Как работает ветрогенератор: от порыва ветра до розетки
Ветрогенератор работает по простому принципу: ветер раскручивает лопасти, те вращают вал, вал крутит генератор, генератор вырабатывает электрический ток. На практике между ветром и розеткой стоит несколько инженерных систем, которые обеспечивают стабильность, безопасность и максимальное извлечение энергии при любой погоде.
Из чего состоит ветрогенератор
Основные части современной ветроустановки: башня, гондола и ротор с лопастями. Башня поднимает ротор на высоту 80–150 м, где ветер устойчивее и сильнее. Изготавливают башни из стальных секций или железобетона; их диаметр у основания достигает 6–8 м, чтобы выдерживать опрокидывающий момент от ветровой нагрузки.
Гондола — это закрытый корпус на вершине башни, в котором размещены главный вал, редуктор (или безредукторная трансмиссия), генератор, тормозная система и блок управления. Длина гондолы крупной промышленной установки мощностью 3–6 МВт составляет 10–15 м, масса достигает 100 тонн.
Ротор состоит из трёх лопастей, закреплённых на ступице. Лопасти делают из стеклопластика или углепластика: материал лёгкий, прочный и не создаёт лишней нагрузки на вал. Длина лопасти современной установки варьируется от 40 до 90 м. Чем длиннее лопасть, тем большую площадь ометания имеет ротор, тем больше энергии он захватывает.
Как лопасти превращают ветер в движение
Лопасть ветрогенератора работает как авиационное крыло, только в горизонтальной плоскости. Её профиль создаёт разницу давления между передней и задней поверхностями, что формирует подъёмную силу. Именно эта сила и раскручивает ротор, а не просто лобовое давление ветра на плоскую поверхность. Поэтому КПД современных трёхлопастных роторов достигает 45–48% от теоретически доступной энергии ветра.
Угол атаки лопастей (шаг) регулируется автоматически: при слабом ветре лопасти разворачиваются, чтобы поймать больше потока, при сильном шторме — ставятся «во флюгер», снижая нагрузку на конструкцию. Ротор начинает вращаться при скорости ветра около 3–4 м/с (ветер начала работы), выходит на номинальную мощность при 12–15 м/с и останавливается при буре свыше 25 м/с во избежание поломки.
Редуктор, генератор и преобразование тока
Ротор крупной установки делает всего 10–20 оборотов в минуту. Генератор же требует 1000–1500 об/мин для выработки тока нужной частоты. Повышающий редуктор согласует эти скорости, передавая вращение от тихоходного вала к быстроходному. Недостаток редуктора — механический износ и потери на трение. Поэтому в части современных установок применяют безредукторную схему с тихоходным многополюсным генератором на постоянных магнитах: он работает прямо на частоте ротора, без промежуточных передач.
Генератор вырабатывает переменный ток, но его частота и напряжение нестабильны, так как скорость ветра постоянно меняется. Поэтому ток сначала преобразуется в постоянный, а затем инвертор делает из него стандартный переменный ток с частотой 50 Гц и нужным напряжением. Из гондолы кабель ведёт вниз по башне к трансформатору, который повышает напряжение до 10–35 кВ для передачи в сеть.
Где в России работают ветрогенераторы
Промышленная ветроэнергетика в России развивается прежде всего в степных регионах с устойчивыми ветрами: в Ростовской, Астраханской, Саратовской областях, на Ставрополье, в Калмыкии и Ульяновской области. Суммарная установленная мощность ветропарков в стране превышает 2 ГВт. Отдельное направление: небольшие ветроустановки мощностью 5–100 кВт для электроснабжения отдалённых посёлков, метеостанций и объектов на Крайнем Севере, куда завозить дизельное топливо слишком дорого.
