Kineetiline tuulegeneraator: ehitus, tööpõhimõte, kasutamine

Tänapäevane kineetiline tuulegeneraator võimaldab kasutada õhuvoolude jõudu, muutes selle elektriks. Selleks on olemas nii tehasemudeleid kui ka isevalmistatud seadmeid, mida kasutatakse nii tööstuses kui ka eramajapidamistes.

Me räägime, kuidas seda tüüpi tuulikud on ehitatud, tutvustame seadme eripärasid ja konstruktsioonivariante. Meie pakutud artiklis tuuakse välja tuuleenergiaseadme nõrgad ja tugevad küljed. Isetegijad leiavad siit kasulikke skeeme ja monteerimissoovitusi.

Tuulegeneraatori tööpõhimõte

Tuulegeneraatori töö põhineb tuule kineetilise energia muundamisel rootori mehaaniliseks energiaks, mis seejärel muundatakse elektrienergiaks.

Tööpõhimõte on üsna lihtne: seadme teljele kinnitatud labade pöörlemine paneb rootorgeneraatori ringliikuma, tänu millele toodetakse elektrit.

Tuuleenergeetika on üks taastuvenergia kõige perspektiivikamaid harudest. Kaasaegsed konstruktsioonid võimaldavad õhuvoolude jõudu majanduslikult tõhusalt rakendada, kasutades seda elektri tootmiseks.

Saadav ebastabiilne vahelduvvool «voolab» kontrollerisse, kus see muundatakse alalispingeks, mis suudab akusid laadida. Sealt läheb toide inverterisse, kus see transformeeritakse vahelduvpingeks mõõtega 220/380 V, mis antakse edasi tarbijatele.

Tuulegeneraatori võimsus sõltub otseselt õhuvoolu võimsusest (N), arvutatakse valemiga N=pSV³/2, kus V – tuule kiirus, S – tööpiirkond, p – õhu tihedus.

Tuulegeneraatori ehitus

Erinevad tuulegeneraatorite variandid erinevad üksteisest oluliselt.

Esitatud skeemil on näidatud klassikalise horisontaaltuuliku sisemine ehitus. Selliseid mudeleid kasutatakse kõige sagedamini nii tööstuses kui ka olmes.

Tööstuslikud seadmed on keerukad mitme meetri kõrgused konstruktsioonid, mille paigaldamiseks on vaja vundamenti, samas kui olmemudel võib koosneda minimaalsest komponentidest (3-12V alalisvoolu elektrimootor, 1000 µF 6V elektrolüütkondensaator, räni alaldusdiood).

Tüüpiline paigaldis hõlmab järgmisi komponente:

• vahelduvvoolugeneraator (võimsus sõltub tuulevoogude kiirusest);
• labad, mis edastavad pöörlemise generaatori võllile (sageli on need lisaks varustatud reduktorite, rootori pöörlemiskiiruse stabilisaatoritega);
• tuuliku mast, mille külge labad kinnitatakse (mida kõrgemal need elemendid asuvad, seda rohkem tuuleenergiat nad saavad);
• akumulaatorid, mis akumuleerivad energiat, võimaldades seda kasutada vähese tuulevoolu või selle täieliku puudumise korral. Aku täidab ka generaatorilt saadud elektrienergia stabiliseerimise funktsiooni;
• kontroller – generaatorilt saadud vahelduvpinge alalispingeks muundur, mida kasutatakse aku laadimiseks. Kontrollerit juhitakse labade pööramisega, mis võimaldab arvestada, kuhu õhuvoolud liiguvad;
• AVR – automaatne ümberlülitusseade, mis ühendab tuulegeneraatori teiste energiaallikatega (päikesepaneelid, elektrivõrk);
• tuule suuna andur – seade, mis hõlbustab labadel tuulevoolu leidmist;
• inverter akumulaatoritest tuleva alalisvoolu muundamiseks vahelduvpingeks, mida kasutatakse elektrikommunikatsioonides.

Kasutajate vajaduste täielikumaks rahuldamiseks võib seade olla varustatud erinevat tüüpi inverteritega:

• muundatud siinuslainega inverterid, mis annavad ruutsiinuslaine. Seda tüüpi seadmed sobivad küttekehadele, hõõglampidele ja teistele võrgu kvaliteedi suhtes vähenõudlikele seadmetele;
• kolmefaasilise pinge inverterid, mis on ette nähtud kolmefaasilistele elektrivõrkudele;
• puhta siinuslaine seadmed, mis toodavad energiat tundlikumale tehnikale;
• võrguinverterid, mis suudavad töötada ilma akudeta. Sellised seadmed on mõeldud skeemidele, mis eeldavad elektrienergia otse ühisvõrku suunamist.

Mudelite valimisel tuleb kindlasti tähelepanu pöörata inverteri tüübile.

Tuulegeneraatorite tüübid

Tuuleturbiinide klassifitseerimisel võetakse arvesse selliseid omadusi nagu:

• otstarve;
• konstruktsiooni iseärasused;
• labade arv;
• materjalid, millest need on valmistatud;
• pöörlemistelg;
• propelleri samm.

Vaatleme üksikasjalikumalt kahte kõige sagedamini kasutatavat klassifikatsiooni.

Tuulegeneraatorite klassifikatsioon otstarbe järgi

Eristatakse tuulikuseadmete liike, mis erinevad otstarbe poolest. Sellest sõltuvad ka seadmete põhiomadused, näiteks võimsus.

Tööstuslikud tuuleturbiinid

Selliseid seadmeid paigaldavad suured energiaettevõtted või riik tööstusobjektide elektriga varustamiseks. Kümnete megawattide võimsusega turbiinid paiknevad tavaliselt tuulistes piirkondades (avatud kõrgustikel, rannikutel).

Tuulepargid, kuhu paigaldatakse kümneid tuuleturbiine, rajatakse mitte ainult maale, vaid ka madalikule. Saadud elektrit kasutatakse tavaliselt tööstuslikel eesmärkidel.

Toodetud elektrivool suunatakse reeglina otse võrku, samas on tuuleturbiinid stabiilsuse ja labade pöörlemissageduse reguleerimiseks varustatud täiendavate mehhanismidega.

Kaubanduslikud tuulegeneraatorid

Selliseid seadmeid kasutatakse elektrienergia tootmiseks müügiks või tootmise varustamiseks elektriga piirkondades, kus elektrivõrk on nõrga võimsusega (või puudub täielikult). Sellised tuuleelektrijaamad koosnevad elektrigeneraatorite kogumist, millel võib olla erinev võimsus.

Kaubanduslike seadmete energia võib suunduda otse elektrivõrku või kasutada suure akupatarei laadimiseks, kus see koguneb ja muundatakse energiavõrku suunamiseks.

Kodused tuulegeneraatorid

Väikese võimsusega agregaate kasutatakse erakasutuseks. Reeglite kohaselt võivad maaomanikud paigaldada tuulikuid, mille masti kõrgus on alla 25 meetri, ilma ametivõimudega kooskõlastamata; kõrgemate mastide jaoks tuleb hankida eriluba.

Nõrga ja keskmise võimsusega tuulegeneraatorid võivad olla elektrienergia allikaks suvilate, maamajade, äärelinnaelamute ja talumajapidamiste jaoks.

Kodused tuulegeneraatorid sobivad 12/24/48 V pingega akude laadimiseks, millest saadud energia muudetakse 220-voldiseks pingeks. Sellised seadmed võimaldavad täielikult või osaliselt lahendada väikeste objektide elektrivarustuse probleemi, mis asuvad tsentraliseeritud elektrivõrgust kaugel.

Tuulegeneraatori valiku juhistega eramu energiaga varustamiseks tutvustab artikkel, mis on pühendatud sellele huvitavale teemale.

Tuulikute konstruktsioonide liigid

Konstruktsiooniomaduste järgi võib seadmed jagada mitmeks kategooriaks, kuigi kõik sordid taanduvad kahele põhitüübile: vertikaalsed ja horisontaalsed.

Klassikalised horisontaalsed tuulegeneraatorid

Sellised seadmed (neid nimetatakse ka propeller- või labatüüpi) on tavaliselt 3–5 labaga, mis on paigaldatud horisontaalsele teljele. Suure kiirusega pöörlemine võimaldab neil elementidel saada maksimaalselt energiat (KIEV kuni 0,4).

Samas sõltub toodetud elektrienergia hulk suuresti seadme kõrgusest (mida kõrgem, seda suurem tulemus).

Horisontaalne tuulegeneraator kasutab tõstejõudu, mis tekib rõhu tõusul punktis, kus õhu otsene vool läbib labasid, peegeldudes nendelt elementidelt.

Sellised seadmed paigaldatakse tavaliselt tuuleparkidesse, kus toodetakse energiat tööstuslikuks ja äriliseks kasutamiseks, kuid need sobivad ka koduseks kasutamiseks.

Huvitavaks lahenduseks horisontaalse tuulegeneraatori puhul on ühe labaga mudel, selle omadustega tutvustab järgmine fotokogum:

Vertikaalsed tuuleturbiinid

Selliste seadmete toimiv element on pöörlev tuuleratas. Konstruktsiooni iseärasuste tõttu erinevad need konstruktsioonid tüüpidena ("Tünn", "Savonius").

Savoniuse vertikaalgeneraatori turbiini ehituspõhimõttega tutvustab järgmine fotoseeria:

Vaatamata madalale KIEV näitajale (0,1-0,2) leiavad nad siiski üsna laialdast kasutust: vertikaalsed seadmed töötavad turbulentsetel õhuvooludel, tänu millele saab neid paigutada isegi piirkondadesse, kus tugevad tuuled puhuvad harva.

Vertikaalsete tuulegeneraatorite töö ei sõltu tuule suunast. Need on lihtsad paigaldada ja kasutada, pealegi saab selliseid seadmeid paigutada maapinna lähedale.

Vertikaalsete tuuleveskite tõhususe suurendamiseks suurendavad tootjad sageli nende mõõtmeid, mis toob kaasa märkimisväärse hinnatõusu. Kuna sellised seadmed on üsna haprad, vajavad nad tugevamat kaitset orkaanide ja muude loodusnähtuste eest.

Darrieuse rootoriga tuulegeneraatorid

Sellised seadmed kuuluvad vertikaalsete tuuleturbiinide kategooriasse, kuid neil on selged konstruktsioonierinevused. Tänu nendele omadustele saavutatakse müra vähenemine ning suureneb tuuleenergia kasutustegur, mis läheneb horisontaalsete mudelite näitajatele.

1931. aastal prantsuse lennukikonstruktori Georges Darrieuse poolt pakutud madalrõhuga turbiin, mille pöörlemistelg on õhukeskkonnaga risti, on leidnud laialdast rakendust tuuleenergeetikas.

Selliste konstruktsioonide puuduseks on madal käivitusmoment (kahe laba tõttu on seadmel raske iseseisvalt käivituda). Probleemi lahendamiseks kasutatakse sageli hübriidi "Savonius+Darrieus".

Purjetuulegeneraatorid

Selliste paigaldiste puhul võib kasutada nii vertikaalse kui ka horisontaalse tuuliku põhimõtet. Peamine konstruktsiooni iseärasus on tuuleratas, mis on kaetud paljude labade või purjedega, kuid sellistel mudelitel puudub aerodünaamiline profiil.

Purjetuulegeneraatoreid on palju mudeleid, mis erinevad labade arvu, kaalu ja võimsuse poolest. Kõiki neid parameetreid tuleb seadme valimisel arvesse võtta.

Hoolimata sellest, et purjepaigaldised on aeglasekäigulised ja vähese tõhususega, kasutatakse neid sageli rahvamajanduses. Sellised konstruktsioonid on kergesti paigaldatavad ja hooldatavad ning suure pöördemomendi ja madalate pöörete kombinatsioon võimaldab otse käitada erinevaid kasulikke mehhanisme, näiteks veepumpa.

Üht praktikas teostatud purjetuuliku mudelit tutvustab järgmine galerii:

Generaator tuuleturbiinile

Tuulikute tööks on vajalikud tavalised kolmefaasilised generaatorid. Selliste seadmete konstruktsioon on sarnane autodes kasutatavatele mudelitele, kuid suuremate parameetritega.

Tuulikuturbiinide seadmetes on ette nähtud kolmefaasiline staatori mähis (ühendus tüüpi "täht"), kust väljub kolm juhet, mis lähevad kontrollerisse, kus toimub vahelduvpinge muundamine alalispingeks.

Tuulegeneraatori rootor valmistatakse neodüümmagnetitega: sellistes konstruktsioonides ei ole otstarbekas kasutada elektrilist ergutust, sest mähis tarbib palju energiat.

Pöörete suurendamiseks kasutatakse sageli multiplikaatorit. Selline seade võimaldab suurendada olemasoleva generaatori võimsust või kasutada väiksemat seadet, mis vähendab paigalduse maksumust.

Multiplikaatoreid kasutatakse sagedamini vertikaalsetes tuulegeneraatorites, mille puhul toimub tuuleratta pöörlemine aeglasemalt. Horisontaalsete seadmete puhul, mille labade pöörlemiskiirus on suur, ei ole multiplikaatoreid vaja, mis lihtsustab ja odavdab konstruktsiooni.

Tuulegeneraatori pesumasinast ja tuuliku autogeneraatorist kokkupaneku ja paigalduse spetsiifika on üksikasjalikult esitatud meie soovitatud artiklites.

Tuulegeneraatori plussid ja miinused

Vaatleme üksikasjalikult tuuleturbiinide eeliseid ja puudusi, kuna just nendest sõltub otsus osta tuulegeneraator või sellest loobuda.

Tuuleseadmete eelised

Tuuleenergiat kasutavate seadmete eeliste hulka kuuluvad:

• Keskkonnasõbralikkus. Seadmed kasutavad taastuvat energiaallikat, mida saab pidevalt kasutada keskkonda kahjustamata. Tuulegeneraatorite toodetav elekter asendab soojuselektrijaamade energiat, vähendades kasvuhoonegaaside heitkoguseid.
• Mitmekülgsus. Tuuleelektrijaamu saab ehitada peaaegu kõikjale: tasandikele, mägedesse, põldudele, saartele ja isegi madalasse vette. Tuuleenergiat hinnatakse eriti kaugemates kohtades, kuhu on raske tavalisi elektriliine vedada. Sellisel juhul võimaldavad tuulegeneraatorid korraldada objektide energiavarustust, tagades selle sõltumatuse juhuslikest teguritest (näiteks õigeaegselt kohale toimetamata kütusest).
• Kasutamise tõhusus. Kaasaegsed mudelid töötlevad isegi nõrkade tuulte energiat – minimaalne piir on 3,5 m/s. Sel viisil saab toota elektrienergiat tsentraliseeritud võrku ja korraldada üksikute objektide (saareliste või kohalike) elektrivarustust, sõltumata nende võimsusest.
• Vääriline alternatiiv traditsioonilistele allikatele. Statsionaarsed tuuleelektrijaamad võivad täielikult varustada elektriga elamu või isegi väiksema tootmisobjekti. Sel juhul kogub turbin akudesse vajaliku elektrienergia varu, mis on mõeldud kasutamiseks tuulevaiksetel perioodidel.
• Ökonoomilisus. Võrreldes traditsiooniliste elektrienergia allikatega (gaas, turvas, kivisüsi, nafta), võimaldavad tuuleturbiinid oluliselt vähendada energiakulusid. Paljudel juhtudel on tuuleelektrijaama ehitamine odavam kui ühendamine olemasolevate energiasüsteemidega.

Tuulikute kasutamine võib olla alternatiiviks kallite diiselgeneraatorite kasutamisele, vähendades lisaks kütuse transportimise ja hoidmise kulusid kuni 80%.

Keskvõimsus tuuleturbiinil erineb kordades tippkoormuse näitajast. Tuulegeneraator vastutab ainult teatud ajavahemikul toodetud energia hulga eest selle piirkonna keskmise kuu tuulekiiruse juures.

Täpsemaks tuuleressursside hindamiseks võib kasutada spetsiaalselt tuletatud andmeid (Weibulli parameetreid). Need näitajad kajastavad konkreetsele piirkonnale omast erineva tugevusega tuulte jaotust. Sarnast teavet on oluline arvestada tuuleparkide projektide väljatöötamisel, mille võimsus on kümnetes MW.

Tuuleturbiini toodetav võimsus on võrdeline tuule kiiruse kuubiga. Seetõttu on see näitaja nõrkade tuulevoolude korral väga väike, kuid nende tugevnedes – kasvab järsult. Tuule suuna ja kiiruse muutlikkuse tõttu tuleb tuuleturbiini konstruktsioonis ette näha stabiliseerivad komponendid.

Tuulegeneraatori võimsuse arvutamise reeglid ja valemid on toodud siin, soovitame tutvuda väga kasuliku teabega.

Väikestes autonoomsetes süsteemides täidavad nende funktsiooni akud, mille laeng hakkab suurenema, kui tuulegeneraatori võimsus ületab koormuse näitaja.

Koormuse kasvades võib aku tühjeneda. Sellist töö eripära on oluline arvesse võtta majapidamisagregaadi valimisel, selle võimsus peab ühtima kuu või aasta elektritarbimise normiga.

Tuleb märkida, et tuulevoogude tõhusat kasutamist soodustab tuulegeneraatorite konstruktsioonide mitmekesisus.

Horisontaalsed turbiinid annavad kõrgeid näitajaid tasastel aladel, kus on palju tuult, samas kui vertikaalsed turbiinid töötavad paremini piirkondades, kus on maapinna lähedal (küngaste ülaosas, mäeahelikel) esinevad turbulentsed voolud.

Tuulikute peamised puudused

Samal ajal on tuulikutel ka oma negatiivsed küljed:

• Tuule tugevust on raske ette ennustada, kuna see muutub sageli. Seetõttu on soovitav mõelda varuvõimalusele, nähes ette dubleeriva energiaallika (päikesepaneelid, ühendus elektrivõrguga).
• Vertikaalsed seadmed on ohus, et rootori labad võivad puruneda tsentrifugaaljõudude toimel labade pöörlemisel peatelje ümber. Sellise efekti tõttu konstruktsiooni olulised elemendid aja jooksul deformeeruvad ja purunevad ning mehhanism rikneb.
• Tuulikud on parem paigaldada vabale alale, kuna läheduses asuvad hooned võivad tuulta "kustutada", moodustades "surnud" õhutsooni.
• Tuuleturbiinide liigse energia salvestamiseks tuleb konstruktsioonis ette näha akude ja muude lisaseadmete kasutamist, mis muundavad saadud elektri sobivate tarbimisomadustega vooluks.
• Töötamise ajal tekitavad tuulegeneraatorid müra, mis võib põhjustada inimestele ebamugavust ja peletada loomi. Seadmete labad võivad põhjustada ka nende juurde lendavate lindude surma.
• Mõnede spetsialistide arvates võivad tuuleturbiinid halvendada raadio- ja telesaadete vastuvõttu.

Negatiivsete aspektidena võib välja tuua ka selliste agregaatide üsna kõrge hinna, kuid energiaallika odavus neutraliseerib selle teguri suurel määral.

Ühendusskeemid ja -meetodid

Kuigi tuulegeneraator võib töötada ka iseseisvalt, saavutatakse oluliselt paremaid tulemusi kombineeritud skeemide abil, mis hõlmavad tuuliku ühendamist päikesepaneelide, tsentraliseeritud elektrivõrgu, diisel- või gaasikütusel töötavate energiaallikatega.

Iseseisev töö. Sel juhul paigaldatakse üksik seade, mille abil püütakse kinni ja salvestatakse tuuleenergia, mis seejärel muundatakse tarbijatele vajalikuks elektrivooluks.

Skeemil on kujutatud tuulegeneraatori kõige lihtsam kasutusviis, mida on otstarbekas kasutada piirkondades, kus puhuvad pidevalt tugevad tuuled.

Tuulegeneraatori ühendamine päikesepaneelidega. Kombineeritud varianti peetakse usaldusväärseks ja tõhusaks elektrivarustuse viisiks. Tuule puudumisel töötab aku päikesepaneelide abil, pilvise ilmaga ja öösel toimub laadimine tuulegeneraatori abil.

Ideaalne variant eramaja või maaüksuse jaoks, mis asub tsentraliseeritud elektrivõrgust eemal. Selline kombineeritud skeem võimaldab kasutada kahte liiki taastuvenergiat.

Tuulegeneraatori ja elektrivõrgu kombineeritud töö. Tuuleturbiini saab ühendada elektrivõrguga.

Selline skeem on tüüpiline tööstuslikele ja kaubanduslikele seadmetele. Elektrivõrguga ühendamist võimaldavad ka mõned kodumaiste tuulegeneraatorite mudelid.

Toodetud elektri ülejäägi korral suunatakse see tsentraliseeritud võrku, selle puudujäägi korral on võimalik kasutada elektrivoolu ühisest energiasüsteemist.

Tuulegeneraatorite kasutamise nüansid

Praegu kasutatakse tuuleturbiine erinevates rahvamajanduse valdkondades. Erineva võimsusega tööstusmudeleid kasutavad nafta- ja gaasiettevõtted, telekommunikatsioonifirmad, puurimis- ja geoloogilise uurimise jaamad, tootmisobjektid ja riigiasutused.

Tuulegeneraatorit saab kasutada lisaenergiaallikana haiglates ja teistes asutustes, et tagada pidev elektrivarustus hädaolukordades

Eriti tuleb rõhutada tuuleseadmete kasutamise tähtsust häiritud elektrivarustuse kiireks taastamiseks kataklüsmide ja loodusõnnetuste korral. Selleks kasutavad tuulegeneraatoreid sageli päästeameti üksused.

Kodused tuuleturbiinid sobivad suurepäraselt suvilapiirkondade ja eramajade valgustuse ja kütte korraldamiseks ning majanduslikel eesmärkidel taludes.

Samas tuleb arvestada mõningate punktidega:

• Seadmed kuni 1 kW võivad anda piisava koguse elektrienergiat ainult tuulistes kohtades. Tavaliselt piisab nende toodetud energiast ainult LED-valgustuse ja väikeste elektrooniliste seadmete toiteks.
• Et tagada suvila (maamaja) täielik elektriga varustamine, on vaja tuulegeneraatorit võimsusega üle 1 kW. Sellest näitajast piisab valgustusseadmete, samuti arvuti ja teleri toiteks, kuid selle võimsusest ei piisa ööpäevaringselt töötava kaasaegse külmiku elektriga varustamiseks.
• Maja energiavarustuseks on vaja tuulegeneraatorit võimsusega 3–5 kW, kuid isegi sellest näitajast ei piisa majade kütmiseks. Sellise funktsiooni kasutamiseks on vaja võimsat varianti, alates 10 kW.

Mudeli valimisel tuleb arvestada, et seadmel näidatud võimsusnäitaja saavutatakse ainult maksimaalse tuulekiiruse korral. Nii toodab 300 V seade näidatud koguse energiat ainult õhuvoolu kiirusel 10–12 m/s.

Neile, kes soovivad tuulegeneraatorit oma kätega ehitada, soovitame järgmist artiklit, milles on üksikasjalikult esitatud kasulik teave.

Järeldused ja kasulik video teemal

Allpool esitatud videoklipis antakse üksikasjalikku teavet koduse tuulegeneraatori mudeli tööpõhimõttest ja ehitusest.

Tuulegeneraator on suurepärane elektrienergia tootmise allikas, mida hindavad eriti kaugemate piirkondade elanikud. Erinevad Venemaa ja välismaised ettevõtted pakuvad suurt valikut tuulekonstruktsioone, lisaks saab koduseid mudeleid teha ka oma kätega.

Palun kirjutage kommentaare allpool asuvas plokis. Rääkige, kuidas ehitasite oma krundile tuulegeneraatori või kuidas töötab tuulik teie naabritel. Esitage küsimusi, jagage kasulikku teavet ja teemakohaseid fotosid.