Принцип выработки электроэнергии с помощью ветрогенераторов

Ветер и ветроэнергетическая установка (ВЭУ).

В данном случае источником энергии является то, что всякое движение несет в себе кинетическую энергию. Для нас это движущийся воздушный поток (ветер), который и обладает кинетической энергией Э_в.п.:

Э_в.п. = ½ mv² - это формула для кинетической энергии воздушного потока с площадью сечения F и скоростью движения v.

Поскольку за секунду через сечение F проходит масса воздуха m = ρFv [кг/с], то мощность воздушного потока N_в.п. [Ватт] пропорциональна площади сечения воздушного потока F (радиус ветроколеса (лопастей) у данной ВЭУ – 1,5 м) и кубу скорости движущегося воздушного потока v³:

N_в.п. = ½ρFv³ [Вт], где ρ – плотность воздуха: 1,226 кг/м³.

Умножая на время t, мы получаем формулу для энергии воздушного потока Э_в.п. [Вт×ч] при постоянной скорости ветра v:

Э_в.п. = N_в.п. × t = ½ρFv³t

Из формул для энергии и мощности ветрогенерации видно, что самым важным параметром является скорость ветра v в точке, где установлена ВЭУ. Поэтому в основе ветроэнергетических расчетов лежат данные о ветровом режиме региона.

В зависимости от местонахождения точки земной поверхности подробные данные получаются в результате многолетних наблюдений за ветром на близлежащих метеорологических станциях или с помощью различных методов, позволяющих восстановить характеристики ветра на метеостанциях, расположенных в сравнимых условиях, либо интерполяцией характеристик ветрового режима. Вся информация о распределении ветра обычно приводится к высоте флюгера, равной 10 м, и усредняется по ряду значений и по срокам. При проведении ветроэнергетических расчетов использовались данные климатических справочников, в которых скоростные режимы заданы в виде эмпирических кривых повторяемостей скоростей ветра. Эмпирическая повторяемость скоростей показывает какую часть времени в течение рассматриваемого периода были ветры с той или иной скоростью. С помощью этой характеристики мы выявляем энергетическую ценность ветра и находим основные показатели, определяющие эффективность и целесообразность использования энергии ветра Э_в.п.

Далее для преобразования энергии ветра в электрическую мы используем ветрогенератор (ветряк) или ветроэнергетическую установку (ВЭУ) с горизонтальной осью вращения, параллельной направлению ветрового потока. ВЭУ выполнена в виде ветроколеса с тремя лопастями, расположенными по радиусам и под углом к плоскости вращения, и синхронного генератора переменного электрического тока. Рабочий момент на ветроколесе создается под действием аэродинамических сил, возникающих на лопастях, имеющих специальный аэродинамический профиль. Для ориентации ветроколеса по направлению ветра у ВЭУ используется «хвостовое оперение».

Мощность ветрогенератора N_вэу [Вт] определяется по следующему выражению:

N_вэу(υ(t)) = N_в.п.× η_вэу = ½·ρ·F_вк·v³(t)·η_вэу,

где η_вэу – КПД ВЭУ при данной скорости ветра v.

Таким образом, за счет вращения ветроколеса и посаженных с ним на одну ось постоянных магнитов внутри медной обмотки, мы получаем на контактах генератора разность потенциалов, т.е. электрическое напряжение U [B], которое дает нам электрическую мощность N_эл. [Вт], а с течением времени и электрическую энергию Э_эл. [Вт×ч]:

N_эл.(υ(t)) = U(v(t)) × I (v(t)) = ½·ρ·F_вк·v³(t)·η_вэу; → Э_эл.= N_эл.(v(t)) × t

Для данной ВЭУ номинальное значение мощности N_эл.составляет 1000 Ватт = 1 кВт при скорости ветра v= 8,5 м/с. При увеличении скорости ветра до 12 м/с мощность данной ВЭУ достигнет своего максимального значения 2000 Вт = 2 кВт. В дальнейшем, если скорость ветра будет увеличиваться более 12 м/с, то, вследствие аэродинамических законов, мощность ВЭУ больше увеличиваться не будет, а наоборот сократится до нуля. В московском регионе практически все ветра находятся в диапазоне скоростей от 0 до 12 м/с, что позволяет нам получить достаточное количество электричества при помощи ветрогенератора от компании «Свободная Энергия».

Однако, как видно из графика, при скоростях ветра менее 3 м/с мы имеем малую мощность ветрогенератора, а, следовательно, и не большое количество электроэнергии. И в этом случае мы можем воспользоваться другим неиссякаемым источником энергии: нашим небесным светилом – Солнцем.

Так же, Вы можете ознакомиться с теорией преобразования энергии Солнца в электрическую энергию используя солнечные батареи.