Kinētiskais vēja ģenerators: uzbūve, darbības princips, pielietojums
Mūsdienīgs kinētiskais vēja ģenerators ļauj izmantot gaisa plūsmu spēku, pārvēršot to elektroenerģijā. Šim nolūkam pastāv rūpnīcā ražotas un paštaisītas ierīču modeļi, ko izmanto gan rūpniecībā, gan privātās saimniecībās.
Mēs pastāstīsim par to, kā izbūvēti šāda tipa vēja ģeneratori, iepazīstināsim ar uzbūves īpatnībām un konstruktīvajiem variantiem. Mūsu piedāvātajā rakstā ir norādītas vēja enerģijas iekārtas vājās un stiprās puses. Pašdarbīgie meistari pie mums atradīs noderīgas shēmas un ieteikumus montāžai.
Raksta saturs:
Vēja ģeneratora darbības princips
Vēja ģeneratora darbības pamatā ir vēja kinētiskās enerģijas pārvēršana rotora mehāniskajā enerģijā, kas pēc tam tiek pārveidota elektroenerģijā.
Darbības princips ir diezgan vienkāršs: uz ierīces ass piestiprināto lāpstiņu griešanās izraisa rotora ģeneratora apļveida kustības, pateicoties kurām tiek ražota elektroenerģija.

Iegūtā nestabilā maiņstrāva «ieplūst» kontrolierī, kur tā tiek pārveidota līdzspriegumā, kas spēj uzlādēt baterijas. No turienes barošana nonāk invertorā, kur tā tiek pārveidota maiņspriegumā ar rādītāju 220/380 V, kas tad tiek piegādāts patērētājiem.
Vēja ģeneratora jauda ir tieši atkarīga no gaisa plūsmas jaudas (N), to aprēķina pēc formulas N=pSV3/2, kur V – vēja ātrums, S – darba laukums, p – gaisa blīvums.
Vēja ģeneratora uzbūve
Dažādi vēja ģeneratoru varianti būtiski atšķiras cits no cita.

Rūpnieciskās ierīces ir sarežģīta vairāku metru konstrukcija, kuras uzstādīšanai nepieciešams pamats, savukārt sadzīves modelis var sastāvēt no minimāla komponentu daudzuma (līdzstrāvas elektromotors 3–12 V, elektrolītiskais kondensators 1000 µF 6 V, silīcija taisngrieža diode).
Tipiska iekārta ietver šādas sastāvdaļas:
- maiņstrāvas ģenerators (jauda ir atkarīga no vēja plūsmas ātruma);
- lāpstiņas, kas pārnes rotāciju uz ģeneratora vārpstu (tās bieži vien ir papildus aprīkotas ar reduktoriem, rotora griešanās ātruma stabilizatoriem);
- vēja ģeneratora masts, pie kura piestiprinātas lāpstiņas (jo augstāk šie elementi atrodas, jo vairāk vēja enerģijas tie var iegūt);
- akumulatori, kas uzkrāj enerģiju, ļaujot to izmantot nelielas vēja plūsmas vai tās pilnīgas neesamības gadījumā. Akumulators veic arī elektroenerģijas, kas saņemta no ģeneratora, stabilizācijas funkciju;
- kontrolleris – pārveidotājs, kas ģeneratora iegūto maiņspriegumu pārvērš līdzspriegumā, ko izmanto akumulatora uzlādei. Kontrollera vadība tiek veikta, pagriežot lāpstiņas, ļaujot ņemt vērā gaisa plūsmas virzienu;
- AVR – automātiskās pārslēgšanas ierīce, kas savieno vēja ģeneratoru ar citiem enerģijas avotiem (saules paneļiem, elektrotīklu);
- vēja virziena sensors – ierīce, kas atvieglo lāpstiņām vēja plūsmas meklēšanu;
- invertors līdzstrāvas pārveidošanai no akumulatoriem uz maiņspriegumu, ko izmanto elektriskajos sakaros.
Lai pilnīgāk apmierinātu lietotāju vajadzības, ierīce var būt aprīkota ar dažāda veida invertoriem:
- ierīces ar modificētu sinusoidu, kas rada kvadrātveida sinusoidu. Šāda veida ierīces ir piemērotas sildelementiem, kvēlspuldzēm un citām ierīcēm, kas nav prasīgas pret tīkla kvalitāti;
- trīsfāžu sprieguma invertori, kas paredzēti trīsfāžu elektrotīkliem;
- iekārtas ar tīru sinusoidu, kas ražo enerģiju jutīgākai tehnikai;
- tīkla invertori, kas spēj darboties bez akumulatoriem. Šādas ierīces ir paredzētas shēmām, kurās elektroenerģija tiek novadīta tieši kopējā tīklā.
Izvēloties modeļus, obligāti jāpievērš uzmanība invertora veidam.
Vēja ģeneratoru tipi
Klasificējot vēja turbīnas, var tikt ņemtas vērā šādas īpašības:
- mērķis;
- konstrukcijas īpatnības;
- lāpstiņu skaits;
- materiāli, no kuriem tās izgatavotas;
- rotācijas ass;
- propellera solis.
Detalizēti apskatīsim divas visbiežāk izmantotās klasifikācijas.
Vēja ģeneratoru klasifikācija pēc paredzētā pielietojuma
Izšķir vēja iekārtu veidus, kas atšķiras pēc mērķa. No tā ir atkarīgas arī ierīču pamatīpašības, piemēram, jauda.
Rūpnieciskās vēja turbīnas
Šādas ierīces tiek uzstādītas lielās enerģētikas kompānijās vai valstī, lai nodrošinātu elektroenerģiju rūpniecības objektiem. Turbīnas ar jaudu desmitos megavatu parasti izvieto vēja apvidos (atklātās augstienēs, piekrastēs).

Saražotā elektroenerģija parasti nonāk tieši tīklā, savukārt, lai nodrošinātu stabilitāti un regulētu lāpstiņu griešanās ātrumu, vēja turbīnas tiek aprīkotas ar papildu mehānismiem.
Komerciālie vēja ģeneratori
Šādas iekārtas izmanto, lai ražotu elektroenerģiju pārdošanai vai nodrošinātu elektroenerģiju ražotnēm reģionos ar vāju elektrotīklu (vai tā pilnīgu neesamību). Šādas vēja elektrostacijas sastāv no elektroģeneratoru kopuma, kuriem var būt atšķirīga jauda.
Komerciālo iekārtu enerģija var nonākt tieši elektriskajās komunikācijās vai tikt izmantota liela akumulatoru bloka uzlādei, kur tā uzkrājas un tiek pārveidota, lai nodotu energosistēmā.
Sadzīves vēja ierīces
Mazas jaudas agregātus izmanto privātai lietošanai. Saskaņā ar noteikumiem, vēja ģeneratorus ar mastiem, kas ir zemāki par 25 metriem, zemes gabalu īpašnieki var uzstādīt bez saskaņošanas ar varas iestādēm. Augstākām mastām ir jāsaņem īpaša atļauja.

Mājsaimniecības vēja ģeneratori ir piemēroti akumulatoru uzlādei ar spriegumu 12/24/48 V, kuru enerģija tiek pārveidota 220 voltu spriegumā. Šādas ierīces ļauj pilnībā vai daļēji atrisināt elektroapgādes problēmu maziem objektiem, kas atrodas tālu no centralizēta elektrotīkla.
Ar vēja ģeneratora izvēles orientieriem, lai nodrošinātu enerģiju privātmājai, iepazīstinās raksts, kas veltīts šim interesantajam jautājumam.
Vēja ģeneratoru konstrukciju paveidi
Pēc konstruktīvajām īpatnībām ierīces var iedalīt arī vairākās kategorijās, lai gan visi veidi reducējas uz diviem pamata tipiem: vertikālie un horizontālie.
Klasiskie horizontālie vēja ģeneratori
Šādas iekārtas (tās sauc arī par propellera jeb lāpstiņu tipa) parasti ir ar 3-5 lāpstiņām, kas uzstādītas uz horizontālas ass. Rotējot ar lielu ātrumu, šādi elementi ļauj iegūt maksimālu enerģijas daudzumu (KIEV līdz 0.4).
Turklāt saražotās elektroenerģijas daudzums lielā mērā ir atkarīgs no ierīces augstuma (jo augstāka tā ir, jo lielāks rezultāts).

Šādas ierīces parasti uzstāda vēja parkos, kur tiek ražota enerģija rūpnieciskai un komerciālai izmantošanai, tomēr tās ir piemērotas arī mājsaimniecības vajadzībām.
Interesants horizontālā vēja ģeneratora risinājums ir modelis ar vienu lāpstiņu, ar tā īpatnībām iepazīstinās šāda foto izlase:
Vertikālās vēja turbīnas
Šādu iekārtu darbības elements ir rotējošais vēja ritenis. Konstrukcijas īpatnību dēļ šādas konstrukcijas atšķiras pēc tipiem („Muca”, „Savonius”).
Ar Savonius vertikālā ģeneratora turbīnas uzbūves principu iepazīstinās šāda foto izlase:
Neskatoties uz zemo KIV rādītāju (0,1–0,2), tie atrod diezgan plašu pielietojumu: vertikālās iekārtas darbojas uz turbulentām gaisa plūsmām, pateicoties kam tās var izvietot pat reģionos, kur reti pūš stipri vēji.

Lai paaugstinātu vertikālo vējdzirnavu efektivitāti, ražotāji bieži palielina to izmēru parametrus, kas izraisa ievērojamu izmaksu pieaugumu. Tā kā šādas iekārtas ir diezgan trauslas, tām nepieciešama pastiprināta aizsardzība pret viesuļvētrām un citiem dabas parādībām.
Vēja ģeneratori «Dārija rotors».
Šādas ierīces pieder pie vertikālo vēja turbīnu kategorijas, taču tām ir izteiktas konstrukcijas atšķirības. Pateicoties šādām īpašībām, tiek panākta trokšņu samazināšana, kā arī palielinās KIV, kas tuvojas horizontālo modeļu rādītājiem.

Šādu konstrukciju trūkums ir zems palaišanas moments (tā kā ir tikai divas lāpstiņas, ierīcei grūti startēt patstāvīgi). Problēmas risināšanai bieži tiek izmantots hibrīds «Savonius + Dārijs».
Burveida vēja iekārtas.
Šādām iekārtām var pielietot gan vertikālo, gan horizontālo vējdzirnavu iekārtas principu. Galvenā konstruktīvā īpatnība ir vēja rats, kas pārklāts ar daudzām lāpstiņām vai burām, turklāt šādiem modeļiem nav aerodinamiskā profila.

Lai gan buru iekārtas izceļas ar mazu ātrumu un nelielu efektivitāti, tās bieži izmanto tautsaimniecībā. Šādas konstrukcijas ir viegli montējamas un ekspluatējamas, un lielā griezes momenta un zemu apgriezienu kombinācija ļauj tieši darbināt dažādus lietderīgus mehānismus, piemēram, sūkni ūdens atsūknēšanai.
Ar vienu no praksē realizētajiem buru vēja ģeneratoru modeļiem iepazīstinās šāda galerija:
Ģenerators vēja turbīnai
Vēja ģeneratoru darbībai ir nepieciešami parasti trīsfāžu ģeneratori. Šādu ierīču konstrukcija ir līdzīga automašīnās izmantotajiem modeļiem, bet tai ir lieli parametri.
Vēja turbīnu ierīcēs ir paredzēts trīsfāžu statora tinums (savienojums «zvaigznes» tipā), no kura iziet trīs vadi, kas ved uz kontrolieri, kur notiek maiņsprieguma pārveidošana pastāvīgā.

Apgriezienu palielināšanai bieži tiek izmantots multiplikators. Šāda ierīce ļauj palielināt esošā ģeneratora jaudu vai izmantot mazāka izmēra ierīci, kas samazina iekārtas izmaksas.
Multiplikatori biežāk tiek izmantoti vertikālos vēja ģeneratoros, kuros vēja riteņa griešanās process notiek lēnāk. Horizontālajām ierīcēm ar augstu lāpstiņu griešanās ātrumu multiplikatori nav nepieciešami, kas vienkāršo un samazina konstrukcijas izmaksas.
Vēja ģeneratora montāžas un uzstādīšanas specifika no veļas mašīnas un vēja iekārtas no automašīnas ģeneratora detalizēti izklāstīta mūsu ieteiktajos rakstos.
Vēja ģeneratora plusi un mīnusi
Sīkāk apskatīsim vēja turbīnu priekšrocības un trūkumus, jo tieši no tām ir atkarīgs lēmums iegādāties vēja ģeneratoru vai no tā atteikties.
Vēja ierīču priekšrocības
Starp vēja enerģiju izmantojošo iekārtu priekšrocībām ir:
- Videi draudzīgums. Iekārtas izmanto atjaunojamo enerģijas avotu, ko var izmantot pastāvīgi, nekaitējot videi. Ar vēja ģeneratoriem saražotā elektrība aizstāj termoelektrostaciju enerģiju, samazinot siltumnīcefektu gāzu emisijas.
- Universālums. Vēja elektrostacijas var būvēt gandrīz visur: līdzenumos, kalnos, laukos, salās un pat seklūdenī. Vēja enerģija ir īpaši vērtīga attālās vietās, kur ir grūti izbūvēt parastās elektrokomunikācijas. Vēja ģeneratori šajā gadījumā ļauj nodrošināt objektu energoapgādi, padarot to neatkarīgu no nejaušiem faktoriem (piemēram, no laikā nepiegādātās degvielas).
- Izmantošanas efektivitāte. Mūsdienu modeļi pārstrādā enerģiju pat no vājiem vējiem – minimālā robeža ir 3,5 m/s. Tādā veidā var papildus piegādāt elektroenerģiju centralizētajam tīklam, kā arī organizēt atsevišķu objektu (salu vai lokālo) elektroapgādi neatkarīgi no to jaudas.
- Cienīga alternatīva tradicionālajiem avotiem. Stacionārās vēja elektrostacijas var pilnībā nodrošināt ar elektrību dzīvojamo māju vai pat nelielu ražošanas objektu. Šajā gadījumā turbīna akumulatoros uzkrās nepieciešamo elektroenerģijas rezervi, kas paredzēta izmantošanai bezvēja periodos.
- Ekonomiskums. Salīdzinot ar tradicionālajiem elektroenerģijas avotiem (gāze, kūdra, akmeņogles, nafta), vēja turbīnas ļauj ievērojami samazināt enerģijas izmaksas. Daudzos gadījumos vēja elektrostacijas būvniecība izmaksā lētāk nekā pieslēgšana esošajām energosistēmām.
Vēja ģeneratoru izmantošana var būt alternatīva dārgiem dīzeļa ģeneratoriem, papildus samazinot degvielas transportēšanas un uzglabāšanas izmaksas līdz pat 80%.
Vēja turbīnas vidējā jauda vairākas reizes atšķiras no maksimālās slodzes rādītāja. Vēja ģenerators atbild tikai par saražotās enerģijas daudzumu noteiktā laika periodā pie mēneša vidējā vēja ātruma, kas raksturīgs šai vietai.
Lai precīzāk novērtētu vēja resursus, var izmantot īpaši izstrādātus datus (Veibula parametrus). Šie rādītāji atspoguļo konkrētai vietai raksturīgo dažāda stipruma vēju sadalījumu. Šādu informāciju ir svarīgi ņemt vērā, izstrādājot vēja parku projektus, kuru jauda ir desmitiem MW.
Ar vēja turbīnu saražotā jauda ir proporcionāla trīskāršotam vēja ātrumam. Tāpēc šis rādītājs ir ļoti mazs pie vājām vēja plūsmām, bet, tām pastiprinoties, tas strauji palielinās. Vēja virziena un ātruma mainīguma dēļ, veidojot vēja turbīnas konstrukciju, ir jāparedz stabilizējošas sastāvdaļas.
Noteikumi un formulas vēja ģeneratora jaudas aprēķināšanai ir sniegti šeit, iesakām iepazīties ar ļoti noderīgu informāciju.
Mazās autonomās sistēmās to funkciju veic baterijas, kuru uzlāde sāk pieaugt, tiklīdz vēja ģeneratora jauda pārsniedz slodzes rādītāju.

Jāatzīmē, ka efektīvai vēja plūsmu izmantošanai veicina vēja ģeneratoru konstrukciju dažādība.
Horizontālās turbīnas dod augstus rādītājus līdzenās vietās, kur ir daudz vēja, savukārt vertikālās turbīnas labāk darbojas reģionos ar turbulentām plūsmām, kas novērojamas zemu no zemes (pauguru augšdaļā, kalnu grēdās).
Galvenie vēja ģeneratoru trūkumi
Tajā pašā laikā vēja ģeneratoriem ir arī savas negatīvās puses:
- Vēja spēka lielumu ir grūti paredzēt iepriekš, jo tas bieži mainās. Tāpēc vēlams pārdomāt drošības pasākumus, paredzot dublējošu enerģijas avotu (saules paneļus, pieslēgšanu elektrotīklam).
- Vertikālās ierīces ir pakļautas dzenskrūves lāpstiņu iznīcināšanas riskam centrbēdzes spēku ietekmē, lāpstiņām rotējot ap galveno asi. Šāda efekta rezultātā svarīgi konstrukcijas elementi laika gaitā deformējas un sabrūk, un mehānisms sabojājas.
- Vēja ģeneratorus labāk uzstādīt brīvā telpā, jo tuvumā esošās ēkas var „dzēst” vēju, veidojot „mirušo” gaisa zonu.
- Lai saglabātu vēja turbīnu lieko enerģiju, konstrukcijā jāparedz akumulatoru un citu papildu ierīču izmantošana, kas kalpo iegūtās elektrības pārveidošanai strāvā ar piemērotiem patērētāja raksturlielumiem.
- Darbības laikā vēja ģeneratori rada troksni, kas var radīt diskomfortu cilvēkiem, atbaidīt dzīvniekus. Iekārtu lāpstiņas var arī izraisīt putnu bojāeju, kas tiem pieklīst.
- Pēc dažu speciālistu domām, vēja turbīnas spēj pasliktināt radio un televīzijas pārraižu uztveršanu.
Pie negatīviem momentiem var pieskaitīt arī diezgan augstās šādu agregātu izmaksas, tomēr enerģijas avota lētums lielā mērā izlīdzina šo faktoru.
Shēmas un pieslēgšanas veidi
Lai gan vēja iekārta var darboties arī autonomi, ievērojami labāku rezultātu var sasniegt, izmantojot kombinētas shēmas, kas paredz vēja ierīces apvienošanu ar saules baterijām, centralizēto elektrotīklu, dīzeļa vai gāzes enerģijas avotiem.
Autonomais darbs. Šajā gadījumā tiek uzstādīta viena iekārta, ar kuras palīdzību tiek uztverta un uzkrāta vēja enerģija, kas pēc tam tiek pārveidota patērētājiem nepieciešamajā elektriskajā strāvā.

Vēja ģeneratora kombinēšana ar saules paneļiem. Kombinētais variants tiek uzskatīts par uzticamu un efektīvu elektroapgādes veidu. Ja nav vēja, akumulators darbojas no saules paneļiem, bet mākoņainā laikā un nakts laikā uzlāde notiek no vēja iekārtas.

Vēja ģeneratora un elektrotīkla kombinētā darbība. Vēja turbīnu var apvienot ar elektrokomunikācijām.

Ja saražotās elektroenerģijas ir pārpalikums, tā nonāk centralizētajā tīklā, bet, ja tās ir nepietiekami, ir iespēja izmantot elektrisko strāvu no kopējās energosistēmas.
Vēja ģeneratoru lietošanas nianses
Pašlaik vēja turbīnas tiek izmantotas dažādās tautsaimniecības jomās. Rūpnieciskie modeļi ar dažādu jaudu tiek izmantoti naftas un gāzes, telekomunikāciju uzņēmumos, urbšanas un ģeoloģiskās izpētes stacijās, ražošanas objektos un valsts iestādēs.

Īpaši jāatzīmē vēja iekārtu nozīme elektroapgādes traucējumu operatīvai atjaunošanai kataklizmu un dabas katastrofu laikā. Šim nolūkam vēja ģeneratorus bieži izmanto MČS vienības.
Mājsaimniecības vēja turbīnas ir lieliski piemērotas apgaismojuma un apkures nodrošināšanai kotedžu ciematos un privātmājās, kā arī saimnieciskām vajadzībām fermās.
Šajā gadījumā jāņem vērā daži aspekti:
- Ierīces līdz 1 kW var nodrošināt pietiekamu elektroenerģijas daudzumu tikai vējainās vietās. Parasti to saražotās enerģijas pietiek tikai LED apgaismojumam un mazu elektronisko ierīču barošanai.
- Lai pilnībā nodrošinātu ar elektrību vasarnīcu (lauku mājiņu), būs nepieciešams vēja ģenerators ar jaudu virs 1 kW. Šāds rādītājs ir pietiekams, lai darbinātu apgaismes ierīces, kā arī datoru un televizoru, taču tā jaudas nepietiek, lai nodrošinātu ar elektrību visu diennakti strādājošu modernu ledusskapi.
- Lai nodrošinātu ar enerģiju kotedžu, būs nepieciešams vēja ģenerators ar jaudu 3-5 kW, taču pat šāds rādītājs nebūs pietiekams māju apkurei. Lai izmantotu šādu funkciju, būs nepieciešams jaudīgs variants, sākot no 10 kW.
Izvēloties modeli, jāņem vērā, ka ierīcē norādītais jaudas rādītājs tiek sasniegts tikai pie maksimālā vēja ātruma. Piemēram, iekārta ar 300 V jaudu ražos norādīto enerģijas daudzumu tikai tad, ja gaisa plūsmas ātrums būs 10-12 m/s.
Tiem, kas vēlas uzbūvēt vēja ģeneratoru pašu spēkiem, mēs piedāvājam šādu rakstu, kurā detalizēti ir izklāstīta noderīga informācija.
Secinājumi un noderīgs video par tēmu
Zemāk redzamajā videoklipā ir sniegta detalizēta informācija par sadzīves vēja ģeneratora modeļa darbības principu un uzbūvi:
Vēja ģenerators ir lielisks elektroenerģijas ražošanas avots, kuru īpaši novērtēs attālu vietu iedzīvotāji. Dažādi Krievijas un ārvalstu uzņēmumi piedāvā plašu vēja konstrukciju klāstu, turklāt sadzīves modeļus var izgatavot arī pašu spēkiem.
Lūdzu, rakstiet komentārus zemāk esošajā blokā. Pastāstiet par to, kā uzbūvējāt vēja ģeneratoru savā īpašumā, vai par to, kā darbojas vēja ģenerators pie jūsu kaimiņiem. Uzdodiet jautājumus, dalieties ar noderīgu informāciju un fotogrāfijām par šo tēmu.

Vai Maskavā vai apgabalā ir uzņēmumi, kas pārdod un uzstāda līdzīgus vēja ģeneratorus ar augstumu mazāk par 25 metriem uz privātpersonu teritorijām? Es gribētu uzstādīt savā kotedžā, bet cik to vajag, vairākus vai vienu? Jārēķina, cik viss maksās. Kāds labāks – vertikāls, buru veida vai horizontāls? Mums ir īpaši vējains laukums – visu gadu stipri pūš!
Iespējams, rūpnieciskai izmantošanai vēja ģeneratori ir piemēroti, bet fakts ir – mājsaimniecības sistēmai, nemaz nerunājot par rūpniecisko, vēja ģeneratoru ir jābūt ļoti daudz, pirmkārt. Otrkārt, tie ir ļoti dārgi. Pat saules paneļi ir lētāk un ekonomiskāk uzstādāmi nekā vēja ģenerators. Tomēr, laiku pa laikam apmeklējot Vāciju un Nīderlandi, redzamas milzīgas platības ar vēja iekārtām. Nezinu, cik tās ir efektīvas. Bet zinu, ka mūsdienu mājās praktiskie vācieši, ja uzstāda ekoloģiskus elektroenerģijas avotus, tad saules paneļus, vēja ģeneratorus nekur neesmu redzējis.
Iegūtā nestabilā maiņstrāva “plūst” uz kontrolieri, kur tā tiek pārveidota par pastāvīgu spriegumu… Izcili! Strāva tiek pārveidota spriegumā))