Jak działa elektrownia wiatrowa? Jak zbudować model wiatraka?

Jak działa elektrownia
wiatrowa? Jak
zbudować model
wiatraka?
 Elektrownia wiatrowa to zespół urządzeń
produkujących energię elektryczną,
wykorzystujących do tego turbiny
wiatrowe. Energia elektryczna uzyskana z
wiatru jest uznawana za ekologicznie
czystą, gdyż, pomijając nakłady
energetyczne związane z wybudowaniem
takiej elektrowni, wytworzenie energii nie
pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.
Jak działają elektrownie
wiatrowe?
 Elektrownie wiatrowe mogą wytwarzać energię elektryczną tylko
wtedy, gdy wieje wiatr - i to w dodatku z prędkością większą od
prędkości tzw. startowej, poniżej której turbina po prostu stoi.
Przydomowe elektrownie wiatrowe są całkowicie niezależnymi
źródłami energii, w których instaluje się jeden z dwóch rodzajów
prądnic:
 1) prądu stałego,
2) małe, trójfazowe - asynchroniczne.
Elektrownie z prądnicą prądu stałego (najczęściej stosowane) mogą
zasilać obiekty, jeżeli są wyposażone w regulator napięcia oraz
akumulatory do gromadzenia energii, a jeśli mają dostarczać prąd
przemienny (taki jak w sieci) - muszą mieć falownik. Jeśli
elektrownie te mają zasilać dom mieszkalny, to wspomniane
urządzenia składowe umieszcza się zwykle w pomieszczeniach
gospodarczych, garażach itp.
Rodzaje elektrowni wiatrowych
 Ze względu na moc elektrownie wiatrowe
dzieli się na modele "mikro", "małe" i
"duże". Do zasilania domów stosuje się
głównie dwa pierwsze rodzaje.
Mikroelektrownie wiatrowe
 Mikroelektrownie wiatrowe to modele poniżej 100
Watów (W) mocy. Używa się ich najczęściej do
ładowania baterii akumulatorów stanowiących
zasilanie obwodów wydzielonych - tam, gdzie nie
ma sieci elektroenergetycznej, lub z jakiegoś
powodu nie chce się z niej korzystać. Takie
elektrownie można wykorzystać do zasilania przez
akumulatory części oświetlenia domu:
pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych
pomieszczeń czy urządzeń.
Mikroelektrownia wiatrowa
Małe elektrownie wiatrowe
 Małe elektrownie wiatrowe to nieco większe
modele o mocy od 100 W do 50 kW. Modele z
tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w
pojedynczych gospodarstwach domowych, a
nawet w małych firmach. W warunkach
przydomowych najpopularniejsze są elektrownie
3-5 kW. Moc takich elektrowni, wspomagana
energią zmagazynowaną w akumulatorach,
wystarczy nierzadko do zasilania oświetlenia,
układów pompowych, sprzętu i urządzeń
domowych.
Mała elektrownia wiatrowa
Duże elektrownie wiatrowe
 Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce
powyżej 100 kW), oprócz tego, że mogą
zasilać dom, stosowane są przede
wszystkim do wytwarzania prądu, który
sprzedaje się sieci elektroenergetycznej.
Taka elektrownia musi spełniać
szczegółowe wymagania lokalnego
operatora sieci, potrzebna jest też
oczywiście jego zgoda na takie
przyłączenie.
Duże elektrownie wiatrowe
Budowa małej
przydomowej
elektrowni
wiatrowej
Maszt
 Na początku na betonie zostały
zaznaczone miejsca w których będzie
nacinany drut fi 6mm. Jak widać na
dołączonym zdjęciu odległości pomiędzy
znacznikami to 150mm. Dzięki takiej
operacji prościej będzie znaleźć punktu
gięcia elementów rozporowych masztu
(zdj. 1). Pręt zostaje nacięty do połowy
grubości, czyli około 3mm (zdj. 2).
 Zdj.1
 Zdj.2
 Następnie rurka cal i ćwierć (33mm
średnicy), grubościenna. Widoczne co
30cm oczyszczone miejsca w których
następnie przyspawane wygięte wcześniej
pręty rozporowe. Pełnią one również rolę
doskonałej drabinki. Z uwagi na
planowaną wysokość masztu oraz brak
konieczności wyjątkowej sztywności
konstrukcji zrezygnowano z prętów
skośnych (zdj.3).
 Zdj.3
 Maszt już gotowy i pomalowany. Kolory biały i czerwony - standard, jeśli chodzi o
kolorystykę masztów. Będzie lepiej
widoczny dla przelatującego ptactwa lub
motolotniarzy (zdj.4).
 Zdj.4
 Poniżej sposób zamocowania masztu.
Polega on na zakopanej na głębokość 150cm
kostce trelinkowej (zdj.5). Kostka jest przewiercona
na wylot. Przez otwór przechodzi szpilka fi 14mm z
przykręconym do niej metalowym uchem do którego
zaś przykręcony jest łańcuch. Na powyższym
zdjęciu widać mocowanie linki odciągu do łańcucha
- śruba rzymska. Później dołożyłem kolejny (trzeci)
zacisk powyżej śruby rzymskiej który utrzymuje
łańcuch w stanie naciągniętym a tym samym
zabezpiecza śrubę rzymską, gdyby w jakiś dziwnych
okolicznościach ścięło jej gwint (zdj.6).
 Zdj.5
 Zdj.6
 Koniec pracy z masztem. Ma on 9 m. wysokości.
Łopaty
 Do wykonania łopat zastosowano drewno
świerkowe (150x50x1250mm) z tej
przyczyny, iż łatwo się je obrabia i jest
dość wytrzymałe jak na nasze warunki
pogodowe (zdj.8,9).
 Zdj.8
 Na zdj.9 łopaty gotowe do mocowania
Stator
 Stator to typowa trójfazowa "prądnica amerykana". Składa się
on z trzech sekcji po trzy cewki na sekcję drutu nawojowego fi
1,2mm w ilości 84 zwojów na cewkę. Grubość cewki wynosi
około 10mm.
Układ ten połączony w gwiazdę przy 150 obrotach na minutę
daję na obciążenie, w postaci akumulatora 12V 176Ah,
napięcie 13.2V 2A (zdj.10). Niestety nie było możliwości
zmierzyć napięć i natężeń przy innych obrotach. Ciekawostką
jest fakt, iż przy ostatnich burzach, a wiatry wcale nie były
silne, udało się zaobserwować napięcie ograniczone przez
układ ładowania do 14.4V (napięcie mierzone na zaciskach
akumulatora - typowe napięcie ładowania dla akumulatora),
250W szło w grzałkę oraz blisko 17A prądu generowane
przez prądnicę wiatraka. Wiatrak został ustawiony z
kierunkiem wiatru.
 Zdj.10
 Cewki prądnicy zatopione zostały w żywicy poliestrowej.
Ilość jaka została zużyta to prawie 2 litry.
 UWAGA! Proszę nie sugerować się kształtem cewek z
powyższego zdjęcia gdyż ten jest zły. Odpowiedni kształt
cewki przedstawia poniższa animacja (zdj.11). Dla tych
którzy noszą się z zamiarem wykonania prądnicy o
większej mocy mała informacja - żywica poliestrowa
niezbyt dobrze znosi temperatury powyżej 70oC, a
podczas produkcji prądu prądnica się nagrzewa. Co
prawda prąd produkowany jest tylko w czasie wiatru,
jednak znaczną część prądnicy zasłania rotor i śmigło,
poza tym żywica nie jest najlepszym przewodnikiem
ciepła więc chłodzenie całego układu może okazać się
niewystarczające.
 Zdj.11
Rotor
 Rotor składa się z dwóch stalowych tarcz grubości
6mm i średnicy 296mm (zdj.12). Stal musi wykazywać
właściwości magnetyczne - czyli nie może to być stal
nierdzewna czy aluminium. Udało się zakupić takie
cztery krążki. Na każdej z dwóch tarcz w żywicy
poliestrowej zatopione jest 12 magnesów
neodymowych N38 10x25x45mm. Takie powinny "dać
radę" cewce grubości 10mm, odległość pomiędzy
magnesami wyniesie 14mm. Ilość magnesów można
wyliczyć ze wzoru:
ilość cewek / 3 x 4 = ilość magnesów na jedną tarczę
rotora.
 Zdj.12
 Zdj.13
Wklejanie magnesów
 Poniżej jedna z tarcz na chwilę przed zalaniem
żywicą poliestrową (zdj.14). Tektura falista okazała
się bardzo dobrym materiałem na ścianki. Aby
żywica się nie wylewała zastosowałem cienkie paski
przeźroczystej taśmy klejącej.
 Zdj.14
Głowica
 Typowy „amerykanin". Jedyne co się zmieniło
to zastosowanie piasty od poloneza. Po
wymianie łożysk sprawuje się idealnie
(zdj.15).
 Zdj.15
 Poniżej przedstawiono element tzw. „zawias”
przyspawany pod kątem do głowicy tworzy
zabezpieczenie przeciwburzowe (zdj.16). Dzięki
takiej konstrukcji ogon wiatraka ma tendencje do
samoistnego powrotu do położenia spoczynkowego
- dzięki temu nie trzeba stosować bocznego żagla,
sprężyn czy ciężarków na linach. Wiatr burzowy
odchyla koło wiatrowe umieszczone mimośrodowo
względem osi obrotu głowicy. Ogon, który ustawiony
jest zawsze pod wiatr, poprzez ukośną zawiasę i
obrót głowicy unosi się pokonując siły grawitacyjne.
Prędkość obrotowa spada. Gdy prędkość wiatru
maleje ogon, z uwagi na swój ciężar, powraca do
punktu spoczynkowego ustawiając koło wiatrowe
znowu pod wiatr.
 Zdj.16
 Poniżej przedstawiono przekrój poprzez głowicę
ukazujący sposób mocowania (zdj.17). Dwa łożyska
umożliwiają obrót głowicy wokół własnej osi. Myślę,
iż rysunek jest czytelny i nie ma konieczności
dokładnego go opisywania, natomiast kilka słów
wyjaśnienia należy się odnośnie przewodu, który
zwisa swobodnie, biegnąc środkiem wzdłuż masztu.
Szybkozłącze na dole umożliwia odkręcenie
przewodu gdyby ten nadto się skręcił. Jak dotąd nie
było konieczności by taką operację przeprowadzać.
 Zdj.17
Kołpak
 Osłona została wykonana ze styropianu 100mm
sklejonego za pomocą silikonu. Potem przy
pomocy papieru ściernego 60 i wiertarki został
"wytoczony" pożądany kształt (zdj.18). Kołpak
przed laminowaniem należy okleić paskami
gazet. Po stwardnieniu kleju można zacząć
pracę z żywicą. Na koniec należy całość
oszlifować i pomalować farbą.
 Zdj.18
 Całość przed zamontowaniem łopat. Ważna
uwaga: Przy zakładaniu drugiej tarczy trzeba
koniecznie uważać na palce by ich nie stracić.
Siła z jaką przyciągają się magnesy jest potężna
i daje się ją odczuć już przy odległości około 10
cm pomiędzy tarczami. Głowica wraz z łopatami
i ogonem waży około 25kg (zdj.19).
 Zdj.19
Elektronika
 Na zdjęciu poniżej widać układ z przetwornicą "firmową" o
mocy ciągłej 600W (zdj.20). Układ zatrzasku zabezpiecza
akumulator przed nadmiernym rozładowaniem. Jeśli
napięcie spadnie poniżej 11.5V układ odłączy przetwornicę
i przełączy się na prąd z sieci (do tego celu służy
przekaźnik na płytce zatrzasku oraz przekaźnik podłączony
do zacisków 220V przetwornicy). Jeśli w trakcie ładowania
napięcie na zaciskach akumulatora przekroczy 13.0V układ
automatycznie przełączy się znowu na przetwornicę. W
trakcie użytkowania elektrowni zauważyłem, iż warto
wykorzystywać każdy wiatr - stąd ustawione na 13V
napięcie przełączenia na prąd z wiatru. Gdy napięcie na
ładowanym akumulatorze przekroczy 14.4V włączy się
dwustopniowy układ zabezpieczenia, który będzie
ograniczał prąd ładowania. Układ ten widoczny jest z lewej
strony. Licznik mierzy tylko prąd produkowany przez
przetwornicę - wiadomo ile się zaoszczędziło (bądź za ile
nie trzeba płacić).
 Zdj.20
Schemat przetwornicy, zespołu
prostowniczego i zatrzasku
sterownika oraz przekaźników
wykonawczych i regulatora
ładowania
 Uproszczony schemat elektryczny dla
przetwornicy wykonanej samodzielnie
 Zespół prostowniczy
Sterownik - zatrzask
 Przekaźniki wykonawcze
 Regulator ładowania
Film z działania turbiny
wiatrowej
Koniec
Autor prezentacji:
Piotr Warot
Autor projektu turbiny wiatrowej:
Waldemar Pachoł
[email protected]