на ветряные рынки в разной степени. Анализ указывает на тенденцию перехода от генераторов с фиксированной частотой вращения, зубчатых и щеточных генераторов к технологиям генераторов с регулируемой частотой вращения, безредукторных и бесщеточных генераторов при одновременном снижении веса системы, стоимости и частоты отказов.

В этой статье представлен обзор различных ветрогенераторов, включая генераторы постоянного тока, синхронные и асинхронные ветровые турбины, со сравнением их относительных достоинств и недостатков.Более глубокий анализ должен проводиться при проектировании, управлении и эксплуатации ветряных турбин, в первую очередь, с использованием численных, аналитических и экспериментальных методов, если ветряные турбогенераторы нуждаются в дальнейшем улучшении. Однако, несмотря на продолжающиеся исследования и разработки, ветроэнергетические системы все еще сталкиваются с многочисленными технологическими, экологическими и экономическими проблемами.

Таким образом, возможно, не существует лучшей технологии ветряных генераторов, чтобы отметить все поля. Выбор сложных систем ветряных турбин в значительной степени продиктован капитальными и эксплуатационными затратами, поскольку рынок ветроэнергетики в основном чувствителен к затратам.По сути, решение всегда сводится к сравнению материальных затрат между редкоземельными постоянными магнитами, сверхпроводниками, медью, сталью или другими активными материалами, которые могут значительно меняться время от времени.

Благодарности

Авторы выражают признательность за полезные обсуждения профессору Г. Ашеру из Ноттингемского университета и профессору Б. Мекроу из Ньюкаслского университета, Великобритания.

600 Вт, 12 В / 24 В / 48 В, ветрогенератор, низкоскоростной запуск, NdFeB, генератор с постоянными магнитами / алюминиевый корпус для DIY | низкие частоты генератора | генератор с постоянными магнитами

600 Вт 12 В / 24 В / 48 В ветрогенератор низкоскоростной запуск NdFeB генератор с постоянными магнитами / алюминиевый корпус для DIY

Характеристики продукта:

1.Благодаря лучшему постоянному магниту NdFeB и обмотке из высококачественной чистой меди, генератор может обеспечивать стабильную и эффективную выработку энергии.

2. Специально разработанный ротор и ротатор, , момент с низким сопротивлением, при запуске, хорошо охлаждается.

3. Безредукторный, с прямым приводом и с низким содержанием редкоземельных элементов. Генератор на постоянных магнитах , простой и безопасный в эксплуатации и обслуживании.

4. Корпус из алюминиевого сплава для литья под давлением, антикоррозийный , устойчивый к кислотам и щелочам, антикоррозийный солевой эффект

сом

МОДЕЛЬ	В-100S	Б-200С	Б-300М	Б-400М	Б-500М2	Б-600М2
Номинальная мощность (Вт)	100 Вт	200 Вт	300 Вт	400 Вт	500 Вт	600 Вт
Максимальная мощность (Вт)	130 Вт	230 Вт	350 Вт	450 Вт	550 Вт	650 Вт
Номинальное напряжение (В)	12/24 В	12/24 В	12/24 В	12/24 В 12 В /	24 В / 48 В	12 В / 24 В / 48 В
Номинальная скорость (об / м)	600р / м	700р / м	600р / м	700р / м	650 п / м	650 п / м
Вес нетто (кг)	2.8 кг	3 кг	4 кг	4,3 кг	7 кг	7,5 кг
Масса брутто	3,5 кг	4KGS	5 кг	5,2 кг	7,6 кг	8 кг
Размер (мм) (высота генератора * ширина генератора * высота вала)	65 * 153 * 45 мм		81 * 153 * 15 мм		100 * 185 * 70 мм
Смазка	консистентная смазка
Ротор	Генератор переменного тока с постоянными магнитами
Рабочая температура	-40 ° C — 80 ° C

Примечание: в связи с улучшением технических характеристик и производительности, размеры генератора могут немного отличаться.

Производственная линия ветрогенератора:

1. В зависимости от наших современных возможностей и опытных инженеров, мы можем гарантировать вам высокое качество продукции по разумной цене.

для получения дополнительных вопросов, пожалуйста, оставьте сообщение на aliexpress или свяжитесь с нами через торгового менеджера.

2. Наше послепродажное обслуживание также отслеживает его и отправляет вам сообщение, когда есть какие-либо задержки в доставке.

3. Когда вы получите посылку, , пожалуйста, откройте посылку и убедитесь, что все элементы работают в хорошем состоянии, прежде чем подписывать. Не подписывайте, если предметы сломаны, и попросите компанию-поставщика сделать «сертификат повреждения» В противном случае мы не предоставляем никаких гарантий и возврата денег.

Часто задаваемые вопросы:

В: Почему у вас такие низкие цены, эти качественные товары и новые?

A: ДА, вы платите ЗАВОДСКАЯ ЦЕНА!

Мы продаем новинки напрямую с завода в Азии.Вот почему наши цены такие конкурентоспособные.

Для обеспечения контроля качества мы лично проверяем каждый товар перед отправкой. Все товары на 100% новые и проверены.

Международные покупатели — Обратите внимание:

Удовлетворенность клиентов очень важна для нас. Если у вас есть проблема или вопрос относительно вашей транзакции, пожалуйста, свяжитесь с нами, прежде чем оставлять какие-либо отзывы или открывать спор.Отрицательный отзыв ничего не решает, мы постараемся сделать все, чтобы решить эту проблему.

Заранее благодарим вас за терпение.

начало

конец

Управление мощностью ветряных турбин

Управление мощностью ветряных турбин

Ветряные турбины предназначены для максимально дешевого производства электроэнергии. Поэтому ветряные турбины обычно проектируются так, чтобы обеспечивать максимальную мощность при скорости ветра около 15 метров в секунду.(30 узлов или 33 миль в час). Нет смысла разрабатывать турбины, которые увеличивают свою мощность при более сильном ветре, потому что такие сильные ветра редки.

В случае более сильного ветра необходимо потратить часть избыточной энергии ветра, чтобы не повредить ветряк. Поэтому все ветряные турбины спроектированы с каким-либо контролем мощности. Есть два разных способа сделать это безопасно на современных ветряных турбинах.

Ветряные турбины с регулируемым шагом

На ветряной турбине с регулируемым шагом электронный контроллер турбины проверяет выходную мощность турбины несколько раз в секунду.Когда выходная мощность становится слишком высокой, он посылает команду механизму шага лопастей, который немедленно слегка отклоняет (поворачивает) лопасти ротора от ветра. И наоборот, лопасти снова поворачиваются против ветра, когда ветер снова стихает.

Таким образом, лопасти ротора должны иметь возможность поворачиваться вокруг своей продольной оси (с шагом), как показано на рисунке.

Обратите внимание, что картина преувеличена:

Во время нормальной работы лопасти будут наклоняться на доли градуса за раз — и ротор будет вращаться одновременно.

Проектирование ветряной турбины с регулируемым шагом требует умной инженерии, чтобы убедиться, что лопасти ротора точно соответствуют требуемой величине. На ветряной турбине с регулируемым шагом компьютер обычно будет наклонять лопасти на несколько градусов при каждом изменении ветра, чтобы поддерживать лопасти ротора под оптимальным углом, чтобы максимизировать мощность при всех скоростях ветра.

Механизм шага обычно приводится в действие гидравликой.

Ветряные турбины с контролируемым срывом

В ветряных турбинах с пассивным управлением срывом лопасти ротора закреплены на ступице под фиксированным углом.

Однако геометрия профиля лопасти ротора была аэродинамически спроектирована так, чтобы в момент, когда скорость ветра становится слишком высокой, создается турбулентность на стороне лопасти ротора, которая не обращена к ветру, как показано на рисунке на предыдущей странице. .Этот срыв предотвращает воздействие подъемной силы лопасти ротора на ротор.

Если вы читали раздел по аэродинамике и аэродинамика и срыв , вы поймете, что по мере того, как фактическая скорость ветра в этом районе увеличивается, угол атаки лопасти ротора будет увеличиваться, пока в какой-то момент она не начнет срываться.

Если вы внимательно посмотрите на лопасть ротора ветряной турбины с управляемым срывом, вы заметите, что лопасть слегка скручивается при движении вдоль ее продольной оси.Частично это делается для того, чтобы лопасти ротора останавливались постепенно, а не внезапно, когда скорость ветра достигает критического значения. (Другие причины скручивания лопасти указаны в предыдущем разделе по аэродинамике).

Основным преимуществом управления срывом является то, что он позволяет избежать движущихся частей в самом роторе и сложной системы управления. С другой стороны, контроль сваливания представляет собой очень сложную проблему аэродинамического проектирования и связанные с этим проблемы проектирования в динамике конструкции всей ветряной турбины, например.г. чтобы избежать вибраций, вызванных срывом. Около двух третей ветряных турбин, устанавливаемых в настоящее время в мире, являются машинами с системой управления остановками.

Активные ветряные турбины с контролируемым срывом

Все большее количество более крупных ветряных турбин (1 МВт и выше) разрабатывается с активным механизмом регулирования мощности останова.

Технически машины с активной стойкой напоминают машины с регулируемым шагом, так как у них есть подвижные лопасти.Чтобы получить достаточно большой крутящий момент (вращающее усилие) при низких скоростях ветра, машины обычно запрограммированы так, чтобы их лопасти были наклонены так же, как машина с регулируемым шагом при низких скоростях ветра. (Часто они используют только несколько фиксированных шагов в зависимости от скорости ветра).

Когда машина достигнет своего номинальная мощность , тем не менее, вы заметите важное отличие от машин с регулируемым шагом: если генератор вот-вот будет перегружен, машина наклонит свои лопасти в противоположном направлении от того, что делает машина с регулируемым шагом.Другими словами, это увеличит угол атаки лопастей ротора, чтобы лопасти уходили в более глубокое сваливание, тем самым тратя лишнюю энергию на ветер.

Одним из преимуществ активного сваливания является то, что можно более точно контролировать выходную мощность, чем с пассивным срывом, чтобы избежать превышения номинальной мощности машины в начале порыва ветра. Еще одно преимущество состоит в том, что машина может работать почти точно на номинальной мощности при всех высоких скоростях ветра.Обычная ветряная турбина с пассивным управлением срывом обычно имеет падение выходной электрической мощности при более высоких скоростях ветра, поскольку лопасти ротора входят в более глубокий срыв.

Механизм шага обычно приводится в действие с помощью гидравлики или электрических шаговых двигателей.

Как и в случае с регулировкой шага, это в значительной степени экономический вопрос, стоит ли платить за дополнительную сложность машины, когда добавляется механизм шага лопастей.

Другие методы управления мощностью

Некоторые старые ветряные турбины используют элероны (закрылки) для управления мощностью ротора, точно так же, как самолет использует закрылки для изменения геометрии крыльев, чтобы обеспечить дополнительную подъемную силу при взлете.

Другая теоретическая возможность — это частично отклонить ротор от ветра для уменьшения мощности. Эта техника контроль рыскания на практике используется только для крошечных ветряных турбин (1 кВт или меньше), поскольку он подвергает ротор циклически изменяющимся нагрузкам, которые в конечном итоге могут повредить всю конструкцию.

Проектирование и изготовление контроллера самосвального заряда ветряной турбины

Разработка и изготовление контроллера сброса заряда ветряной турбины

Аннотация

Избыточная зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов сокращает срок службы и емкость. Если напряжение аккумулятора не будет ниже 14,4 В, произойдет необратимая потеря емкости. Регулировка напряжения обычно достигается либо путем остановки ветряной турбины путем закорачивания ЭДС генераторов, либо путем переключения (сброс) мощности на резистивную нагрузку (нагреватель). Универсальная 4-ступенчатая схема контроллера заряда ветряной турбины (с нагрузкой) была спроектирована и построена за ~ 140 австралийских долларов

Ключевые слова: ветроэнергетика, контроллер заряда самосвальной нагрузки, стабилизатор напряжения аккумуляторной батареи, защита от перезаряда, регулятор напряжения ветряной турбины.

Рисунок		Страница
1	Принципиальная схема контроллера заряда 12 В, 600 Вт	2
2	Резисторы 100 Вт 2 Ом (сброс нагрузки) на радиаторе	3
3	Типичное напряжение сброса нагрузки в системе 12 В	3
4	Полностью собранный 12-вольтный четырехступенчатый контроллер самосвальной нагрузки 600 Вт	4
5	Электронные компоненты	4

ПЕРЕЧЕНЬ ЦИФРОВ

1.Конструкция контроллера самосвалов

Цепи сброса нагрузки не являются сложными, эта была собрана на вертикальной плате и использует одну микросхему IC (компаратор напряжения) для включения автомобильного реле, когда напряжение превышает предварительно установленный порог (подстроечный резистор 5k) . Каждое реле может отводить максимум 40 А через резистор сброса нагрузки, максимальная мощность на каждое реле составляет 576 Вт (40 А x 14,4 В ) или 1,2 кВт в системе на 24 В.

Напряжение на аккумуляторе имеет значительные помехи из-за выпрямления трехфазного переменного тока.Входной LC-фильтр удаляет большую часть этого шума, а стабилитрон защищает схему от любых индуктивно индуцированных скачков напряжения. Стабилизатор напряжения 7808 подает питание на компаратор, а также является опорным напряжением для подстроечного резистора. Схема имеет гистерезис 0,15 вольт, задаваемый резистором * 500 кОм. Гистерезис можно увеличить, уменьшив номинал этого резистора.

С помощью подстроечных регуляторов напряжения сброса были установлены в диапазоне от 13,75 до 14,4 вольт, как показано на рисунке 3.

реле	под напряжением	без напряжения	сопротивление	мощность	суммарная мощность
1	13,90 В	13,75 В	2 Ом	100 Вт	100 Вт
2	14.00 В	13,85 В	2 Ом	100 Вт	200 Вт
3	14,20 В	14,05 В	1 Ом	200 Вт	400 Вт
4	14,30 В	14,15 В	1 Ом	200 Вт	600 Вт

Рисунок 3.Типичное напряжение сброса нагрузки в системе 12 В

Рис. 4. Полностью собранный 12-вольтный четырехступенчатый контроллер самосвальной нагрузки 600 Вт

Две пары проводов (нагрузка и датчик) подключают контроллер сброса нагрузки к батарее.

5. Комментарии

Часто задаваемые вопросы о плановых заказах, конструкции лопастей, электромонтажных работах и ​​согласовании генераторов можно найти на наших страницах вопросов и ответов.

Статьи по теме

10 кВт, 15-фазный осевой генератор блинов для 2-лопастной ветряной турбины [HTML]

Рисунок 1.Схема контроллера заряда 12 В, 600 Вт

Кол-во	Деталь	Описание	Стоимость единицы	Стоимость
4	LM311	Компаратор	$ 1,75	7,00 $
4	BC547	Транзистор NPN	0 руб.26	$ 1,04
1	7808	Регулятор напряжения, 8,0 В	1.65 долл. США	1.65 $
4	5k	Подстроечный резистор на 10 витков	$ 1,75	7,00 $
9	1N4004	Диод	0,13 $	$ 1,17
1	1N4752	Стабилитрон, 33 В	0 руб.55	0,55 долл. США
1	L8	25x15x10 мм Тороидный сердечник	$ 1,75	$ 1,75
28	–	Резисторы	0,06 $	$ 1,68
15	–	Капикаторы	0,35 $	$ 5,25
1	–	Вероборд 305 мм	$ 11.50	$ 11,50
			Итого	38,95 долл. США

Рисунок 5. Электронные компоненты

3. Стоимость системы (AUD)

4. Дополнительные примечания

1 — Радиатор нагревается, если его охлаждает только один вентилятор, добавление второго вентилятора повысит охлаждение и надежность.

---

СПОНСОРНАЯ РЕКЛАМА

---

---

СПОНСОРНАЯ РЕКЛАМА

---

Разборка криомагнита 300 МГц

Рис. 2. Резисторы 100 Вт, 2 Ом (сброс нагрузки), установленные на радиаторе

.

Четыре отдельные нагрузки (Рисунок 2) состоят из шести резисторов мощностью 100 Вт. Множественные нагрузки повышают надежность. Они рассеивают низкую мощность при слабом ветре и высокую мощность при сильном ветре, сводя к минимуму разряд аккумулятора.Они также имеют то преимущество, что для надежной работы требуется более низкий гистерезис.

2. Сборка самосвального контроллера

Радиатор 20 долларов
12-вольтный вентилятор 12 долларов США
электронные компоненты 38,59 долларов США
Автомобильные реле 40 А (x4) долларов США

С помощью подстроечных регуляторов напряжение сброса было установлено в пределах 13.От 75 до 14,4 вольт, как показано на рисунке 3.

Скачать версию этого документа в формате PDF

Избыточная зарядка свинцово-кислотных аккумуляторов сокращает срок службы и емкость. Если напряжение аккумулятора не будет ниже 14,4 В, произойдет необратимая потеря емкости. Регулировка напряжения обычно достигается либо путем остановки ветряной турбины путем закорачивания ЭДС генераторов, либо путем переключения (сброс) мощности на резистивную нагрузку (нагреватель). Универсальная 4-ступенчатая схема контроллера заряда ветряной турбины (с нагрузкой) была спроектирована и построена за ~ 140 австралийских долларов

Аннотация

Ключевые слова: ветроэнергетика, контроллер заряда самосвальной нагрузки, стабилизатор напряжения аккумулятора, защита от перезарядки, регулятор напряжения ветряной турбины.

Проектирование и изготовление контроллера самосвального заряда ветряной турбины

Цепи сброса нагрузки несложные, эта собрана на плате Veroboard, в ней используется одна микросхема IC (компаратор напряжения) для включения автомобильного реле, когда напряжение превышает предварительно установленный порог (подстроечный резистор 5k) .Каждое реле может отводить максимум 40 А через резистор сброса нагрузки, максимальная мощность на каждое реле составляет 576 Вт (40 А x 14,4 В ) или 1,2 кВт в системе на 24 В.

Рис. 1. Принципиальная схема контроллера заряда самосвальной нагрузки 12 В, 600 Вт

Напряжение на батарее имеет значительные помехи из-за выпрямления трехфазного переменного тока. Входной LC-фильтр удаляет большую часть этого шума, стабилитрон защищает схему от любых индуктивно индуцированных скачков напряжения.Стабилизатор напряжения 7808 подает питание на компаратор, а также является опорным напряжением для подстроечного резистора. Схема имеет гистерезис 0,15 вольт, задаваемый резистором * 500 кОм. Гистерезис можно увеличить, уменьшив номинал этого резистора.

1. Устройство регулятора самосвалов

2. Сборка самосвального контроллера

Рис. 2. Резисторы 100 Вт 2 Ом (сбросная нагрузка), установленные на радиаторе

Рисунок 3.Типичное напряжение сброса нагрузки в системе 12 В

Реле

---

1
2
3
4

---

---

---

---

на
напряжение

выкл
напряжение

сопротивление
(Ом)

мощность

всего
мощность

13,90
14,00
14,20
14,30

13,75
13,85
14,05
14,15

2
2
1
1

100 Вт
100 Вт
200 Вт
200 Вт

100 Вт
200 Вт
400 Вт
600 Вт

Рисунок 4.Полностью собранный 12-вольтный четырехступенчатый контроллер самосвальной нагрузки 600 Вт

Две пары проводов (нагрузка и датчик) подключают контроллер сброса нагрузки к батарее.

Кол-во

---

4
4
1
4
9
1
1
28
15
1

---

---

---

---

Часть

.

Описание

Стоимость

LM311
BC547
7808
5k
1N4004
1N4752
L8
—
—
—

Компаратор
NPN Транзистор
Регулятор напряжения (8.0 В)
Подстроечный резистор на 10 витков
Диод

7,00 $
$ 1,07
$ 1,65
$ 7,00
$ 1,17
$ 0,55
$ 1,75
$ 1,68
$ 5,25
$ 11,50

---

---

---

---

---

---

---

С помощью подстроечных регуляторов напряжения сброса были установлены в пределах от 13,75 до 14,4 В, как показано на Рисунке 3.

Итого $ 38.95

Рисунок 5. Электронные компоненты

Радиатор 20 $
Вентилятор 12 Вольт 12 $
электронные компоненты 38 $.59
Автомобильные реле 40 А (x4) 24 $
2 Ом (100 Вт) Резисторы (x6) 48 долларов США

Общая стоимость 142,59 долларов США

3. Стоимость системы (AUD)

4. Дополнительные примечания

Продолжить краткую информацию о …..

Ветряная турбина VAWT

Статьи по теме

1.Конструкция 3-лопастной ветряной турбины диаметром 4 метра [HTML]

Стабилитрон, 33 В
Тороидный сердечник 25x15x10 мм
Резисторы
Конденсаторы
305 мм veroboard

Четыре отдельные нагрузки (рис. 2) состоят из шести резисторов мощностью 100 Вт, несколько нагрузок повышают надежность, они рассеивают малую мощность при слабом ветре и высокую мощность при сильном ветре, сводя к минимуму разряд батареи. Они также имеют то преимущество, что для надежной работы требуется более низкий гистерезис.

1 — Радиатор нагревается, если его охлаждает только один вентилятор, добавление второго вентилятора повысит охлаждение и надежность.

5. Комментарии

.