Kinetikus szélgenerátor: felépítés, működési elv, alkalmazás

A modern kinetikus szélgenerátor lehetővé teszi a légáramlatok erejének felhasználását, átalakítva azt elektromos árammá. E célra gyári és házilag készített készülékmodellek léteznek, amelyeket az iparban és a háztartásokban egyaránt alkalmaznak.

Elmondjuk, hogyan épülnek fel az ilyen típusú szélturbinák, bemutatjuk a készülék jellemzőit és a szerkezeti változatokat. A cikkünkben ismertetjük a szélenergetikai berendezés gyenge és erős oldalait. Az önálló barkácsolók nálunk hasznos kapcsolási rajzokat és szerelési javaslatokat találnak.

A szélgenerátor működési elve

A szélgenerátor működésének alapja a szél kinetikus energiájának a forgórész mechanikus energiájává történő átalakítása, amelyet ezután villamos energiává alakítanak.

A működési elve meglehetősen egyszerű: a készülék tengelyére rögzített lapátok forgása körkörös mozgást idéz elő a forgórész-generátorban, aminek következtében elektromos áram termelődik.

A szélenergia a megújuló energiaipar egyik legígéretesebb ágazata. A modern konstrukciók gazdaságosan képesek hasznosítani a légáramlások erejét villamosenergia-termelésre.

A keletkező instabil váltóáram a vezérlőbe áramlik, ahol egyenfeszültséggé alaktíják, amely képes feltölteni az akkumulátorokat. Innen a tápellátás az inverterbe jut, ahol 220/380 V-os váltófeszültséggé alakul, amit a fogyasztókhoz juttatnak.

A szélgenerátor teljesítménye közvetlenül függ a légáramlás teljesítményétől (N), amelyet az N=pSV³/2 képlet alapján számítanak ki, ahol V a szélsebesség, S a munkafelület, p a levegő sűrűsége.

A szélgenerátor felépítése

A szélgenerátorok különböző változatai jelentősen eltérnek egymástól.

A bemutatott vázlaton egy hagyományos, vízszintes tengelyű szélgenerátor belső felépítése látható. Az ilyen modelleket leggyakrabban mind az iparban, mind a háztartásokban használják.

Az ipari berendezések bonyolult, több méter magas szerkezetek, amelyek telepítéséhez alapozás szükséges, míg a háztartási modell minimális komponensekből állhat (3-12 V-os egyenáramú motor, 1000 µF 6 V-os elektrolitkondenzátor, szilícium egyenirányító dióda).

A tipikus berendezés a következő részegységeket tartalmazza:

• váltóáramú generátor (teljesítménye a szélsebességtől függ);
• lapátok, amelyek a forgást továbbítják a generátor tengelyére (gyakran kiegészítik sebességváltókkal, forgórész-fordulat-stabilizátorokkal);
• a szélkerék árbóca, amelyhez a lapátok rögzítve vannak (minél magasabban helyezkednek el ezek az elemek, annál több szélenergiát tudnak hasznosítani);
• akkumulátorok, amelyek felhalmozzák az energiát, lehetővé téve annak használatát kis szélerősség vagy teljes szélcsend esetén. Az akkumulátor stabilizáló funkciót is ellát a generátorból érkező villamos energia számára;
• vezérlő – a generátorból kapott váltófeszültséget egyenfeszültséggé alakítja, amely az akkumulátor töltésére szolgál. A vezérlő irányítása a lapátok elforgatásával történik, lehetővé téve a légáramlások irányának figyelembe vételét;
• automatikus átkapcsoló (ATSZ) – az automatikus átkapcsoló berendezés, amely a szélgenerátort más energiaforrásokkal (napelemekkel, villamos hálózattal) köti össze;
• szélirány-érzékelő – olyan műszer, amely megkönnyíti a lapátok széláramlás keresését;
• inverter az akkumulátorokból származó egyenáram váltófeszültséggé alakítására, amelyet az elektromos készülékekben használnak.

A felhasználói igények teljesebb kielégítése érdekében a készülék különféle invertertípusokkal szerelhető fel:

• Módosított szinuszhullámú inverterrel ellátott eszközök, amelyek négyszögletes szinuszhullámot adnak ki. Az ilyen típusú készülékek alkalmasak fűtőszálakhoz, izzólámpákhoz és más, a hálózati minőségre nem érzékeny eszközökhöz;
• Háromfázisú feszültségű inverterek, háromfázisú elektromos hálózatokhoz;
• Tiszta szinuszhullámú berendezések, amelyek érzékenyebb berendezések számára állítanak elő energiát;
• Hálózati inverterek, amelyek akkumulátorok nélkül is képesek működni. Az ilyen készülékek olyan rendszerekhez valók, ahol az elektromos energia közvetlenül a közös hálózatba kerül.

A modellek kiválasztásakor feltétlenül figyelni kell az inverter típusára.

A szélgenerátorok típusai

A szélturbinák osztályozásánál olyan jellemzőket vehetnek figyelembe, mint:

• rendeltetés;
• szerkezeti jellemzők;
• lapátok száma;
• az anyagok, amelyekből készültek;
• forgástengely;
• csavar emelkedése.

Vizsgáljuk meg részletesen a két leggyakrabban használt osztályozást.

A szélgenerátorok osztályozása rendeltetés szerint

Különböző rendeltetésű szélerőmű-típusokat különböztetnek meg. Ez határozza meg a készülékek alapvető jellemzőit is, például a teljesítményt.

Ipari szélturbinák

Az ilyen berendezéseket nagy energiacégek vagy az állam telepíti ipari létesítmények áramellátására. A több tíz megawatt teljesítményű turbinák általában szélterületeken (nyílt magaslatokon, partvidékeken) helyezkednek el.

Azok a szélparkok, ahol több tucat szélturbinát telepítenek, nemcsak a szárazföldön, hanem sekély vízben is létrejönnek. A kapott áramot általában ipari célokra használják.

A megtermelt villamos energia általában közvetlenül a hálózatba kerül, miközbén a stabilítás és a lapátok forgási sebességének szabályzásá érdekében a szélturbinákat tóvábi mechanizmusokkal látják el.

Kereskedelmi szélgenerátorok

Az ilyen berendezéseket villamos energia előállítására használják eladásra, vagy olyan régiókban lévő termelőegységek áramellátására, ahol gyenge az elektromos hálózat (vagy teljesen hiányzik). Az ilyen szélerőművek különböző teljesítményű elektromos generátorok csoportosulásából állnak.

A kereskedelmi berendezések energiája közvetlenül az elektromos hálózatba kerülhet, vagy használható nagyméretű akkumulátorteleepék töltésére, ahol felhalmozódik és átalakítás után az energiaellátó rendszerbe kerül.

Háztartási szélenergiá-berendezések

Kis teljesítményű egységeket magáncolú használatra alkalmaznak. A szabályok szerint a 25 méternél alacsonyabb árbocú szélkerekeket a telektulajdonosok a hatóságokkal való egyzetés nélkül is telepíthetik, a magasabb árbocokhoz külön engedély szükségs.

A gyenge és közepes teljesítményű szélturbinák elektromos energiaforrásként szolgálhatnak nyaralók, hétvégi házak, vidéki házak, mezőgazdasági üzemek számára.

A háztartási szélgenerátorok alkalmasak 12/24/48 V feszültségű akkumulátorok töltésére, amelyekből az energia 220 Voltos feszültséggé alakul. Az ilyen eszközök lehetővé teszik, hogy teljesen vagy részben megoldják a központi elektromos hálózattól távol eső kis objektumok áramellátásának problémáját.

A szélgenerátor kiválasztásának irányelveiről, amely egy magánház energiaellátását szolgálja, tájékoztat a cikk, amely ezzel az érdekes kérdéssel foglalkozik.

A szélturbinák szerkezeti változatai

A szerkezeti sajátosságok alapján az eszközök szintén számos kategóriába sorolhatók, bár az összes változat két fő típusra vezethető vissza: függőleges és vízszintes.

Klasszikus vízszintes szélgenerátorok

Az ilyen berendezéseket (más néven propelleres vagy lapátos típusúak) általában 3-5, vízszintes tengelyre szerelt lapáttal rendelkeznek. Nagy sebességgel forogva ezek az elemek lehetővé teszik a maximális energia kinyerését (a teljesítménytényező akár 0,4 is lehet).

Emellett a megtermelt villamos energia mennyisége nagymértékben függ a berendezés magasságától (minél magasabb, annál nagyobb az eredmény).

A vízszintes szélgenerátor a felhajtóerőt használja ki, amely akkor keletkezik, amikor a nyomás megnő azon a ponton, ahol a közvetlen légáram áthalad a lapátokon, visszaverődve ezekről az elemekről.

Az ilyen berendezéseket általában szélparkokban telepítik, ahol ipari és kereskedelmi célú energiát termelnek, azonban háztartási használatra is alkalmasak.

A vízszintes szélturbina érdekes megoldása az egy lapáttal rendelkező modell, amelynek jellemzőit az alábbi fotóválogatás ismerteti:

Függőleges szélturbinák

Az ilyen berendezések működő eleme a forgó szélkerék. A szerkezeti sajátosságok miatt az ilyen konstrukciók típusok szerint különböznek („Bocska”, „Savonius”).

A Savonius függőleges generátor turbínájának felépítésének elvét a következő fényképválogatás mutatja be:

Az alacsony KIÉV (0.1-0.2) ellenére meglehetősen széles körben alkalmazzák őket: a függőleges berendezések turbulens légáramlásokban működnek, így akár olyan területeken is elhelyezhetők, ahol ritkán fújnak erős szélek.

A függőleges szélgenerátorok működése nem függ a szél irányától. Könnyen telepíthetők és karbantarthatók, ráadásul az ilyen eszközöket a föld közelében is el lehet helyezni.

A függőleges szélmalmok hatékonyságának növelése érdekében a gyártók gyakran növelik méretparamétereiket, ami a költség jelentős növekedéséhez vezet. Mivel az ilyen berendezések meglehetősen törékenyek, fokozott védelmet igényelnek a hurrikánokkal és más természeti jelenségekkel szemben.

„Darrieus-rotoros szélgenerátorok”

Az ilyen eszközök a függőleges szélturbinák kategóriájába tatoznak, azonban szerkeztükben kifejezett eltéések vannak. Ezen sajátosságok köszönhetően csöken a zaj, valamint nő a KIEV (teljesítményEgüttható), aMDEL meközelíti a vízszintes modellek éttékeit.

Az 1931-ben Georges Darrieus francia repülőgép-tervező által jvasolt, alacsony nymású, levegőre meerőleges forgástengelyű turbina széles körben elterjedt a szélenergiában.

Az ilyen szerkezek hátánya az alacsony indítónymaték (mivel csak két lapát van, az eszköz nehezen indul önállóan). A probléma megoldására gyakran hsználják a „Savonius+Darrieus” hibridet.

Vitorlás szélberendezések

Az ilyen berendezéseknél alkalmazható a függőleges és a vízszintes szélturbinák elve. A fő szerkezti jellemző a töb lapáttal vagy vitorlával borítt szélkerék, amelynál ezek a modellek nem rendelkeznek aerodinamikai profillal.

Számos vitorlás szélgenrátor modell létezik, amlyek a lapátok számában, súlyában és teljesítményében külnböznek. Ezeket a paraméteket figyelembe kell venni a készülék kiválasztásakor.

Annak ellenére, hgy a vitorlás berendezések lassú járásúak és kis hatásfokúak, gyakran használják őket a népazdaságban. Az ilyen szerkezetek könnyen szerelhetők és üzemeltethetők, a nagy nyomaték és az alacsony fordulatszám kombinációja pedig lehetővé teszi különféle hasznos mechanizmusok, például vízszivattyúk közvetlen meghajtását.

A következő galéria bemutatja az egyik gyakorlatban megvalósított vitorlás szélturbina-modellt.

Generátor szélturbinához

A szélturbinák működéséhez szokványos háromfázisú generátorokra van szükség. Az ilyen eszközök felépítése hasonló az autókban használt modellekhez, de nagyobb paraméterekkel rendelkezik.

A szélturbinák készülékeiben háromfázisú sztátor tekercselés található (csillag kapcsolás), ahonnan három vezeték megy a vezérlőre, ahol a váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé alakítják át.

A szélturbina generátorának rotora neodímium mágnesekből készül: az ilyen szerkezeteknél nem célszerű elektromos gerjesztést használni, mivel a tekercs sok energiát fogyaszt.

A fordulatszám növeléséhez gyakran alkalmaznak multiplikátort. Ez az eszköz lehetővé teszi a meglévő generátor teljesítményének növelését vagy kisebb méretű berendezés használatát, ami csökkenti a telepítés költségét.

A multiplikátorokat gyakrabban alkalmazzák a függőleges szélturbinákban, amelyeknél a szélkerék forgása lassabb. A nagy lapátfordulatszámú vízszintes berendezéseknél nincs szükség multiplikátorra, ami egyszerűsíti és olcsóbbá teszi a szerkezetet.

A szélturbina mosógépből és a szélenergia-berendezés autógenerátorból történő összeszerelésének és telepítésének sajátosságait részletesen ismertetjük az általunk ajánlott cikkekben.

A szélgenerátor előnyei és hátrányai

Tekintsük át részletesen a szélturbinák előnyeit és hátrányait, hiszen ezek döntik el, hogy beszerezzük-e a szélkereket, vagy lemondunk róla.

A széleszközök előnyei

A szélenergiát hasznosító berendezések előnyei közé tartoznak:

• Környezetbarát. A berendezések megújuló energiaforrást használnak, amely folyamatosan használható anélkül, hogy károsítaná a környezetet. A szélturbinák által termelt villamos energia helyettesíti a hőerőművek energiáját, csökkentve az üvegházhatású gázok kibocsátását.
• Sokoldalúság. A szélenergia-erőművek szinte bárhol felépíthetők: síkságokon, hegyekben, mezőkön, szigeteken és még sekély vízben is. A szélenergia különösen értékes a távoli helyeken, ahová nehéz kiépíteni a szokásos elektromos hálózatot. A szélturbinák ebben az esetben lehetővé teszik a létesítmények energiaellátásának megszervezését, biztosítva azok függetlenségét a véletlenszerű tényezőktől (például a késve szállított üzemanyagtól).
• Hatékonyság. A modern modellek még a gyenge szelek energiáját is hasznosítják – a minimális határ 3,5 m/s. Ily módon kiegészítő villamos energiát lehet szolgáltatni a központi hálózatba, valamint megszervezhető egyes létesítmények (szigeti vagy helyi) áramellátása, függetlenül azok teljesítményétől.
• Méltó alternatíva a hagyományos forrásokhoz képest. A helyhez kötött szélenergia-erőművek teljes mértékben elláthatják árammal egy lakóházat vagy akár egy kisebb termelő létesítményt. Ebben az esetben a turbina felhalmozza az akkumulátorokban a szükséges villamosenergia-készletet, amely a szélcsendes időszakokban való használatra szolgál.
• Gazdaságosság. A hagyományos villamosenergia-forrásokhoz (gáz, tőzeg, kőszén, olaj) képest a szélturbinák jelentősen csökkenthetik az energiaköltségeket. Sok esetben egy szélerőmű megépítése olcsóbb, mint a meglévő energiarendszerekhez való csatlakozás.

A szélkerekek alkalmazása alternatívája lehet a drága dízelgenerátorok használatának, továbbá akár 80%-kal csökkentheti az üzemanyag szállítási és tárolási költségeit.

A szélturbina átlagos teljesítménye többszörösen eltér a csúcsterhelés értékétől. A szélgenerátor csak az adott területre jellemző havi átlagos szélsebesség mellett, meghatározott időtartam alatt megtermelt energia mennyiségéért felel.

A szélenergia-források pontosabb értékeléséhez felhasználhatja a speciálisan levezetett adatokat (Weibull-paraméterek). Ezek a mutatók az adott területre jellemző, különböző erősségű szelek eloszlását tükrözik. Az ilyen információkat fontos figyelembe venni a több tíz MW teljesítményű szélparkok projektjeinek kidolgozásakor.

A szélturbina által termelt teljesítmény arányos a szélsebesség háromszorosával. Következésképpen ez az érték nagyon kicsi gyenge széláramlások esetén, azonban erősödésükkor – hirtelen megnő. A szélirány és a szélsebesség változékonysága miatt a szélturbina konstrukciójában stabilizáló elemeket kell előirányozni.

A szélgenerátor teljesítményének kiszámításához szükséges szabályok és képletek itt találhatók, javasoljuk, hogy ismerkedjen meg ezzel a nagyon hasznos információval.

Kis autonóm rendszerekben ezt a funkciót az akkumulátorok látják el, amelyek töltése növekedni kezd, amint a szélgenerátor teljesítménye meghaladja a terhelés értékét.

A terhelés növekedésekor az akkumulátor lemerülhet. Ezt a működési sajátosságot fontos figyelembe venni a háztartási egység kiválasztásakor, a teljesítményének meg kell egyeznie a havi vagy éves villamosenergia-fogyasztási normával.

Meg kell jegyezni, hogy a széláramlások hatékony alkalmazását a szélgenerátorok konstrukcióinak sokfélesége segíti elő.

A vízszintes turbinák magas teljesítményt nyújtanak a sík, sok szelet kapó területeken, míg a függőleges turbinák jobban működnek a talaj közelében (dombok tetején, hegygerinceken) megfigyelhető turbulens áramlású régiókban.

A szélturbinák fő hátrányai

Ugyanakkor a szélkerekeknek is vannak negatív oldalai:

• A szél erejét nehéz előre megjósolni, mivel gyakran változik. Emiatt érdemes előre átgondolni egy biztonsági tartalékot, és duplikált energiaforrást (napelemeket, hálózati csatlakozást) biztosítani.
• A függőleges berendezéseknél fennáll a forgórész lapátjainak tönkremenetelének veszélye a centrifugális erők hatása miatt, amikor a lapátok a főtengely körül forognak. Ennek a hatásnak köszönhetően a fontos szerkezeti elemek idővel deformálódnak és tönkremennek, a mechanizmus pedig meghibásodik.
• A szélkerekeket jobb szabad térben telepíteni, mivel a közeli épületek „csillapíthatják” a szelet, „holt” légzónát képezve.
• A szélturbinák többletenergiájának tárolásához a konstrukcióban akkumulátorokat és más kiegészítő berendezéseket kell alkalmazni, amelyek a megtermelt elektromosságot a fogyasztói igényeknek megfelelő árammá alakítják.
• Működés közben a szélgenerátorok zajt bocsátanak ki, ami kényelmetlenséget okozhat az embereknek, és elriasztja az állatokat. A berendezések lapátjai a hozzájuk repülő madarak pusztulását is okozhatják.
• Egyes szakértők szerint a szélturbinák ronthatják a rádió- és televízióadások vételét.

A negatívumok közé sorolható az ilyen berendezések meglehetősen magas ára is, azonban az energiaforrás olcsósága nagymértékben ellensúlyozza ezt a tényezőt.

Kapcsolási rajzok és csatlakoztatási módok

Bár a szélberendezés önállóan is működhet, lényegesen jobb eredmény érhető el kombinált sémák segítségével, amelyek a szélberendezés és napelemek, központi elektromos hálózat, valamint dízel- vagy gázenergia-források kombinációját foglalják magukban.

Önálló működés. Ebben az esetben egyetlen berendezést helyeznek üzembe, amellyel a szélenergiát felfogják és tárolják, majd azt a fogyasztók számára szükséges elektromos árammá alakítják.

Az ábra a szélgenerátor legegyszerűbb alkalmazási módját mutatja be, amelyet azokban a régiókban érdemes használni, ahol folyamatosan erős szelek fújnak.

Szélgenerátor és napelemek együttes használata. A kombinált megoldás megbízható és hatékony áramellátási módnak számít. Szél hiányában az akkumulátor a napelemekről töltődik, borult időben és éjszaka pedig a szélberendezés végzi a töltést.

Ideális megoldás a központi elektromos hálózattól távol eső magánházak vagy gazdaságok számára. Ez a kombinált séma lehetővé teszi két megújuló energiaforrás használatát.

Szélgenerátor és elektromos hálózat kombinált működése. A szélturbina összekapcsolható az elektromos hálózattal.

Ez a séma tipikus az ipari és kereskedelmi berendezéseknél. Az elektromos hálózathoz való csatlakozást egyes háztartási szélgenerátor-modellek is lehetővé teszik.

A megtermelt villamos energia feleslege a központi hálózatba kerül, hiány esetén pedig lehetőség van a közös energiaellátó rendszerből származó áram használatára.

A szélgenerátorok alkalmazásának részletei

Napjainkban a szélturbinákat a népgazdaság különböző területein használják. A különböző teljesítményű ipari modelleket olaj- és gázipari, távközlési vállalatok, fúró- és geológiai kutatóállomások, termelő létesítmények és kormányzati intézmények alkalmazzák.

A szélkerék kiegészítő energiaforrásként használható kórházakban és más intézményekben, hogy vészhelyzetekben biztosítsa a folyamatos áramellátást.

Külön ki kell emelni a szélenergia-berendezések fontosságát a katasztrófák és természeti csapások során megszakadt áramellátás gyors helyreállításában. Ebből a célból a szélgenerátorokat gyakran használják a MCSZ egységei.

A háztartási szélturbinák kiválóan alkalmasak üdülőtelepek és magánházak világításának és fűtésének megszervezésére, valamint gazdasági célokra a farmokon.

Ehhez néhány szempontot figyelembe kell venni:

• Az 1 kW-ig terjedő készülékek csak szeles helyeken képesek elegendő villamos energiát termelni. Az általuk termelt energia általában csak a LED-világításhoz és kis elektronikus eszközök táplálásához elegendő.
• Ahhoz, hogy egy nyaralót (vidéki házat) teljesen ellássunk árammal, 1 kW-nál nagyobb teljesítményű szélgenerátorra van szükség. Ez a teljesítmény elegendő a világítótestek, valamint a számítógép és a televízió táplálásához, de nem elegendő egy éjjel-nappal működő modern hűtőszekrény áramellátásához.
• Egy családi ház energiaellátásához 3-5 kW teljesítményű szélkerékre van szükség, de még ez sem elegendő a házak fűtéséhez. Egy ilyen funkció használatához erősebb változatra van szükség, legalább 10 kW-tól.

A modell kiválasztásakor figyelembe kell venni, hogy a készüléken feltüntetett teljesítményérték csak maximális szélsebesség mellett érhető el. Így egy 300 W-os berendezés csak 10-12 m/s légáramlási sebességnél termeli a megadott mennyiségű energiát.

Azoknak, akik saját kezűleg szeretnének szélgenerátort építeni, ajánljuk a következő cikket, amelyben részletes hasznos információk találhatók.

Következtetések és hasznos vidéó a témából

Az alábbi videóban részletes információ található a háztartási szélgenerátor modell működési elvéről és felépítéséről.

A szélgenerátor kiváló villamos energiaforrás, amelyet a távoli helyeken élők különösen értékelni fognak. Különböző orosz és külföldi vállalatok a szélenergia-berendezések széles választékát kínálják, emellett a háztartási modellek saját kezűleg is elkészíthetők.

Kérem, írjon kommenteket az alábbi blokkban. Meséljen arról, hogyan épített szélgenerátort a telkén, vagy arról, hogyan működik a szélkerék a szomszédainál. Tegyen fel kérdéseket, osszon meg hasznos információkat és fényképeket a témában.