генератор

В нашем решении мы остановились на аксиальном многополюсном генераторе с постоянными магнитами Ni-Fe-B. Причем, ось с обмотками неподвижна, а внешняя обойма с магнитами – ротор. Это позволяет закрепить лопасти ветряка с механизмом складывания непосредственно на корпусе генератора. Таким образом, ветряк имеет всего два подшипника.

Ротор с постоянными магнитами выполнен в виде двух плит-магнитопроводов. Корневая плита закреплена на фланце корпуса болтами, вторая плита закреплена к корневой через дистанционные втулки, обеспечивающие необходимый зазор для статора с обмотками.

Статор закреплен на неподвижной оси между двумя плитами-магнитопроводами и контакты от всех обмоток выведены на ось через отверстие второй плиты ротора. Это отверстие выполнено достаточно большим (что упрощает электромонтаж), и ориентировано на набегающий поток воздуха. Вращающийся ротор и подпор набегающего потока воздуха обеспечивают эффективную вентиляцию обмоток, что позволяет генератору поддерживать большой ток нагрузки.

<< Начало

Таким образом, задача «построить хороший ветряк» трансформируется в задачу «построить «правильный» ветряк для конкретного места и конкретного потребителя». Здесь уместно посмотреть на существующий рынок и прояснить для себя плюсы и минусы существующих конструкций.

Для того чтобы сравнивать, нужно остановиться на каких-то параметрах (желательно цифровых) и приложить эти параметры к районам эксплуатации. Важнейшей характеристикой места эксплуатации является его «производительность», т.е. количество энергии, которое потенциально имеет ветер. Достаточно определенно эту «производительность» характеризует скорость ветра, например за год. Районы СНГ можно условно разбить на три, по среднегодовой скорости ветра:
– менее 3 м/с;
– от 3 до 5 м/с;
– более 5 м/с.

При этом нужно помнить, что скорость ветра распределена неравномерно по времени. Для просторов СНГ чаще всего общей является зависимость – слабые ветра 70-80% времени, средние ветра – 15-20% времени, сильные ветра – 5-7%, очень сильные ветра – 2-3%, штормы – 1%. Таким образом, чаще всего дует ветер 1-3 м/с. Штормы встречаются очень редко. Отсюда следует, что разумно ориентироваться на слабые ветра, даже если при сильных и штормовых ветрах придется ветряк остановить или сложить. Система увода ветряка из-под сильного ветра, конечно усложняет его конструкцию, но это уже следующий вопрос.

Теперь само время посмотреть на предложение. Большинство предлагаемых моделей – лопастные ветряки с горизонтальной осью разных размеров и соответственно мощности с двумя, тремя и четырьмя лопастями. Реже встречаются ветряки с большим количеством лопастей. Фирмы предлагают разнообразную комплектацию: от отдельных узлов до полного комплекта с монтажом и наладкой у заказчика. Некоторые модели собственного производства, много предложений импортных агрегатов – от китайских до уважаемых европейских производителей.

Если обратиться к цифровым показателям – видно, что заявленные мощности ветрогенераторы «выдают» при скоростях ветра 8-15 м/с; при этом минимальная скорость ветра (так называемая скорость страгивания) 2,5-4 м/с., максимальная эксплуатационная – 25-45 м/с. Несколько другие показатели имеют многолопастные и стаксельные ветряки. Минимальная скорость ветра 0,5-1,5 м/с. Максимальная мощность при скоростях ветра 6-20 м/с. максимальная эксплуатационная скорость ветра – 15-30 м/с.
Разница характеристик определяется в основном «заполненностью» окружности, которую описывают лопасти. Когда лопасти вращаются достаточно быстро, вся окружность используется достаточно эффективно и мало зависит от количества и площади лопастей. А вот на слабых ветрах многолопастные и стаксельные ветряки явно выигрывают. Им есть чем «ловить» ветер, они способны преобразовать в полезную работу очень слабые потоки воздуха. При усилении ветра они теряют преимущество, а на сильных ветрах проигрывают «лопастникам». Потери на трение растут вместе со скоростью.

Теперь попытаемся характеристики ветряков «привязать к местности». Становится понятно что в большинстве районов СНГ «лопастники» как правило стоят или работают в пол-силы. Исключение составлять будут прибрежные районы. Об этом же говорят и отзывы потребителей – часто ветроагрегаты не оправдывают ожидания потребителей. Мощность оказывается недостаточной на больших промежутках времени.
По многолопастным и стаксельным ветрякам опыта эксплуатации меньше, но расчетные показатели и тот опыт что есть говорят о более высокой эффективности на большей территории СНГ.

Проблемы эксплуатации и их решения

Если обобщить проблемы эксплуатации ветряков то их две: слабый ветер и сильный ветер. Потребителя раздражает, когда дорогостоящее устройство простаивает из-за слабого ветра или после поломки от сильного ветра. Причем тут важно правильно оценивать последствия. Разработчики умаляют последствия простоя от безветрия и сильно преувеличивают последствия от сильного ветра. В реальности простой – это прямые потери. И несколько недель безветрия могут принести больше потерь чем замена детали в течении пары дней после поломки от шторма.

Увеличивать запас по мощности тоже не выход. Если покупать ветрогенератор максимальной мощностью в 10 кВт для того, чтобы он вырабатывал 2 кВт, как минимум дороговато. А в конечном итоге лишние затраты ложатся на стоимость энергии.
С другой стороны, способность противостоять штормовым ветрам тоже ложится бременем на цену из-за утяжеления конструкции. А может быть не нужно противостоять шторму? Трава ведь не борется с ветром! Она ложится на землю, а потом поднимается, как ветер стихнет. А пальма «отдает» все листья, но спасает ствол. Листья быстро отрастают заново.

Можно попытаться описать «идеальный» ветряк:
– простая генераторная головка заданной мощности, способная работать на малых скоростях;
– легкие лопасти большой площади, чтобы «снять» энергию с минимального ветра;
– система складывания лопастей при усилении ветра;
– опора, опускающая генератор с лопастями при усилении ветра;
– нужно иметь возможность увеличивать/уменьшать мощность ветроагрегата в некоторых пределах, не перестраивая всю конструкцию.

Конструкция генератора для ветряка должна удовлетворять одновременно нескольким основным требованиям:
– генератор должен быть тихоходным;
– никаких щеток и скользящих контактов;
– возможность коммутирования обмоток с целью удержания напряжения в определенных пределах;
– простота;
– технологичность;
– ремонтопригодность.

Сайт постоянно обновляется! См. также рубрики:

• Ветроголовка и лопасти
• Генератор
• Мачта
• Электрооборудование
• Спецификация и цена

Вадим Беляев,
главный конструктор компании “Ветронет”