Анатомия на вятърните генератори

През 1976 г. един английски изобретател и автор, Дерек Хауъл (Derek Howell), заявява, че "Ако на върха на всеки електрически стълб се постави вятърен двигател, ще се получи приблизително два пъти по-голяма мощност от тази на електроцентралите, които захранват електропреносната мрежа". Това е една от идеите, които до ден-днешен не се прилагат особено широко на практика, но показват какви са възможностите на този начин за получаване на енергия. Разгледаните по-долу схеми са реализирани от ентусиасти в Англия още през 70-те г. и такива вятърни генератори са възможни за построяване от всеки образован любител или поне екип. Самата идея за улавяне енергията на вятъра обаче е много по-стара – в Египет (около гр. Александрия) са съхранени останки от вятърни мелници барабанен тип, които се датират около ІІ-І в. пр. Хр. Преминавайки през някои усъвършенствания, след средата на ХІІІ век, такива вятърни устройства получават широко разпространение в Западна Европа – Дания, Холандия, Англия...

Както се знае, вятърът е студен въздух, който идва на мястото на горещ, издигнал се нагоре в резултат на слънчевото греене. Скоростта на вятъра е най-висока, когато духа високо над земята, тъй като в ниските слоеве движението му се забавя от триенето със земната повърхност. Ясно с, че пълната мощност на вятъра може да се използва само на известна височина над земята. На долната фигура този момент е илюстриран и са посочени местата, подходящи за поставяне на вятърен двигател, както следва:

- пристройка или кула. Покривът на сградите не е достатъчно подходящо място, тъй като вятърните двигатели издават неприятен шум. Ако обаче измислите начин за изключването им през нощта, двигателят може да бъде монтиран на покрива.
- на билото на малък хълм, върху кула с височина над 5 m.
- на места, около които няма препятствия - сгради или трупи от дървета.
- на стълб или кула — предпочита се с височина над 15 m.

Вятърът развива "пълна" скорост на 50 m над земята. На фигурата е показана в проценти от тази стойност скоростта на вятъра на по-малка височина. Загубата е по-голяма, отколкото изглежда, тъй като при два пъти по-ниска скорост мощността намалява осем пъти
1 — работи добре, но шумно; 2 — кула с височина 5 m, разположена върху хълм — 90 %; 3 — кула с височина 25 m — 85 %; 4 — дървото не е подходящо; 5 — сграда с височина 15 m и кула 3 m — 75 %; 6 — кула с височина 5 m — 50 %

В повечето страни на света духа достатъчно вятър, чиято енергия си струва да се събере. През зимата западните ветрове кръстосват голяма част от Европа, а през другите сезони има локални ветрове.

Ветровете са относително постоянни и могат по-лесно да се предсказват от другите прояви на природните стихии. Те отговарят много добре на човешките нужди от енергия, тъй като са най-силни през зимата. В това отношение те идеално допълват слънчевата радиация, която значително отслабва именно зимно време.

На фигурата по-долу е показана графиката на вятърната енергия. Линиите в графиката показват количеството енергия на ветрове с различни скорости за всеки месец от годината. Долната линия е без значение, тъй като вятърните двигатели рядко се задействуват при такива ниски скорости на вятъра. Най-горната линия също има малка стойност, тъй като повечето двигатели се изключват при скорост на вятъра над 51 km/h, за да не се повредят.

Произведена енергия за всеки месец при различна скорост на вятъра от повърхнина 1 m² (описана от витло с дължина 1,1 m). Общата енергия се дава от най-горната линия на графиката.

От графиката се вижда, че през септември енергията на вятъра, обикновено е слаба, което се дължи на ниската скорост на ветровете — от 6 до 11 km/h. При скорост от 13 до 19 km/h вятърът има достатъчно енергия, за да се генерират 15 kWh месечно от 1 m² площ, описвана от витлото, или около 0,5 kWh на ден. Графиката показва също, че при вятър със скорост от 20 до 29 km/h се генерира допълнително количество oт 32 kWh месечно и т. н., докато се стигне до общото за всички ветрове количество през месеците. За септември тази стойност е 67 kWh минус 4 kWh за вятъра с най-ниска скорост, която не е полезна.

Като се съберат 107 kWh за януари, 97 — за февруари и т. н., за годината се получават малко повече от 900 kWh. Но както при слънчевата радиация, така и тук има загуби, така че в най- добрия случай може да се разчита едва на 60%. от енергията на вятъра. Освен това агрегатът, колкото и да е съвършен в техническо отношение, ще има ефективност от порядъка на 70%. В крайна сметка 900-те киловатчаса спадат бързо на 540 и след това на 380.

При проучване на метеорологичните фактори във вашия район ще установите, че ветрове със скорост над 16 km/h духат поне 2 или 3 дни всяка седмица. Най-ниската скорост на вятъра, при която може да се улавя енергията му, е 10 km/h и тя често се нарича "скорост на включване". Преобладаващите ветрове със скорост между 10 и 20 km/h доставят минимално количество, докато "енергийните ветрове", носещи се със скорост между 20 и 40 km/h, са солидни източници. Когато скоростта на вятъра надхвърли 50 km/h, повечето двигатели се изключват автоматично, докато скоростта спадне. Съществуват усъвършенствани системи, които работят и при най-силните ветрове.

Ако разполагате с подробни данни за различните скорости на ветровете във Вашия район, можете да определите мощността, развивана от двигател с даден размер на витлото, като използвате дадената по-долу таблица 1, след което може да се получи общото количество за един месец, като се съберат различните скорости, както е показано на втората фигура. Ако знаете средната скорост на вятъра във вашия район, можете да превърнете информацията в очаквано количество енергия за всеки месец, като използвате табл. 2. Дадените киловатчасове са действителното количество, което ще получите при к. п. д. на генератора 75%. Това значи, че посочените по-горе 380 kWh годишно от 1 m2 активна повърхност ще се намалят на 285 kWh.

Табл. 1. Механична енергия в киловатчаса за месен, произвеждана от витла с различен диаметър при различна скорост на вятъра

Табл. 2. Количество електроенергия в киловатчаса за месец, произвеждана от генератори с различна мощност при различна средна скорост на вятъра

Между двете таблици има следната връзка. На първата е показано, че витло с диаметър 1,8 m при постоянен вятър със скорост 16 km/h ще произведе 42 kWh механична енергия за един месец. Ако тази енергия се използва за задвижването на генератор, ще бъдат произведени 32 kWh (при 75% к. п. д.) електрическа енергия. Тъй като във втората таблица е посочено, че 35 kWh се произвеждат за един месец от ветрове със скорост 16 km/h и генератор с мощност 0,5 kW, от това следва, че е необходимо витло с диаметър 1,8 т, за да се задействува този генератор. При по-високи средни скорости на вятъра в този район за генератор със същия размер ще бъде достатъчно по-малко витло.

След като получихме обща представа за вятъра и неговите качества, можем да разгледаме отделните видове вятърни двигатели.

Вятърните двигатели се разделят на две главни групи: с хоризонтален и с вертикален вал. На долната фигура са показани главните видове двигатели с хоризонтален вал. В горния край виждаме "английски“ вятърен двигателен тип "вентилатор с много перки". Той се задвижва лесно при ниска скорост на вятъра. Роторът му се върти сравнително бавно — от 100 до 200 оборота в минута, а ефективността му често е под 50%. До него е "средиземноморският" тип с ротор от 4 или 6 лопатки, направени от брезентови триъгълници, опънати с въже, което преминава последователно през всяка лопатка. Следва "холандският" вятърен двигател, получил широка известност с така необходимото изпомпване на пода от низините на Холандия. Роторът "корабно платно" представлява хибрид от предишните два типа. Изработен е от брезент, увит около основната греда и стегнат с въже, минаващо успоредно на гредата. Накрая идва типът "витло", което обикновено е с две перки, а понякога се прибавя и трета, за да окаже помощ при задвижването.

Основни видове вятърни двигатели с хоризонтален вал. Роторът им трябва да се насочва към вятъра, за да развият максимална мощност: 1 — тип "вентилатор"; 2 — средиземноморски тип; 3 — холандски тип; 4 - тип "корабно платно"; 5 — тип „витло“ с две или три перки

Това са петте основни типа, подредени по броя на лопатките — първият е с максимален, а последният — с минимален брой. Когато броят на лопатките е максимален, при ниска скорост на вятъра роторът се задейства най-лесно, но се върти най-бавно и има най-ниска ефективност — около 50%. Роторът с две лопатки се задвижва най-трудно, но се върти с най-висока скорост — до 500 оборота в минута, и има най-висока ефективност — почти 70%.

Преминаваме към другия вид сравнително непознати вятърни двигатели, тъй като не са свързани със скъпите ни вятърни мелници — двигателите с вертикален вал (фигурата по-долу). Главният недостатък на този вид двигатели е ниската им ефективност поради това, че едната половина на ротора се движи срещу вятъра. Това означава, че тази половина няма дял в събирането на енергия и цялото съоръжение в най-добрия случай може да бъде само 50 % ефективно. Всъщност, тъй като движещата се срещу вятъра половина на ротора винаги отнема част от ефективността на половината, която събира енергия, общата ефективност е около 40% Въпреки това вертикалните вятърни двигатели имат достойнства и се използват.

Вятърните двигатели с вертикален вал работят, без да се влияят от посоката на вятъра: 1 — рамка; 2 — савонско витло; 3 — вал; 4 — генератор или помпа; 5 — обръч на Дариус; 6 — опора

В горния край на фигурата е показано популярното "савонско витло", удивително просто от гледна точка на изработката устройство, разгледано в гл. 2. В долния край на фигурата е "обръчът на Дариус" — друго просто устройство. Това устройство е патентовано от френския изобретател Дариус в началото на 1900 г. Срокът на патента, разбира се, отдавна е минал и сега двигателят може да се произвежда от всеки, който пожелае.

Обръчът се задейства при вятър с много ниска скорост и въпреки че е голям (диаметърът е 5 m), произвежда само скромно количество енергия, подходяща за ползване в жилището при скорост на вятъра около 25 km/h. Конфигурацията му обаче е елегантна и привлекателна.

Това устройство има почти най-ниската ефективност от всичките седем, които бяха разгледани. Обръч с диаметър 5 m заема площ, по-малка от 20 m, и в някои случаи този двигател може да се окаже приемлив.

За разлика от хоризонталните, вертикалните вятърни двигатели работят еднакво добре, независимо накъде духа вятърът, без да е необходимо да се насочват към него, за да бъдат ефективни. Освен това ротационното движение може да се предаде много лесно — удължава се валът и това е всичко. По този начин помпата или генераторът могат да бъдат монтирани в долната част на кулата, вследствие на което масата, съсредоточена в горната част, намалява, а генераторът е защитен от валежите. Избягва се и друго усложнение, което съществува в конструкцията на хоризонталния вятърен двигател. Тук проводниците, по които се предава електроенергията, могат да се изведат директно. Хоризонталният двигател се завърта към вятъра заедно с генератора, поради което електрическият ток протича през специални контактни пръстени, за да се избегне увиването на проводниците около кулата. Тези пръстени са свързани с допълнителни разходи и са потенциален източник на повреди.

И накрая да спрем вниманието си на най-добрия начин на използване на ротационното движение.

Скоростта на въртене на разгледаните вятърни двигатели не е достатъчно голяма за обикновените генератори на електрически ток. Роторите с много лопатки се въртят със скорост от 100 до 200, а с две лопатки — до 500 оборота в минута. Повечето генератори както за постоянен, така и за променлив ток работят при много по-големи скорости. Автомобилният генератор започва да произвежда енергия при 700 оборота в минута, а нормалният му режим на работа е при скорост от 1500 до 3000 оборота в минута. Това несъответствие в скоростите налага да се постави редуктор между въртения от вятъра вал и генератора. При двулопатковите ротори редукторът трябва да е с предавателно число от 3 до 10, а за многолопатковите — от 8 до 30. Тъй като редукторът затруднява първоначалното задвижване на някои от най-бързо въртящите се ротори, наложило се е да се разработи метод за изключване на електрическия или механичния товар, преди скоростта нз въртенето да е достигнала определена стойност.

Още по темата

28/01/2016

Физика

Стари американски акумулатори за слънчева енергия

23/01/2016

Човекът

Как в САЩ преди 50 г. събираха слънчева енергия

16/01/2016

Технологии

Измерване на транзистори с операционен усилвател

09/01/2016

Човекът

Как да си направим четирилентови озвучителни тела