Puteți calcula și construi propriul sistem eolian!

turbinele eoliene

În 1976, un inventator și autor englez, Derek Howell, a declarat că, dacă o turbină eoliană ar fi plasată deasupra fiecărui stâlp electric, ar produce aproximativ de două ori mai multă energie decât centralele care o alimentează. Rețeaua de transport a energiei electrice ". Aceasta este una dintre ideile care până în prezent nu este folosită pe scară largă în practică, dar arată care sunt posibilitățile acestui mod de a obține energie. Schemele discutate mai jos au fost implementate de entuziaștii din Anglia în anii 70 și astfel de generatoare eoliene sunt posibile de construit de către orice amator educat sau cel puțin o echipă. Însă însăși ideea de captare a energiei eoliene este mult mai veche - în Egipt (în jurul orașului Alexandria) se păstrează rămășițele morilor de vânt de tip tambur, care datează din jurul secolelor II-I î.Hr. Trecând prin unele îmbunătățiri, după mijlocul secolului al XIII-lea, astfel de turbine eoliene s-au răspândit în Europa de Vest - Danemarca, Olanda, Anglia.

După cum se știe, vântul este aer rece care vine în locul aerului cald care a crescut ca urmare a soarelui. Viteza vântului este cea mai mare atunci când bate puternic deasupra solului, deoarece în straturile inferioare mișcarea sa este încetinită prin frecare cu suprafața pământului. Este clar că întreaga putere a vântului poate fi utilizată doar la o anumită înălțime deasupra solului. Figura de mai jos ilustrează acest punct și arată locurile potrivite pentru amplasarea unei turbine eoliene după cum urmează:

- prelungire sau turn. Acoperișul clădirilor nu este un loc suficient de potrivit, deoarece turbinele eoliene produc un zgomot neplăcut. Cu toate acestea, dacă veniți cu o modalitate de a le opri noaptea, motorul poate fi montat pe acoperiș.
- pe creasta unui deal mic, pe un turn de peste 5 m înălțime.
- în locuri unde nu există obstacole - clădiri sau bușteni de copaci.
- pe un stâlp sau turn - de preferință cu o înălțime mai mare de 15 m.

Vântul dezvoltă o viteză „maximă” la 50 m deasupra solului. Figura arată ca procent din această valoare viteza vântului la o altitudine mai mică. Pierderea este mai mare decât pare, deoarece la viteza de două ori mai mică puterea scade de opt ori
1 - funcționează bine, dar zgomotos; 2 - turn cu înălțimea de 5 m, situat pe un deal - 90%; 3 - turn cu înălțimea de 25 m - 85%; 4 - arborele nu este potrivit; 5 - clădire cu o înălțime de 15 m și un turn de 3 m - 75%; 6 - turn cu o înălțime de 5 m - 50%

În majoritatea părților lumii există suficient vânt, a cărui energie merită adunată. Iarna, vânturile de vest traversează o mare parte din Europa, iar în alte anotimpuri există vânturi locale.

Vânturile sunt relativ constante și pot fi prezise mai ușor decât alte manifestări ale dezastrelor naturale. Aceștia răspund foarte bine nevoilor de energie umană, deoarece sunt cele mai puternice în timpul iernii. În acest sens, ele completează perfect radiația solară, care slăbește semnificativ iarna.

Figura de mai jos prezintă graficul energiei eoliene. Liniile din grafic arată cantitatea de energie eoliană la viteze diferite pentru fiecare lună a anului. Concluzia este irelevantă, deoarece turbinele eoliene rareori pornesc la viteze atât de scăzute ale vântului. Linia de sus are, de asemenea, o valoare mică, deoarece majoritatea motoarelor sunt oprite la viteze ale vântului peste 51 km/h pentru a evita deteriorarea.

Energia produsă pentru fiecare lună la o viteză diferită a vântului de la o suprafață de 1 m 2 (descrisă de o elice cu lungimea de 1,1 m). Energia totală este dată de linia superioară a graficului.

Graficul arată că în septembrie energia eoliană este de obicei slabă, ceea ce se datorează vitezei reduse a vântului - de la 6 la 11 km/h. La viteze de 13-19 km/h, vântul are suficientă energie pentru a genera 15 kWh pe lună de la 1 m 2 din suprafața descrisă de elice, sau aproximativ 0,5 kWh pe zi. Graficul arată, de asemenea, că, cu o viteză a vântului cuprinsă între 20 și 29 km/h, se generează o cantitate suplimentară de 32 kWh pe lună etc., până când se ajunge la suma totală pentru toate vânturile în timpul lunilor. Pentru luna septembrie această valoare este de 67 kWh minus 4 kWh pentru vântul cu viteza cea mai mică, ceea ce nu este util.

Adăugând 107 kWh pentru ianuarie, 97 pentru februarie etc., veți obține puțin mai mult de 900 kWh pentru an. Dar, ca și în cazul radiațiilor solare, există pierderi aici, deci în cel mai bun caz vă puteți baza doar pe 60%. din energia eoliană. În plus, unitatea, oricât de perfectă din punct de vedere tehnic, va avea o eficiență de aproximativ 70%. În cele din urmă, cei 900 de kilowați-oră au scăzut rapid la 540 și apoi la 380.

Când cercetați factorii meteorologici din zona dvs., veți constata că vânturile de peste 16 km/h suflă cel puțin 2 sau 3 zile în fiecare săptămână. Cea mai mică viteză a vântului la care energia sa poate fi captată este de 10 km/h și este adesea numită „viteza de pornire”. Vânturile predominante între 10 și 20 km/h livrează o cantitate minimă, în timp ce „vânturile energetice” care suflă între 20 și 40 km/h sunt surse solide. Când viteza vântului depășește 50 km/h, majoritatea motoarelor se opresc automat până când viteza scade. Există sisteme avansate care funcționează chiar și în cele mai puternice vânturi.

Dacă aveți date detaliate despre diferitele viteze ale vântului în zona dvs., puteți determina puterea dezvoltată de un motor cu o dimensiune dată a elicei folosind tabelul 1 de mai jos, după care cantitatea totală pentru o lună poate fi obținută prin adăugarea diferitelor viteze ca prezentată în a doua figură. Dacă știți viteza medie a vântului în zona dvs., puteți converti informațiile în cantitatea de energie așteptată pentru fiecare lună folosind un tabel. 2. Kilowatt-orele date sunt cantitatea reală pe care o veți primi la k. n. e. din generator 75%. Aceasta înseamnă că cei peste 380 kWh pe an de la 1 m2 de suprafață activă vor fi reduși la 285 kWh.

Masa. 1. Energie mecanică pe kilowatt-oră pe carne produsă de elice de diferite diametre la viteze diferite ale vântului


Masa. 2. Cantitatea de energie electrică pe kilowatt-oră pe lună produsă de generatori de putere diferită la viteze medii diferite ale vântului

Există următoarea relație între cele două tabele. Primul arată că o elice cu diametrul de 1,8 m, cu o viteză constantă a vântului de 16 km/h, va produce 42 kWh de energie mecanică într-o lună. Dacă această energie este utilizată pentru a acționa un generator, se vor produce 32 kWh (cu o eficiență de 75%) de energie electrică. Deoarece al doilea tabel arată că 35 kWh este produs într-o lună din vânturi de 16 km/h și un generator cu o putere de 0,5 kW, rezultă că este necesară o elice cu un diametru de 1,8 t pentru acest generator. La viteze medii mai mari ale vântului în această zonă, o elice mai mică va fi suficientă pentru un generator de aceeași dimensiune.

Odată ce avem o idee generală a vântului și a proprietăților sale, ne putem uita la diferitele tipuri de turbine eoliene.

Turbinele eoliene sunt împărțite în două grupe principale: arbore orizontal și vertical. Figura de mai jos prezintă principalele tipuri de motoare cu arbore orizontal. În partea de sus vedem un "ventilator englezesc" cu motor cu vânt "cu multe pale", care este ușor de acționat la viteze reduse ale vântului, rotorul său se rotește relativ lent - de la 100 la 200 rpm, iar eficiența sa este adesea sub 50% este de tip "mediteranean" cu un rotor de 4 sau 6 lame realizate din triunghiuri de prelată întinse cu o frânghie care trece succesiv prin fiecare lamă. Rotorul este un hibrid din cele două tipuri anterioare, realizat din prelată înfășurată în jurul fasciculului principal și strâns cu o frânghie paralelă cu grinda.se adaugă o a treia pentru a asista conducerea.

Principalele tipuri de turbine eoliene cu ax orizontal. Rotorul lor trebuie să fie direcționat către vânt pentru a dezvolta o putere maximă: 1 - tip "ventilator"; 2 - tip mediteranean; 3 - tip olandez; 4 - tastați „vela navei”; 5 - tip "elice" cu două sau trei aripioare

Acestea sunt cele cinci tipuri principale, aranjate în funcție de numărul de lame - prima cu un maxim și ultima cu un număr minim. Când numărul de lame este maxim, la viteze reduse ale vântului, rotorul este cel mai ușor de pornit, dar se rotește cel mai lent și are cea mai mică eficiență - aproximativ 50%. Rotorul cu două palete este cel mai dificil de condus, dar se rotește la cea mai mare viteză - până la 500 rpm și are cea mai mare eficiență - aproape 70%.

Trecem la celălalt tip de motoare eoliene relativ necunoscute, deoarece acestea nu sunt conectate la morile noastre de vânt scumpe - motoare cu arbore vertical (figura de mai jos). Principalul dezavantaj al acestui tip de motoare este eficiența lor scăzută datorită faptului că o jumătate a rotorului se mișcă împotriva vântului. Aceasta înseamnă că această jumătate nu are nicio cotă în colectarea de energie și întreaga instalație poate fi eficientă cu cel puțin 50%. De fapt, întrucât jumătatea rotorului cu mișcare a vântului ia întotdeauna parte din eficiența jumătății care colectează energie, eficiența generală este de aproximativ 40%. Cu toate acestea, turbinele eoliene verticale au avantaje și sunt utilizate.

Motoarele de vânt cu arbore vertical funcționează fără a fi influențate de direcția vântului: 1 - cadru; 2 - Elice de Savonie; 3 - arbore; 4 - generator sau pompă; 5 - cerc Darius; 6 - suport

Capătul superior al figurii prezintă popularul "elice Savonian", un dispozitiv surprinzător de simplu din punct de vedere al construcției, discutat în cap. 2. În partea de jos a figurii se află „cercul Darius” - un alt dispozitiv simplu. Acest dispozitiv a fost brevetat de inventatorul francez Darius la începutul anilor 1900. Brevetul a expirat, desigur, iar acum motorul poate fi fabricat de oricine dorește.

Cercul este activat de o viteză foarte mică a vântului și, deși este mare (diametru 5 m), produce doar o cantitate modestă de energie adecvată pentru a fi folosită în casă la o viteză a vântului de aproximativ 25 km/h. Cu toate acestea, configurația sa este elegantă și atractivă.

Acest dispozitiv are aproape cea mai mică eficiență dintre toate cele șapte care au fost revizuite. Un cerc cu un diametru de 5 m ocupă o suprafață mai mică de 20 m și, în unele cazuri, acest motor poate fi acceptabil.

Spre deosebire de turbinele eoliene orizontale, turbinele eoliene verticale funcționează la fel de bine, indiferent unde suflă vântul, fără a fi nevoie să le direcționeze pentru a fi eficiente. În plus, mișcarea de rotație poate fi transmisă foarte ușor - arborele este extins și atât. În acest fel, pompa sau generatorul pot fi montate în partea inferioară a turnului, ca urmare a cărei masă concentrată în partea superioară este redusă și generatorul este protejat de precipitații. O altă complicație care există în construcția unei turbine eoliene orizontale este evitată. Aici, firele care transmit electricitatea pot fi direcționate direct. Motorul orizontal se rotește în vânt împreună cu generatorul, datorită căruia curentul electric curge prin inele speciale de contact pentru a evita înfășurarea firelor în jurul turnului. Aceste inele sunt asociate cu costuri suplimentare și reprezintă o sursă potențială de daune.

În cele din urmă, să ne concentrăm pe cel mai bun mod de a folosi mișcarea de rotație.

Viteza de rotație a turbinelor eoliene considerate nu este suficient de mare pentru generatoarele electrice obișnuite. Rotoarele cu multe lame se rotesc cu o viteză de 100 până la 200 și cu două lame - până la 500 rpm. Majoritatea generatoarelor de curent continuu și de curent alternativ funcționează la viteze mult mai mari. Generatorul mașinii începe să producă energie la 700 rpm, iar modul său normal de funcționare este la o viteză de la 1500 la 3000 rpm. Această nepotrivire a vitezelor necesită amplasarea unui reductor între arborele acționat de vânt și generator. În cazul rotoarelor cu două palete, cutia de viteze trebuie să aibă un raport de transmisie de 3 până la 10, iar pentru rotoarele cu mai multe lame - de la 8 la 30. Deoarece cutia de viteze face dificilă pornirea unora dintre cele mai rapide rotații rotative, a fost necesară dezvoltării unei metode de oprire a sarcinii electrice sau mecanice înainte ca viteza de rotație să atingă o anumită valoare.