מחולל רוח קינטית: מכשיר, עקרון הפעלה, יישום
גנרטור רוח קינטי מודרני מאפשר לך לנצל את כוחם של זרמי אוויר, להמיר אותו לחשמל.לצורך כך, קיימים דגמים מתוצרת מפעל ותוצרת בית של מכשירים המשמשים הן בתעשייה והן במשקי בית פרטיים.
אנו נספר לכם כיצד מתוכננות טורבינות רוח מסוג זה, ונכיר לכם את תכונות המכשיר ואפשרויות העיצוב. המאמר שהצענו מציג את החוזקות והחולשות של תחנת כוח רוח. אנשי עשה זאת בעצמך ימצאו כאן דיאגרמות שימושיות והמלצות הרכבה.
תוכן המאמר:
עקרון הפעולה של גנרטור רוח
פעולתו של מחולל רוח מבוססת על הפיכת האנרגיה הקינטית של הרוח לאנרגיה המכנית של הרוטור, המומרת לאחר מכן לחשמל.
עקרון הפעולה הוא די פשוט: סיבוב הלהבים הקבועים לציר המכשיר מוביל לתנועות מעגליות של מחולל הרוטור, ובכך מייצר חשמל.
זרם החילופין הלא יציב שנוצר "מתנקז" לבקר, שם הוא הופך למתח ישר שיכול לטעון את הסוללות. משם, הכוח מסופק למהפך, שם הוא הופך למתח חילופין עם מחוון של 220/380 V, המסופק לצרכנים.
הספק של מחולל רוח תלוי ישירות בכוח זרימת האוויר (N), מחושב לפי הנוסחה N=pSV3/2, כאשר V היא מהירות הרוח, S היא אזור העבודה, p היא צפיפות האוויר.
מכשיר מחולל רוח
גרסאות שונות של גנרטורים רוח נבדלות זו מזו באופן משמעותי.
מכשירים תעשייתיים הם מבנה רב-מטר מורכב, שההתקנה שלו דורשת בסיס, בעוד שדגם ביתי יכול להיות מורכב ממינימום רכיבים (מנוע חשמלי DC 3-12V, קבל חשמלי 1000 uF 6V, דיודת מיישר סיליקון).
התקנה טיפוסית כוללת את הרכיבים הבאים:
- מחולל זרם חילופין (הכוח תלוי במהירות זרימת הרוח);
- להבים המעבירים סיבוב לציר הגנרטור (לעתים קרובות הם מצוידים בנוסף בתיבות הילוכים ומייצבי מהירות הרוטור);
- תורן טחנת הרוח שאליו מחוברים הלהבים (ככל שהאלמנטים הללו גבוהים יותר, כך הם יכולים לקבל יותר אנרגיית רוח);
- סוללות האוגרות אנרגיה, ומאפשרות להשתמש בה כאשר יש זרימת רוח מועטה או ללא. הסוללה מבצעת גם את הפונקציה של ייצוב האנרגיה החשמלית המסופקת מהגנרטור;
- בקר - ממיר מתח חילופין המתקבל מהגנרטור למתח ישר, המשמש לטעינת הסוללה. הבקר נשלט על ידי סיבוב הלהבים, המאפשר לך לקחת בחשבון לאן זרמי האוויר נעים;
- AVR הוא התקן מיתוג אוטומטי המחבר את מחולל הרוח עם מקורות אנרגיה אחרים (פאנלים סולאריים, רשת חשמל);
- חיישן כיוון הרוח - מכשיר המקל על הלהבים למצוא את זרימת הרוח;
- מהפך להמרת זרם ישר מסוללות למתח חילופין, המשמש בתקשורת חשמלית.
כדי לענות טוב יותר על צרכי המשתמש, ניתן לצייד את המכשיר בסוגים שונים של ממירים:
- מכשירים עם גל סינוס שעבר שינוי מהפך המייצר גל סינוס ריבועי. מכשירים מסוג זה מתאימים לגופי חימום, מנורות ליבון והתקנים אחרים שאינם תובעניים באיכות הרשת;
- ממירי מתח תלת פאזי המיועדים לרשתות חשמל תלת פאזיות;
- יחידות גלי סינוס טהורות המייצרות אנרגיה לציוד רגיש יותר;
- ממירי רשת שיכולים לפעול ללא סוללות. מכשירים כאלה מיועדים למעגלים הכוללים אנרגיה חשמלית הנכנסת ישירות לרשת הכללית.
בעת בחירת דגמים, הקפד לשים לב לסוג המהפך.
סוגי מחוללי רוח
בעת סיווג טורבינות רוח, ניתן לקחת בחשבון את המאפיינים הבאים:
- קביעת פגישה;
- מאפייני עיצוב;
- מספר להבים;
- החומרים מהם הם עשויים;
- ציר סיבוב;
- גובה המדחף.
בואו נסתכל מקרוב על שני הסיווגים הנפוצים ביותר.
סיווג מחוללי רוח לפי מטרה
ישנם סוגים של טורבינות רוח השונות ביעודן. המאפיינים העיקריים של מכשירים, למשל, כוח, תלויים בכך.
טורבינות רוח תעשייתיות
מכשירים כאלה מותקנים על ידי חברות אנרגיה גדולות או המדינה כדי לספק חשמל למתקנים תעשייתיים.טורבינות, בעלות הספק של עשרות מגה וואט, ממוקמות בדרך כלל באזורי רוח (גבעות פתוחות, חופים).
החשמל המופק, ככלל, עובר ישירות לרשת, בעוד ליציבות וויסות מהירות הסיבוב של הלהבים, טורבינות הרוח מצוידות במנגנונים נוספים.
מחוללי רוח מסחריים
מתקנים כאלה משמשים לייצור חשמל למכירה או לספק חשמל לייצור באזורים עם רשת חשמל נמוכה (או ללא רשת חשמל כלל). תחנות כוח רוח כאלה מורכבות מאשכול של גנרטורים חשמליים, שיכולים להיות בעלי יכולות שונות.
אנרגיה ממתקנים מסחריים יכולה להיות מוזנת ישירות לתשתיות חשמל או להשתמש בה לטעינת מערך גדול של סוללות, שם היא מאוחסנת ומומרה להזנת הרשת.
מכשירי רוח ביתיים
יחידות הספק נמוך משמשות לשימוש פרטי. על פי הכללים, טורבינות רוח בעלות תרנים בגובה נמוך מ-25 מטר ניתנות להתקנה על ידי בעלי קרקע ללא אישור הרשויות, לתורנים גבוהים יותר יש לקבל אישור מיוחד.
גנרטורי רוח ביתיים מתאימים לטעינת סוללות במתח של 12/24/48V, שהאנרגיה מהם הופכת למתח של 220 וולט.מכשירים כאלה מאפשרים לפתור לחלוטין או חלקית את בעיית אספקת החשמל לחפצים קטנים הממוקמים הרחק מרשת החשמל המרכזית.
עם הנחיות לבחירת גנרטור רוח לאספקת אנרגיה לבית פרטי קרא את המאמרמוקדש לנושא המעניין הזה.
סוגי עיצובים של טורבינות רוח
בהתבסס על תכונות העיצוב שלהם, ניתן לחלק מכשירים גם למספר קטגוריות, אם כי כל הזנים מסתכמים בשני סוגים עיקריים: אֲנָכִי ואופקי.
טורבינות רוח אופקיות קלאסיות
מתקנים כאלה (הם נקראים גם מדחף או כנף) יש בדרך כלל 3-5 להבים מותקנים על ציר אופקי. סיבוב במהירות גבוהה, אלמנטים כאלה מאפשרים לך להשיג את כמות האנרגיה המקסימלית (KIEV עד 0.4).
יתרה מכך, כמות החשמל שנוצרת תלויה במידה רבה בגובה המכשיר (ככל שהוא גבוה יותר, כך התוצאה גדולה יותר).
התקנים אלה מותקנים בדרך כלל בחוות רוח שבהן מופקת אנרגיה לשימוש תעשייתי ומסחרי, אך הם מתאימים גם לשימוש ביתי.
פתרון מעניין לטחנת רוח אופקית הוא דגם עם להב אחד; מבחר התמונות הבא יכיר את התכונות שלו:
טורבינות רוח אנכיות
מרכיב ההפעלה של מתקנים כאלה הוא גלגל רוח מסתובב. בשל תכונות העיצוב שלהם, מבנים כאלה שונים לפי סוג ("חבית", "Savonius").
בחירת התמונות הבאה תציג בפניכם את העיקרון של טורבינת הגנרטור האנכית של Savonius:
למרות מדד KIEV הנמוך (0.1-0.2), הם נמצאים בשימוש נרחב: מתקנים אנכיים פועלים על זרימות אוויר סוערות, כך שניתן למקם אותם גם באזורים שבהם רוחות חזקות נושבות לעתים רחוקות.
כדי לשפר את היעילות של טורבינות רוח אנכיות, יצרנים מגדילים לעתים קרובות את הפרמטרים הממדיים שלהם, מה שמוביל לעלייה משמעותית בעלות. מכיוון שמתקנים כאלה הם שבירים למדי, הם דורשים הגנה מוגברת מפני הוריקנים ותופעות טבע אחרות.
גנרטורים רוח "רוטור דריה"
מכשירים כאלה שייכים לקטגוריה של טורבינות רוח אנכיות, אך יש הבדלים בולטים בעיצוב. הודות לתכונות כאלה מושגת הפחתת רעש, וגם KIEV עולה, שמתקרבת לביצועים של מודלים אופקיים.
החיסרון של עיצובים כאלה הוא מומנט ההתחלה הנמוך (בשל נוכחותם של שני להבים בלבד, קשה למכשיר להתחיל מעצמו). כדי לפתור את הבעיה, נעשה שימוש לעתים קרובות בהיברידית "Savonius + Darier".
מתקני רוח שייט
עבור מתקנים כאלה, ניתן להשתמש בעיקרון של בניית טורבינות רוח אנכיות ואופקיות כאחד. תכונת העיצוב העיקרית היא גלגל רוח מכוסה בלהבים או מפרשים רבים, בעוד שלדגמים כאלה אין פרופיל אווירודינמי.
למרות העובדה שמתקני שייט מאופיינים במהירות נמוכה ויעילות נמוכה, הם משמשים לעתים קרובות בכלכלה הלאומית.עיצובים כאלה קלים להתקנה ולתפעול, והשילוב של מומנט גבוה ומהירות נמוכה מאפשר לך להניע ישירות מנגנונים שימושיים שונים, למשל משאבה לשאיבת מים.
הגלריה הבאה תציג בפניכם את אחד הדגמים של טורבינות רוח שייט המיושמות בפועל:
גנרטור לטורבינת רוח
טורבינות רוח דורשות גנרטורים תלת פאזיים קונבנציונליים כדי לפעול. העיצוב של מכשירים כאלה דומה לדגמים המשמשים במכוניות, אך יש לו פרמטרים גדולים יותר.
למכשירי טורבינת רוח יש פיתול סטטור תלת פאזי (חיבור כוכב), שממנו יוצאים שלושה חוטים והולכים לבקר, שם מתח החילופין מומר למתח ישר.
לעתים קרובות משתמשים במכפיל להגדלת המחזור.מכשיר זה מאפשר להגדיל את הספק הגנרטור הקיים או להשתמש במכשיר קטן יותר, מה שמוזיל את עלות ההתקנה.
מכפילים משמשים לעתים קרובות יותר במחוללי רוח אנכיים, שבהם תהליך סיבוב גלגל הרוח איטי יותר. עבור מכשירים אופקיים עם מהירויות סיבוב להב גבוהות, מכפילים אינם נדרשים, מה שמפשט ומפחית את עלות העיצוב.
פרטים על הרכבה והתקנה של גנרטור רוח ממכונת הכביסה וטורבינות רוח מגנרטור רכב מתואר בפירוט במאמרים שאנו ממליצים עליו.
יתרונות וחסרונות של מחולל רוח
הבה נבחן בפירוט את היתרונות והחסרונות של טורבינות רוח, שכן ההחלטה לרכוש טורבינת רוח או לנטוש אותה תלויה בהם.
היתרונות של מכשירי רוח
היתרונות של מכשירים המשתמשים באנרגיית רוח כוללים:
- ידידותיות לסביבה. המתקנים עושים שימוש במקור אנרגיה מתחדש שניתן לעשות בו שימוש רציף מבלי לגרום נזק לסביבה. חשמל המופק על ידי גנרטורים רוח מחליף את האנרגיה של תחנות כוח תרמיות, ומפחית את פליטת גזי חממה.
- רבגוניות. ניתן לבנות תחנות כוח רוח כמעט בכל מקום: במישורים, בהרים, בשדות, באיים ואפילו במים רדודים. אנרגיית הרוח היא בעלת ערך במיוחד במקומות מרוחקים שבהם קשה להרחיב את התקשורת החשמלית הקונבנציונלית. גנרטורים רוח במקרה זה מאפשרים להקים אספקת אנרגיה לחפצים, ומבטיחים את עצמאותו מגורמים אקראיים (לדוגמה, דלק שלא נמסר בזמן).
- יעילות השימוש. מודלים מודרניים מעבדים את האנרגיה של רוחות חלשות אפילו - המגבלה המינימלית היא 3.5 מ' לשנייה.בדרך זו, ניתן לספק חשמל נוסף לרשת הריכוזית, וכן לארגן אספקת חשמל לאובייקטים בודדים (אי או מקומי) ללא קשר להספק שלהם.
- חלופה ראויה למקורות מסורתיים. תחנות כוח רוח נייחות יכולות לספק חשמל לחלוטין לבניין מגורים או אפילו למתקן תעשייתי קטן. במקרה זה, הטורבינה תצבור את אספקת החשמל הנדרשת בסוללות, המיועדות לשימוש בתקופות רגועות.
- חסכוני. בהשוואה למקורות אנרגיה חשמליים מסורתיים (גז, כבול, פחם, נפט), טורבינות אופניים יכולות להפחית משמעותית את עלויות האנרגיה. במקרים רבים, בניית חוות רוח זולה יותר מחיבור למערכות חשמל קיימות.
השימוש בטורבינות רוח יכול להוות אלטרנטיבה לשימוש בגנרטורים דיזל יקרים, ולהוזיל עוד יותר את עלויות ההובלה והאחסון של דלק עד 80%.
ההספק הממוצע של טורבינת רוח שונה מספר פעמים מעומס השיא. מחולל רוח אחראי רק על כמות האנרגיה המופקת על פני פרק זמן מסוים במהירות הרוח החודשית הממוצעת האופיינית לאזור נתון.
להערכה מדויקת יותר של משאבי הרוח, אתה יכול להשתמש בנתונים שנגזרו במיוחד (פרמטרים של Weibull). אינדיקטורים אלה משקפים את התפלגות הרוחות בעוצמות שונות האופייניות לאזור מסוים. חשוב לקחת מידע כזה בחשבון בעת פיתוח פרויקטים של חוות רוח בהספק של עשרות MW.
ההספק המופק על ידי טורבינת רוח הוא פרופורציונלי לפי שלושה ממהירות הרוח.כתוצאה מכך, אינדיקטור זה קטן מאוד כאשר זרימות הרוח חלשות, אך כאשר הן מתעצמות, הוא עולה בחדות. בשל השונות של כיוון ומהירות הרוח, יש לכלול רכיבים מייצבים בתכנון של טורבינת רוח.
כללים ונוסחאות לחישוב כוח מחולל רוח ניתנים כאן, אנו ממליצים שתכיר את המידע השימושי מאוד.
במערכות אוטונומיות קטנות, תפקידן מבוצע על ידי סוללות, שהטעינה שלהן מתחילה לעלות ברגע שעוצמת מחולל הרוח עולה על העומס.
יש לציין כי השימוש היעיל בזרמי הרוח מקל על ידי מגוון עיצובים של גנרטורים רוח.
טורבינות אופקיות מתפקדות היטב באזורים מישוריים שבהם יש הרבה רוח, בעוד שטורבינות אנכיות פועלות טוב יותר באזורים עם זרימות סוערות שנמצאות נמוך לקרקע (גבעות עליונות, רכסי הרים).
החסרונות העיקריים של טורבינות רוח
יחד עם זאת, לטורבינות רוח יש גם את הצדדים השליליים שלהן:
- קשה לחזות מראש את גודל כוח הרוח, מכיוון שהוא משתנה לעתים קרובות. בשל כך, מומלץ לשקול רשת ביטחון באמצעות מתן מקור אנרגיה גיבוי (פאנלים סולאריים, חיבור לרשת החשמל).
- מכשירים אנכיים נמצאים בסיכון להרס של להבי המדחף עקב השפעות הכוחות הצנטריפוגליים כאשר הלהבים מסתובבים סביב הציר הראשי. כתוצאה מהשפעה זו, אלמנטים מבניים חשובים מתעוותים ונהרסים עם הזמן, והמנגנון נכשל.
- עדיף להתקין טורבינות רוח בשטח פנוי, שכן מבנים סמוכים יכולים "להרטיב" את הרוח, וליצור אזור אוויר "מת".
- כדי לחסוך באנרגיה עודפת מטורבינות רוח, יש צורך לכלול בתכנון שימוש בסוללות והתקנים נוספים המשמשים להמרת החשמל המופק לזרם עם מאפיינים צרכניים מתאימים.
- כאשר הם פועלים, גנרטורים רוח מייצרים רעש שעלול לגרום לאי נוחות לאנשים ולהפחיד בעלי חיים. להבי המתקנים עלולים לגרום גם למוות של ציפורים שעפות לעברם.
- לדברי כמה מומחים, טורבינות רוח עלולות לפגוע בקליטת שידורי רדיו וטלוויזיה.
היבטים שליליים יכולים לכלול גם את העלות הגבוהה למדי של יחידות כאלה, אולם העלות הנמוכה של מקור האנרגיה מקזזת במידה רבה את הגורם הזה.
דיאגרמות ושיטות חיבור
למרות שטורבינת רוח יכולה לפעול באופן אוטונומי, ניתן להשיג תוצאות טובות בהרבה באמצעות תוכניות משולבות המשלבות טורבינת רוח עם פאנלים סולאריים, רשת חשמל מרכזית, מקורות אנרגיה סולר או גז.
פעולה אוטונומית. במקרה זה מותקן מתקן בודד שבעזרתו נקלטת ונאגרת אנרגיית הרוח, המומרת לאחר מכן לזרם החשמלי הנחוץ לצרכנים.
שילוב של גנרטור רוח עם פאנלים סולאריים. האפשרות המשולבת נחשבת לשיטת אספקת חשמל אמינה ויעילה. אם אין רוח, הסוללה פועלת פנלים סולאריים, ובמזג אוויר מעונן ובמהלך הלילה, מתרחשת טעינה מטורבינת רוח.
הפעלה משולבת של גנרטור רוח ורשת חשמל. ניתן לשלב טורבינת רוח עם תקשורת חשמלית.
אם יש עודף חשמל שמיוצר הוא עובר לרשת הריכוזית ובמידה וקיים מחסור אפשר להשתמש בזרם חשמלי ממערכת האנרגיה הכללית.
ניואנסים של שימוש במחוללי רוח
כיום, טורבינות רוח משמשות במגזרים שונים של הכלכלה הלאומית. מודלים תעשייתיים בעלי יכולות משתנה משמשים נפט וגז, חברות תקשורת, תחנות קידוח וחיפוש גיאולוגי, מתקני ייצור וסוכנויות ממשלתיות.
ראויה לציון במיוחד החשיבות של שימוש בטורבינות רוח לשיקום מהיר של חשמל פגום במהלך אסון ואסונות טבע. לצורך כך, גנרטורים רוח משמשים לרוב יחידות של משרד מצבי חירום.
טורבינות רוח ביתיות מושלמות לארגון תאורה וחימום בקהילות קוטג' ובבתים פרטיים, כמו גם למטרות כלכליות בחוות.
יש כמה נקודות שצריך לקחת בחשבון:
- מכשירים של עד 1 קילוואט יכולים לספק כמות מספקת של חשמל רק במקומות סוערים.בדרך כלל, האנרגיה שהם מייצרים מספיקה רק כדי להפעיל תאורת LED ולהפעיל מכשירים אלקטרוניים קטנים.
- כדי לספק חשמל מלא לדאצ'ה (בית כפרי), תזדקק לגנרטור רוח עם הספק של מעל 1 קילוואט. מחוון זה מספיק להפעלת גופי תאורה, כמו גם מחשב וטלוויזיה, אבל הכוח שלו לא מספיק כדי לספק חשמל למקרר מודרני הפועל מסביב לשעון.
- כדי לספק אנרגיה לקוטג', תזדקק לטורבינת רוח בהספק של 3-5 קילוואט, אבל אפילו נתון זה לא יספיק לחימום בתים. כדי להשתמש בפונקציה זו, אתה צריך אפשרות חזקה, החל מ-10 קילוואט.
בעת בחירת דגם, עליך לקחת בחשבון שמחוון הכוח המצוין במכשיר מושג רק במהירות הרוח המרבית. לפיכך, התקנה של 300V תפיק את כמות האנרגיה שצוינה רק במהירות זרימת אוויר של 10-12 מ"ש.
לאלו המעוניינים לבנות גנרטור רוח במו ידיהם, אנו מציעים המאמר הבא, המספק מידע שימושי בפירוט.
מסקנות וסרטון שימושי בנושא
הסרטון שלהלן מספק מידע מפורט על עקרון הפעולה והעיצוב של דגם ביתי של גנרטור רוח:
גנרטור רוח הוא מקור מצוין לייצור אנרגיה חשמלית, אשר יוערכו במיוחד על ידי תושבי אזורים מרוחקים. ארגונים רוסים וזרים שונים מציעים מגוון רחב של מבני רוח; בנוסף, ניתן ליצור דגמים ביתיים במו ידיך.
נא לכתוב הערות בבלוק למטה. ספר לנו על איך בנית גנרטור רוח בנכס שלך, או על איך פועלת טורבינת הרוח של השכנים שלך.שאל שאלות, שתף מידע שימושי ותמונות בנושא.
האם יש חברות במוסקבה או באזור שמוכרות ומתקינות טורבינות רוח דומות בגובה של פחות מ-25 מטר בשטחים של אזרחים פרטיים? הייתי מתקין אותם בקוטג' שלי, כמה מהם אני צריך, כמה או אחד? אתה צריך לחשב כמה תעלה כל העבודה. מה עדיף - אנכי או שיט, או אופקי? יש לנו מקום סוער במיוחד בשממה - הוא נושב חזק כל השנה!
אולי גנרטורים רוח מתאימים לשימוש תעשייתי, אבל העובדה היא שעבור מערכת ביתית, שלא לומר תעשייתית, צריכות להיות הרבה טורבינות רוח, זהו. ושניים - הם מאוד יקרים. אפילו פאנלים סולאריים זולים וחסכוניים יותר להתקנה מטורבינת רוח. עם זאת, כשמגיעים מדי פעם לגרמניה ולהולנד רואים שטחים ענקיים עם טורבינות רוח. אני לא יודע כמה הם יעילים. אבל אני יודע שבבתים מודרניים, גרמנים מעשיים מתקינים לעצמם מקורות חשמל ידידותיים לסביבה, אבל מעולם לא ראיתי פאנלים סולאריים או טורבינות רוח בשום מקום.
"זרם החילופין הלא יציב שנוצר "מתנקז" לבקר, שם הוא הופך למתח ישר..." מבריק! זרם מומר למתח))
אני בודק תכנון של טורבינת רוח להטענת מכונית חשמלית במהירויות של עד 100 קמ"ש. החומר להכנת טחנת הרוח הוא נייר קשיח דק, תיקייה לניירות, מכוסה בסרט. התוצאה היא קומפוזיט. תמונות וסרטונים ישנים הם רק מניסויים, אני מתכונן לבדוק שיטה להאצת זרימת הרוח. כמובן שעדיף להשתמש בו לבדיקת טורבינות רוח מתחת למים.אני אעשה סרטון אחרי שהנהר ייפתח, כלומר, בשבועיים הקרובים.
העלות של חומר מרוכב מנייר וקלטת והאנרגיה המושקעת לייצור טחנת רוח בקוטר של עד 0.5 מטר נעה בין כ-1,500-2,000 רובל. אם תתחילו לייצר טחנות רוח מפלסטיק או אלומיניום, מחיר הטחנת יהיה תלוי רק בחומר. הפחתת עלויות תלויה במיכון. כרגע יש לי את מה שיש לי... אני יכול להעמיד למכירה כמה עשרות טחנות רוח שקטות, נטולות אינרציה, עם ארבעה להבים, עשויות נייר וסרט שיכולים לנוע נגד הרוח. העלות היא מתחת לעלות, בהפסד. אבל בהיותו זקן בן 70 שנה, אפילו כמה אלפי רובל לפנסיה סוציאלית, אני חושב, לא יהיו מיותרים...