Малая ветроэнергетика

Термином «малые» обозначаются ветряные турбины, в идеальных условиях способные произвести до 20 кВт электроэнергии. Этого достаточно для обеспечения электричеством практически любого жилого дома. Как и крупные ветряные турбины, малые не способны производить энергию на постоянной основе. Для того чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение при помощи малой ветряной турбины, необходимо оборудовать ее накопительными батареями, или подключить ее к линии электроснабжения, или сделать и то и другое.

Как это работает

Ориентация к ветру большинства малых ветряных турбин в отличие от мощных ветряков обеспечивается за счет прикрепленной к гондоле флюгарки. Она работает в целом по тому же принципу, что и старый добрый флюгер. Когда ветер достаточно силен для работы турбины, флюгарка поворачивается под ветер, а вся система напоминает миниатюрный одномоторный самолет без крыльев. В нормальных рабочих условиях плоскость, образуемая вращающимися лопастями турбины, перпендикулярна направлению ветра.

Скорость вращения лопастей малых ветряных турбин меняется в зависимости от силы ветра. В результате частота переменного тока, вырабатываемого размещенным в гондоле генератором, также меняется. Этот генератор схож с альтернатором (синхронным генератором переменного тока) автомобиля — некоторые производители его так и называют. Переменный ток альтернатора преобразуется в постоянный в цепи выпрямителя и используется для зарядки аккумуляторных батарей. Они снабжают электричеством бытовые приборы либо напрямую — в этом случае должна использоваться специальная домашняя аппаратура постоянного тока, — либо через инвертирующий усилитель мощности, преобразующий низковольтный постоянный ток из батарей в переменный ток напряжением в 117 вольт и частотой 60 Гц (в США) или 50 Гц (в Европе и других странах).

Когда скорость ветра превосходит определенный уровень, малая ветряная турбина поворачивается под некоторым углом к направлению ветра.. Обычно плоскость вращения лопастей турбины перпендикулярна оси флюгарки, но при сильном ветре этот угол меняется. Это снижает нагрузку на лопасти, позволяя при этом турбине продолжать работу. Если ветер усиливается, угол между плоскостью вращения и осью флюгарки все уменьшается до тех пор, пока не становится равным нулю, когда плоскость вращения лопастей совпадает с направлением ветра. Изменение угла между плоскостью вращения лопастей турбины и направлением ветра называется сворачиванием. Оно осуществляется как в горизонтальной плоскости (когда лопасти поворачиваются вокруг вертикальной оси налево или направо), так и в вертикальной (когда лопасти запрокидываются вверх).

Изменение шага лопасти также позволяет малой ветряной турбине регулировать нагрузку ветра. Малый шаг лопасти (когда плоскость поверхности каждой лопасти лежит примерно в плоскости вращения колеса турбины) снижает нагрузку ветра на систему, и она производит меньше электроэнергии, чем при большом шаге (когда плоскость поверхности каждой лопасти установлена под углом к плоскости вращения колеса). Этот принцип повторяет тот, что заложен в основу работы винтовых самолетов, с точностью до наоборот. При низкой скорости ветра шаг лопасти максимален. С усилением скорости ветра шаг лопасти уменьшается. В конечном счете при очень сильном ветре шаг лопасти становится равен нулю, лопасти останавливаются и закрепляются в этом положении. Это максимально снижает нагрузку на лопасти, для того чтобы избежать механических повреждений. Турбина при этом останавливается.