Научно-технический прогресс в своем революционном развитии за последние несколько десятилетий привел к системному поглощению и, как следствие, тотальному опустошению запасов природных энергетических ресурсов. Для производства потребляемой энергии, средний КПД которой составляет лишь 33%, в мире ежегодно сжигается более 10 млрд. тонн условного топлива. Его подавляющую часть составляют невозобновляемые природные запасы, которые после использования возвращаются в атмосферу планеты в виде 1 миллиарда тонн выбросов вредных веществ.
Осознание факта близости энергетического кризиса ввиду исчерпаемости природных ресурсов вместе с возможным риском экологической катастрофы поставили перед человечеством задачу поиска альтернативных, а значит, надежных, безопасных и, самое главное, возобновляемых источников энергии. Наряду с этим постоянное удорожание традиционных энергоносителей, почти монопольная зависимость потребителя от централизованных энергосистем все более усиливают интерес к использованию альтернативных источников энергии.
В ряду возобновляемых источников энергии наибольший интерес вызывают ветроэнергетические проекты. Первый ветрогенератор был установлен в конце 70-х годов 19-го века в США. Он вырабатывал электроэнергию мощностью 1,2 кВт, успешно прослужив своему хозяину более 20 лет.
Государственные энергетические программы многих стран Западной Европы, США и Австралии определяют сегодня главной задачей поэтапный переход от традиционных к альтернативным, в первую очередь, ветрогенерирующим источникам энергии как в промышленных масштабах, так и в бытовом потреблении.
Свой практический опыт реализации ветроэнергетических проектов в Украине предлагает компания Power Group. Вниманию сторонников потребления альтернативных источников энергии мы представляем ветрогенератор украинской сборки, вырабатывающий электроэнергию мощностью от 100 ватт до 5 киловатт, бесшумный, вертикально ориентированный, инерционный. Ветроэнергетическая установка ВЭУ 1/5 кВт 2А/2В/3А предназначена для эффективного производства электроэнергии и автономного снабжения всех энергопотребляющих систем жизнеобеспечения человека.
Наличие ветра – важнейшее условие успешной работы ВЭУ. Наиболее эффективное использование ветрогенератора возможно в районах, где среднегодовая сила воздушных потоков расположена в шкале границ от 0,5 до 7 м/с.
В основу действия ветроэнергетической установки ВЭУ 1/5 кВт заложен принцип магнитной левитации, при котором лопасти крыльев ветрогенератора удерживаются на магнитной подушке. Это позволило обеспечить не только легкость старта, но и в силу отсутствия трения рабочих поверхностей деталей существенно увеличить срок эксплуатации ВЭУ. В ходе практических испытаний старт вращения лопастей ветрогенератора был обеспечен при скорости ветра всего 1,7 м/с.
Вместе с тем, применение вертикально-ориентированных синхронных генераторов с постоянными магнитами наряду с возникающей инерцией вращения самого генератора, обеспечили выход на номинальную мощность при скорости воздушного потока лишь 3 м/с.
Одним из основных преимуществ вертикально ориентированного ветрогенератора является его независимое «наведение» на направление ветра. Оптимальный профиль лопасти ветроколеса позволяет достичь КПД крыла близкий к идеальному, независимо от направления ветра. При этом скорость вращения ротора ограничена лишь силой воздушного потока.
Ветрогенератор вертикального исполнения не требует регламентного обслуживания и ремонта. Конструкция не содержит деталей с трущимися поверхностями за исключением упорного подшипника ветрокрыла, имеющего трехсоткратный запас прочности.
Контроллерно-преобразующая система, совмещенная с редуктором, позволяет заряжать аккумуляторную батарею при самых малых оборотах генератора. Это обеспечивает возможность потребления ранее выработанной энергии в период безветрия.
Ветроэнергетическая станция вертикально-ориентированная требует минимум пространства для размещения, абсолютно безвредна ввиду отсутствия излучения, вибрации и шумовой нагрузки.
Главным преимуществом ВЭУ является ее независимость от магистральных энергетических сетей, автономность производства и потребления электроэнергии. Относительная сложность устройства, универсальность оборудования, доступность транспортировки и монтажа позволяют возводить ветроэнергетические станции в самых недоступных, отдаленных от энергоснабжения районах.
Принципиальное устройство вертикально-ориентированной ВЭУ включает следующие основные узлы и агрегаты:
- генератор тихоходный, синхронный с постоянными магнитами щелевого расположения;
- трехлопастное ветроколесо на мачте с фланцами;
- контроллер бустерного типа, совмещенный с редуктором;
- инвертор;
- электрический кабель и аккумуляторная батарея (АКБ);
Генератор
На всех ветрогенераторных станциях вертикального типа установлен синхронный тихоходный инерционный с постоянными магнитами щелевого расположения генератор. Данный тип генератора относится к безредукторным, что существенно увеличивает КПД преобразования энергии и повышает его надежность. Вместе с тем, такой генератор способен выдавать кратковременный импульс тока, в 3-4 раза превышающий номинальный, который рекомендуется для питания пусковых энергопотребителей (электродвигатели, электроинструменты, компрессоры и другие электроагрегаты).
Внешний вид генератора 2-5 кВт.
Трехлопастное ветроколесо
Ветроколесо (ротор) представляет собой сборную конструкцию, состоящую из нижних и верхних траверсов, которые при помощи фланцевых соединений удерживают крылья лопасти на мачте.
КПД крыла профиль Жуковского максимально приближен к идеальному и составляет 36,5%. Стандартная величина лопастей ветроколеса в зависимости от мощности генератора составляет 4, 6 и 8 метров.
Крыло профиль Жуковского
Контроллер бустерного типа, совмещенный с редуктором
Редукторный контроллер в сочетании с инерционным эффектом самого генератора позволяет накапливать заряд в аккумуляторной батарее при скорости ветра, соответствующей стартовой. К устройству одновременно можно подключать до четырех АКБ 12В – 100 А/ч. Рекомендованный режим эксплуатации устройства в помещении с температурой от 0 до 20 градусов Цельсия.
Аккумуляторная батарея
АКБ выполняет две основные функции:
- накопление энергии для потребления в период кратковременного утихания ветра;
- стабилизация напряжения.
Основные параметры аккумуляторной батареи – номинальное напряжение и емкость. Произведение этих двух величин определяет запасаемую батареей энергию. Для ВЭУ рекомендованы свинцово-кислотные или железоникилиевые АКБ. При выборе батареи следует исходить из максимального зарядного тока и напряжения (по паспорту).
Инвертор
Преобразует энергию постоянного тока, накопленную в АКБ в синусоидальное (переменное) напряжение стандартного потребления (220В/50Гц). При выборе инвертора следует руководствоваться показателем максимальной мощности потребления. Продолжительность работы инвертора – до полной разрядки АКБ.
Современные инверторы допускают возможность перегрузки в работе. Перегрузка от нескольких секунд до получаса не оказывает на систему негативного воздействия.
Электрические кабели
Для того чтобы минимизировать потери напряжения в промежутке между АКБ и инвертором следует исходить из того, что сечение кабеля должно быть обратно пропорциональным его длине. Исходными данными для расчета сечения кабеля следует принимать мощность инвертора и длину кабеля. Расчет сечения кабеля длиной 2 метра приведен в таблице 1.
Сечение кабеля от АБ до инвертора (длина 2 м) |
|||
Мощность инвертора, Вт |
Напряжение АБ, В |
||
12 |
24 |
48 |
|
150 |
10 мм2 |
6 мм2 |
- |
250 |
16 мм2 |
6 мм2 |
- |
500 |
35 мм2 |
10 мм2 |
- |
1000 |
50 мм2 |
25 мм2 |
- |
1500 |
50 мм2 |
35 мм2 |
- |
2000 |
70 мм2 |
50 мм2 |
- |
2500 |
95 мм2 |
70 мм2 |
50 мм2 |
3000 |
- |
95 мм2 |
50 мм2 |
3500 |
- |
95 мм2 |
70 мм2 |
4500 |
- |
- |
70 мм2 |
Принцип действия
Общий принцип работы ветрогенератора достаточно прост и многим знаком из школьного курса физики. Энергия воздушного потока, воздействуя на ветроколесо, приводит его во вращательное движение. Генератор, в свою очередь, преобразует механическую энергию вращения в энергию трехфазного электрического тока. В случае с ВЭУ удачное вертикально-ориентированное расположение вала генератора и грамотное решение электросхемы позволило повысить КПД преобразования механической энергии в энергию трехфазного тока до 90-94%. Трехфазный ток через выпрямитель преобразуется в постоянный, передающий заряд аккумуляторной батарее.
Технические характеристики
Технические данные и основные параметры ВЭУ с учетом различий модификаций приведены в таблице 2:
Мннимальная мощность ветроэнергетической установки 2А, Вт |
1000 |
|
Мннимальная мощность ветроэнергетической установки 2В, Вт |
1500 |
|
Мннимальная мощность ветроэнергетической установки 3А, Вт |
2000 |
|
Номинальная мощность ВЭУ 2А, Вт |
1500 |
|
Номинальная мощность ВЭУ 2В, Вт |
3000 |
|
Номинальная мощность ВЭУ 3А, Вт |
4000 |
|
Максимальная мощность 2А |
2500 |
|
Максимальная мощность 2В |
3500 |
|
Максимальная мощность 3А |
5000 |
|
Скорость ветра, необходимая для старта, м/с |
0,17 |
|
Скорость ветра для получения номинальной мощности модели 2А, м/с, исключая порывы 2В 3А |
8 7 5 |
|
Максимальная расчетная скорость ветра, м/с |
45 |
|
Ротор (ветроколесо) |
||
Количество лопастей, шт |
3 |
|
Стандартная высота лопасти м, если не используется электронный редуктор в модели 2А |
4 |
|
2В |
6 |
|
3А |
8 |
|
Диаметр, м |
До 2 |
|
Ометаемая площадь, не менее кв. м |
23,45 |
|
Вес лопастей в сборе с траверсами, не более кг 2А 2В 3А |
90 135 180 |
|
Min частота вращения ротора, начала отдачи мощности (15% Р ном), об/мин для устойчивой зарядки АКБ |
8 |
|
Номинальная частота вращения ротора (100% Р ном), об/мин |
200 |
|
250 |
||
36.5% |
||
Генератор |
||
Тип генератора ЩРПМ прямого вращения, синхронный бесщеточный/безредукторный на постоянных магнитах из Fe-Nd-B, 24 пар полюсов |
||
Выходное напряжение АС ( 3 фазы),В |
220/380 |
|
Ротор |
внешний |
|
Статор, тип |
бесщеточный |
|
Потери при использовании выпрямителя ( мост Ларионова) вкл. |
||
Выходная мощность, номинальная,Вт |
5075 |
|
Скорость вращения для достижения номинала, об/мин |
300 |
|
Константа скорости V/krpm |
1,146 |
|
Резистивность линейная,Вт |
1.715 |
|
Инерционность ротора кг-м2 |
1.322 |
|
Максимальная температура обмоток |
120 |
|
Индукция мН |
3.104 |
|
Временнкая электро/константа |
18.10 |
|
Кол-во фаз |
3 |
|
Кол-во полюсов |
24 |
|
Диаметр ротора генератора,мм |
454 |
|
Вес генератора, кг |
64 |
|
Материал саркофага |
алюминий |
|
Диаметр штифта якоря, мм |
60 |
|
Материал штифта якоря |
сталь |
|
Подшипник единый опорно/радиальный , пр-ва Япония |
шариковый |
|
Выпрямитель (аналог моста Ларионова), пр-ва Япония, 2 кВт (выпрямление 1,4) |
1 |
|
Соединение катушек - БЕЗ НЕЙТРАЛИ! |
Звездой
|
|
Момент страгивания генератора NM, менее |
0.02 |
|
КПД генератора |
98% |
|
Системы безопасности эксплуатации |
||
Ограничение скорости вращения ротора электрическое, в своем рабочем диапазоне |
||
Механизм торможения ротора механическое закарачивание обмоток нагрузки/либо/замыканием обмоток генератора |
||
Электронный редуктор вкл.умножительный диодный столб При его использовании высота крыла может быть уменьшена в 2 раза
|
||
Стандартная высота лопасти м, если используется электронный редуктор в модели 2А |
2 |
|
2В |
2 |
|
3А |
4 |
|
Эксплуатационные параметры |
||
Регламентное обслуживание ветрогенератор не обслуживаемый , срок службы до 15 лет |
||
Диапазон эксплуатационных температур, °C (опционно защита от обледенения) |
- 25…+ 50 |
|
АС/ДС контролер бустерного типа со встроенным модулем зарядки АКБ, входное напряжение от 7В, выходное напряжение 96В Кол-во используемый АКБ ( каскадное увеличение) |
1 шт |
|
Инвертер, ассоциированный с центральной сетью, с функцией ИБП, Подключение АКБ внешнее |
1 шт |
|
Сборка и монтаж ВЭУ
Несмотря на простоту и легкость сборки ветрогенератора, его монтаж, все же, стоит поручить квалифицированным специалистам.
Наши мастера, обладая глубокими познаниями в области электромеханики, в распоряжении которых необходимое оборудование, инструментарий и собственный опыт, безупречно выполнят свою работу. Многопрофильная квалификация членов нашего коллектива обеспечивает четкие и слаженные действия каждого специалиста.
Мы гарантируем оперативное и качественное возведение ветрогенератора на любом объекте.
Безопасность – хорошая привычка
Эксплуатация ВЭУ требует соблюдения мер предосторожности и безопасности. К ним, прежде всего, относятся:
- ограждение ветрогенератора металлической клеткой, превышающей по уровню лопасти ветроколеса;
- заземление, установленное на клетке;
- использование четырехжильного кабеля с сечением 6мм и отводом одной жилы для заземления в мачте;
- при подключении к ВЭУ любых активных нагрузок необходимо соблюдать требования по ее эксплуатации;
- торможение ветрогенератора следует производить при минимальной силе ветра.
Гарантия – залог качества
Стандартная комплектация поставки ВЭУ 1/5 кВт 2А/2В/3А приведена в Таблице 3.
№ п/п |
Наименование |
Серийный номер |
Кол-во |
|||
Упаковочный ящик № 1(Габариты 2040х700х750 мм, вес брутто 120 кг.) |
||||||
1 |
Лопасти моделей 2А 2В 3А |
|
6 шт 9 шт 12 шт |
|||
Упаковочный ящик № 2 (Габариты 1450х540х650 мм, вес брутто 130 кг.) |
||||||
2 |
|
1 |
||||
3 |
Выпрямительный мост встроенный в контроллер |
|
1 шт |
|||
4 |
Траверсы |
|
6 шт |
|||
5 |
Проставки-подкладные под крепления/со стороны крыла |
|
6 шт |
|||
6 |
Прямые крепежи для траверсов/мачта |
|
6 шт |
|||
7 |
кабель |
|
30 м |
|||
8 |
Болты/гайки/шайбы м10 со стороны крыльев |
|
12 шт |
|||
9 |
Болты для крепления фиксирующего верхнего фланца и траверсов м8 |
|
30 шт |
|||
10 |
Скобы для крепления крыльев |
|
12 шт |
|||
11 |
Паспорт |
|
1 шт |
|||
12 |
Фланец Для крепления штивта генератора на мачту |
|
1 шт |
|||
13 |
Болты м 6, дл.100 мм для крепления нижнего фланца (поставляются с генератором от 2 кВт) ВНИМАНИЕ при креплении генератора через фланец к мачте люфта между генератором с фланцем и фланцем мачты не должно оставаться!!! |
|
6 ш |
|||
14 |
Мачте фиксации крыльев к генератору |
|
1 шт |
|||
15 |
Фланцы мачты |
|
4 шт |
|||
16 |
Инвертер 4 кВт ( 5 кВА) с функцией ИБП, входное напряжение 96В, выходное 220 В,50Гц, чистая синусоида, подключение АКБ внешнее |
|
1 шт |
|||
17. |
Выпрямительно-преобразовательный блок АС/ДС контроллер бустерного типа Вход с 7В В, выход 96В |
|
1 шт |
|||
В зависимости от выбранной мощности ВЭУ, условий эксплуатации и размещения ветрогенератора на конкретном объекте в комплект поставки согласно спецификации могут входить дополнительно:
- кабели дополнительной длины и другой номенклатуры;
- аккумуляторные батареи;
- коммутационно-распределительный шкаф, выключатели;
- элементы каркаса для фундамента.
Внимание!!! Ветер в комплект поставки, к сожалению, не входит.
На все комплектующие украинской сборки производитель предоставляет гарантию.
Гарантийные обязательства, поддерживаемые производителем, действительны при соблюдении потребителем условий, предусмотренных эксплуатационной документацией.
Для успешной эксплуатации ВЭУ сборку, монтаж и подключение ветрогенератора рекомендовано поручить поставщику. Специалисты поставщика гарантируют качественную установку ветрогенератора и квалифицированное подключение оборудования. Изменения конструкции, а также работы, выполненные самостоятельно или с привлечением сторонних специалистов, гарантийными обязательствами поставщика не охватываются.
Производитель оставляет за собой право внесения изменений в конструкцию и внедрения новых решений в целях повышения эффективности работы и качества ветроэнергетических установок украинской сборки.
Переход на альтернативные источники энергии – вопрос времени.