Ветрогенератор (ветроэнергетическая установка или сокращённо ВЭУ, ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.
Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).
Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветровая электростанция. Раньше считалось, что они полностью экологичны, чем отличаются от традиционных. Однако лопасти ветрогенератора сделаны из полимерного композита, вторичное использование и переработка которого невыгодны с точки зрения расходов. Сейчас вопрос о переработке лопастей является открытым.
Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.
Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока (), определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью , где: — скорость ветра, — плотность воздуха, — ометаемая площадь.
Типы ветрогенераторов Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.
Существуют два основных типа ветротурбин: с вертикальной осью вращения: «карусельные» — роторные, в том числе «ротор Савониуса» или «ротор братьев Ворониных». В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За ним и осталась «слава» изобретателя этой новинки; «лопастные» ортогональные — ротор Дарье; с горизонтальной осью круглого вращения (крыльчатые). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными, с КПД до 40 %Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 173..
Также существуют барабанные и роторные ветротурбины.
Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей).
Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ Закон Беца предсказывает, что коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок ограничен константой 0,593. К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0,4. Коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.
Устройство ВЭУ состоит из: ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями; электрогенератора.
Полученная электроэнергия поступает в: контроллер заряда аккумуляторов, подключённый к аккумуляторам (обычно на 24 В); инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключённый к электросети.
Промышленная ветровая установка
Состоит из следующих деталей: Фундамент Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления Башня Лестница Поворотный механизм Гондола Электрический генератор Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр) Тормозная система Трансмиссия Лопасти (как правило, три, поскольку роторы с двумя лопастями подвергаются большим нагрузкам в момент, когда пара лопастей вертикальна, а больше трёх лопастей создают избыточное сопротивление воздуха) Система изменения угла атаки лопасти Обтекатель
Система пожаротушения Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора Система молниезащиты Привод питча
Маломощная модель ветряного генератораБрага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 131 — ISBN 5-477-00749-4. Состоит из следующих деталей: Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор) Кремниевый выпрямительный диод Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)
Эффективность Закон сохранения массы требует, чтобы количество воздуха, входящего и выходящего из турбины, было одинаковым. Соответственно, закон Беца даёт максимально достижимое извлечение энергии ветра ветряной турбиной как 16/27 (59,3 %) скорости, с которой кинетическая энергия воздуха достигает турбины.
Таким образом, максимальная теоретическая выходная мощность ветряной машины равна 16/27 кинетической энергии воздуха, который достигает эффективной площади диска машины за единицу времени. При эффективной площади диска и скорости ветра максимальная теоретическая выходная мощность равна
,
где ρ — плотность воздуха.
Трение лопастей о воздух и лобовое сопротивление являются главными факторами, определяющими эффективность передачи энергии от ветра к ротору и, следовательно, стоимость энергии, вырабатываемой ветрогенератором. Среди других факторов снижения эффективности — потери в редукторе, в генераторе и преобразователе. По данным на 2001 год турбины, подключённые к коммерческим коммунальным предприятиям, при номинальной рабочей скорости выдавали от 75 % до 80 % предельной мощности, определяемой по закону Беца .
Эффективность может немного снизиться со временем из-за пыли, дефектов поверхности лопастей и налипших насекомых, которые снижают подъёмную силу лопасти. Анализ 3128 ветряных турбин старше 10 лет в Дании показал, что КПД половины турбин не снизился, а у другой половины снижался в среднем на 1,2 % в год.
В целом, более стабильные и постоянные погодные условия (особенно скорость ветра) приводят к повышению эффективности в среднем на 15 % по сравнению с неустойчивой погодой.
Было обнаружено, что различные материалы по-разному влияют на эффективность ветряных турбин. В эксперименте Университета Эге были сконструированы три трёхлопастные ветряные турбины диаметром 1 м с разным материалом лопастей: стекловолокно и углеродное волокно с эпоксидным связующим, углеродное волокно, стекло-полистирол. Испытания показали, что материалы с более высокой общей массой имеют больший момент трения и, следовательно, более низкий коэффициент мощности.
Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов
Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.
Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.
В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы: Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть. Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным. Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается. Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП. Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП. Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения. Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы. Шум и вибрация.
Перспективные разработки Норвежская компания StatoilHydro и немецкий концерн Siemens AG разработали плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне 2009 года. Турбина под названием Hywind, разработанная Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалёку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.
Компания Magenn разработала специальный вращающийся от ветра аэростат с установленным на нём генератором, который сам поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.
В мае 2009 года в Германии компанией Advanced Tower Systems (ATS) был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне. Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20 %New Tower Reaches High to Catch the Wind.
В конце 2010 года испанские компании Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DIgSILENT Ibérica создали группу для совместной разработки ветрогенератора мощностью 15,0 МВтSpanish Companies Plan a 15-MW Wind Turbine // December 1, 2010.
Евросоюз создал исследовательский проект «UpWind» для разработки офшорного ветрогенератора мощностью 20 МВтChris Webb. Wind Turbine Blades Push Size Limits // renewableenergyworld.com, 10.07.2012 / .
В 2013 году японская компания «Mitsui Ocean Development & Engineering Company» разработала гибридную установку: на единой плавающей в воде оси установлена ветровая турбина и турбина, работающая от приливной энергии.
Самая мощная ветряная турбина в мире — 14-222 DD компании Siemens Gamesa (длина её лопасти достигает 108 м, а диаметр — 222 м), рекордсмен по максимальной выработке электроэнергии за сутки: 359 мегаватт-часов; 60 таких турбин будут установлены на ветряной электростанции в заливе Мори-Ферт в Шотландии.Что больше потрясает: мировой рекорд ветряной турбины в Сиднее или её высота // Epoch Times Russia, 15.10.2022
В сентябре 2025 года китайская Sawes Energy Technology провела испытания крупнейшего в мире плавучего ветрогенератора на гелии S1500. Конструкция модели позволяет ей подниматься на высоту и парить в воздухе, а энергию на землю доставляет специальный кабель. Испытательный полет прошёл в Синьцзяне и позволил ветрогенератору высотой с 13-этажный дом выработать 1000 кВт электроэнергии. Массовое производство и подключение первых установок к сети запланировано на 2026 год.
Крупнейшие производители За 2024 год было установлено 23,1 тыс. ветрогенераторов общей установленной мощностью 127 ГВт, крупнейшими производителями по доле рынка были: