Практически вся электроэнергия производится установками, использующими энергию природных ресурсов. Темпы производства постоянно увеличиваются, и полезные ископаемые рано или поздно закончатся. В связи с этим, уже сейчас ведутся перспективные разработки, внедряются новые технологии, выступающие в качестве альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких вариантов являются ветряные электростанции, применяемые в производственной сфере и в частном секторе. Превращая энергию ветра в электричество, они способны обеспечить основные потребности в питании приборов и электрооборудования.
Устройство ветряной установки
Ветрогенераторы отличаются абсолютной экологической чистотой и способны обеспечивать бесплатной энергией потребителей в течение неограниченного времени. Ветряные генераторы – ВЭС обладают различной мощностью, что дает возможность использовать их в разных областях.
Максимальной эффективности ветряной электростанции можно добиться, установив ее в местах с постоянными активными воздушными потоками. Обычно для этого используются горы и холмы, берега морей и океанов и другие аналогичные условия. Основной деталью установки служит крыльчатка, выполняющая функцию турбины. В большинстве случаев используются трехлопастные конструкции ВЭС в виде пропеллера, устанавливаемые на большой высоте от земной поверхности.
Для того чтобы получить наибольший эффект, лопасти вместе с ротором устанавливаются в оптимальное положение при помощи специальных механизмов, в зависимости от направления и силы ветра. Существуют и другие конструкции – барабанные, не зависящие от вышеперечисленных факторов и не требующие каких-либо регулировок. Однако, если КПД пропеллерных установок находится на уровне 50%, то у барабанных устройств он значительно ниже.
Каждая воздушная электростанция, независимо от конструкции, полностью связана с действием воздушных потоков, часто изменяющих свои показатели. Это в свою очередь приводит к изменениям количества оборотов крыльчатки и производимой электрической мощности. Такое положение требует сопряжения генератора и электрической сети при помощи дополнительного оборудования.
Как правило, для этого используются аккумуляторные батареи вместе с инверторами. Вначале от генератора осуществляется зарядка АКБ, для которой равномерность тока не имеет значения. Далее заряд аккумулятора, преобразованный в инверторе, передается в сеть.
Пропеллерные конструкции ВЭС в случае необходимости могут управляться. При слишком высокой скорости ветра, производится изменение угла атаки лопастей, вплоть до самого минимального. Это приводит к снижению ветровой нагрузки на турбину. Тем не менее, под действием ураганов, крыльчатки ветровых электростанций нередко подвергаются деформациям, и вся домашняя установка выходит из строя. Полностью избежать негативных воздействий не получается, поскольку электрические генераторы размещаются на высоте, составляющей в среднем 50 м. За счет этого удается использовать более сильные и стабильные ветра, господствующие на больших высотах.
Изготовление ветряка своими руками
Основные работы, которые предстоит сделать, это — изготовление и установка вращающегося ротора. Прежде всего следует выбрать тип конструкции и ее размеры. Определиться в этом поможет знание требуемой мощности устройства и производственные возможности.
Большинство узлов (если не все целиком) придется изготовить самостоятельно, поэтому на выбор повлияет, какие познания имеются у создателя конструкции, с какими приборами и устройствами он знаком наилучшим образом. Обычно сначала делается пробный ветряк, с помощью которого проверяется работоспособность и уточняются параметры сооружения, после чего приступают к изготовлению рабочего ветрогенератора.
Работа системы торможения
При высокой скорости воздушного потока ветровые электростанции могут выйти из строя. Чтобы этого не случилось, в конструкции применяется тормозная система. В ней используется сила действия вращающихся магнитов ротора. Они не только индуцируют ток в обмотках статора, но и в определенной ситуации замедляют движение вала. С этой целью требуется создать короткое замыкание, вызывающее противодействие и замедляющее вращение.
Автоматическое торможение наступает при скорости ветра свыше 50 км/ч. Если скорость возрастает до 80 км/ч, в этом случае происходит полная остановка лопастей. Конструкция турбины позволяет максимально эффективно использовать энергию ветра и путем двойного преобразования энергии получать электрический ток. Наличие аккумуляторной батареи дает возможность использовать электроприборы при полном отсутствии ветра.
Некоторые конструкции установок оборудованы ветровым датчиком, собирающим информацию о параметрах воздушного потока. В конечном итоге мощность ветровой установки на выходе будет зависеть от мощности подключенного инвертора. Исходя из этого показателя определяется и максимально возможное количество подключаемых приборов. С целью увеличения выходной мощности установки, рекомендуется параллельное подключение сразу нескольких инверторов. В трехфазных системах на каждую фазу устанавливается собственный инвертор.
Технические характеристики
При покупке контроллера заряда для ветрогенератора необходимо внимательно изучить его техпаспорт. При выборе важны характеристики:
- мощность — должна соответствовать мощности ветровой установки;
- напряжение — должно соответствовать напряжению АКБ, установленных на ветряк;
- макс. мощность — обозначает максимально допустимую мощность для модели контроллера;
- макс. ток — обозначает, с какими максимальными мощностями ветрогенератора может работать контроллер;
- диапазон напряжения — показатели макс. и мин. напряжения АКБ для адекватной работы устройства;
- возможности дисплея — какие данные об устройстве и его работе выводятся на дисплей у той или иной модели;
- условия эксплуатации — при каких температурах, уровне влажности может работать выбранное устройство.
Если вы не можете подобрать устройство контроля заряда самостоятельно, свяжитесь с консультантом и покажите ему технический паспорт своего ветряка. Прибор выбирается в соответствии с возможностями ветровой установки. Неправильные условия эксплуатации и отклонения от диапазона напряжения пагубно скажутся на работе всей ветровой системы.
Классификация
Основными критериями, определяющими типы ветряных установок, являются следующие:
- Различие по количеству лопастей. Быстроходные и малолопастные имеют до 4 лопастей, а 4 и выше относятся к тихоходным многолопастным устройствам. Чем меньше количество лопастей, тем выше обороты двигателя.
- Величина номинальной мощности. Бытовые – до 15 кВт, полупромышленные – от 15 до 100 кВт, промышленные – от 100 кВт до 1 Мвт. Границы между показателями довольно условные, поэтому установки применяются там, где это действительно необходимо.
- Направление оси. В конструкциях используются два типа. В первом случае это горизонтальная ось, расположенная перпендикулярно относительно движения воздуха, напоминающая обычный флюгер. Такие генераторы отличаются более высоким КПД и приемлемой стоимостью. Второй вариант – это вертикальная ось, благодаря которой конструкция генератора становится более компактной. Она не зависит от направления ветра, а ее лопасти изготовлены в виде турбин. Нагрузка на ось значительно снижена, поэтому и мощность таких установок гораздо меньше. В некоторых электростанциях одновременно используется несколько генераторов с различными осями, объединенными в сеть, что позволяет получить высокую мощность на сравнительно небольшой площади.
Плюсы и минусы
К достоинствам использования энергии ветра, а соответственно и ветровых генераторов,относятся следующие:
- Энергия ветра – это возобновляемая энергия, обладающая неисчерпаемостью ресурсов;
- Экологичность энергетического ресурса и процесса производства электрической энергии;
- Способность быстрого выполнения монтажа установок и обеспечения потребителей электрической энергией;
К недостаткам можно отнести следующие:
- КПД установок зависит от времени года, погодных условий и региона монтажа агрегата;
- Высокий уровень шума при работе агрегатов;
- Опасность для пернатых обитателей региона, где установлен ветровой генератор;
- При промышленном производстве электрической энергии, при использовании ветровых генераторов, требуются значительные площади земли.
Особенности выбора
Основным критерием, которым руководствуются покупатели, являются размеры ветряной установки. Чем больше ее размер, тем выше вырабатываемая мощность. Поэтому, выбирая ветряные электростанции для дома, нужно заранее рассчитать месячное энергопотребление. Полученный результат умножается на 12 месяцев.
Далее расчеты для частного дома ведутся при помощи формулы: AEO = 1.64 х D х D х V х V х V, в которой АЕО является электроэнергией, потребляемой за год, D – диаметр ротора в метрах, V – среднегодовая скорость ветра в м/с. Подставив нужные значения, можно легко рассчитать размеры требуемой установки.
Приобретая электростанцию, следует заранее продумать о месте ее расположения. В этом случае учитываются следующие факторы:
- Территория возле генератора должна быть свободной от построек, сооружений, деревьев и других факторов, снижающих продуктивность установки. Имеющиеся помехи располагаются на расстоянии не ближе 200 метров от места установки.
- Высота конструкции для монтажа генератора должна быть как минимум на 2-3 метра выше помех, имеющихся на прилегающей территории.
- Расстояние от жилых домов – не менее 30-40 м, поскольку при вращении лопастей создается некоторый шум, вызывающий у окружающих определенный дискомфорт.
- Следует учитывать среднегодовые изменения погодных условий, когда в одном и том же месте в течение года будет вырабатываться разное количество электроэнергии.
Принцип действия ветрогенератора
Принцип работы ветрогенератора построен на преобразовании кинетической энергии силы ветра в энергию вращения вала генератора. Для вертикальных ветрогенераторов, вертикальная ось соединена с вертикальным ротором. Генератор и ротор расположены внизу конструкции. Лопасти закреплены в вертикальной оси.
Вращаясь, лопасти заставляют вращаться ротор генератора, который начинает вырабатывать переменный и нестабильный ток. Это ток идет на контроллер, который преобразует его в постоянное напряжение и заряжает аккумуляторы. С аккумулятора питание идет на инвертор, назначение которого превращение постоянного тока в переменное напряжением 220 В или 380 В, которое поступает к потребителям электроэнергии.
Преимущества ветровых генераторов
Ветровые электростанции уже долгое время используются в быту, на производстве и других областях.
За это время удалось выявить их основные положительные качества и преимущества:
- Энергия ветра, используемая для ветроэлектростанций, является бесплатной и самое главное – возобновляемой. Устройства не загрязняют окружающую среду и не выделяют каких-либо вредных веществ. В перспективе планируется еще шире использовать экологически чистые ветровые электростанции в России, что позволит сократить количество обычных установок с вредными выбросами.
- Снижается зависимость электроснабжения через центральные электрические сети.
- Широкие перспективы для дальнейшего развития и внедрения новых прогрессивных технологий, и это не последние достоинства этих установок.
- Постепенное снижение затрат на получение энергии, без которых не обойтись на первоначальном этапе. В течение последних 20 лет стоимость оборудования и комплектующих снизилась примерно на 80%. Энергия ветра становится наиболее прибыльной среди всех альтернативных источников электроэнергии.
- Ветряки имеют достаточно высокий срок эксплуатации, составляющий 20-30 лет. В течение этого срока окружающий ландшафт остается неповрежденным.
- Простота сборки и дальнейшего использования. Ветряная электростанция монтируется очень быстро, затраты на ремонт и обслуживание сравнительно низкие. Произведенная электроэнергия количественно превышает затраченную энергию ветра примерно в 85 раз. Потери при передаче электроэнергии сравнительно невысокие.
Эффективность
Оценить энергетическую эффективность агрегата определённого типа и конструкции, сравнить её с показателями подобных двигателей довольно просто. Необходимо определить коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Рассчитывается он как отношение мощности, полученной на валу ветродвигателя, к мощности ветрового потока, действующего на поверхность ветроколеса.
Коэффициент использования энергии ветра для различных установок составляет от 5 до 40%. Оценка будет неполной без учёта затрат на проектирование и строительство объекта, количества и стоимости генерируемой электроэнергии. В альтернативной энергетике срок окупаемости затрат на ветродвигатель является важным фактором, но также обязателен учёт полученного экологического эффекта.
География применения
Наибольшее распространение ветроэнергетика получила на западном побережье Атлантики, в частности, в Германии. Там имеются наилучшие условия — ровные и сильные ветра, оптимальные климатические показатели. Но основной причиной широкого распространения ВЭС именно в этом регионе стало отсутствие возможностей для строительства гидроэлектростанций, вынудившее правительства стран этого региона использовать доступные методы получения электроэнергии. При этом, имеются установки и в балтийском регионе, в Дании, Голландии.
Россия пока отстает в этом вопросе, за прошедшее десятилетие в эксплуатацию сдан едва ли десяток ВЭС. Причина такого отставания кроется в большом развитии гидроэнергетики и отсутствии должных условий для эксплуатации промышленных ветроэнергетических станций. Тем не менее, отмечается рост производства небольших установок, способных обеспечивать энергией отдельные усадьбы.
Производители
Отечественной промышленностью налажен серийный выпуск широкой гаммы бытовых ветрогенераторов. Их параметры приведены в таблице:
| Модель | Производитель | Тип | Мощность | Примечание |
| ВГ 0,25 | Ветро Свет, Россия | Г | 250 Вт | — |
| ВЭУ-3(4) | СКБ Искра, Россия | В | 3 кВт | 4-лопастная модель |
| Серия L | Ветроэнергетика, Россия | В | 0,8 – 10 кВт | — |
| RKraft | Германия | Г | 0,5 – 5 кВт | — |
| Wind Generator М300 | Китай | В | 100 – 270 Вт | 6-лопастной ротор диаметром 1 м, масса 11 кг, не имеет контроллера |
| Condor Home | EDS Group, Россия | Г | 500 Вт | 3-лопастной стеклопластиковый ротор Максимальная скорость ветра 25 м/с Масса 56 кг |
Примечание: Г – горизонтальный, В — вертикальный
Обзор цен на популярные модели
Стоимость ветрогенераторов высока. Этот момент является самым труднопреодолимым для распространения ветроэнергетических технологий. Многие владельцы домов с удовольствием установили бы у себя на участке ветряки, но не имеют средств на их приобретение. Установка, способная обеспечить освещение участка, стоит около 100 тыс руб.
Более мощная конструкция, позволяющая снабдить электроэнергией коттедж, обойдется в 250 тыс.
ВЭС, способная обеспечить небольшое фермерское хозяйство, стоит около 500 тыс. руб. И это еще не предел. При таких ценах ожидать быстрого распространения ветрогенераторов не приходится, поэтому вся надежда на появление отечественных моделей, способных решить вопрос дороговизны оборудования. Как вариант, можно купить относительно недорогую китайскую модель. Такие устройства не поддаются ремонту, являясь, по сути, одноразовыми, но их цена намного ниже, чем стоимость аналогичных по мощности западных образцов.
Разновидности
Для того чтобы правильно подобрать ветряной генератор, необходимо прежде всего учесть его технические параметры. Современные модели различаются по следующему ряду признаков:
- Количеству лопастей пропеллера. Большое количество элементов винта усложняет конструкцию. Однако чем больше лопастей, тем меньшая скорость ветра нужна для запуска механизма.
- Типу материала лопастей. Модели с жесткими пропеллерами более прочны и долговечны, но и значительно дороже парусных аналогов.
Многолопастный ветрогенератор для своего дома Источник ytimg.com
- Расположению направляющей вращения. Разделяются на вертикальные и горизонтальные. Первые прочнее и чувствительнее, вторые – отличаются лучшей производительностью.
- Возможности изменения шаговых характеристик. Различаются на модели с изменяемым и неизменным шагом. Изделия с переменными шаговыми параметрами позволяют увеличивать скорость, а значит, и продуктивность. Однако они более сложны, громоздки и дороги.
Полезно знать! Доступные сегодня в широкой продаже заводские модели достаточно дороги. Поэтому нередко у желающих установить подобную автономную электростанцию возникает вопрос о том, как сделать ветрогенератор. Самодельные аналоги нередко изготавливают из автомобильных генераторов, соединяемых по схеме с аналогичным АКБ на 12 вольт.
Мощности промышленных станций
Промышленные ВЭС имеют весьма высокую мощность, способную обеспечивать крупные населенные пункты или регионы. Например, ВЭС «Ганьсу» в Китае имеет 7965 мВт, «Энеркон Е-126» выдает 7,58 мВт, и это еще не предел.
Следует сразу же оговориться, что речь идет о лидерах в ветроэнергетике, другие модели вырабатывают намного меньше энергии. Тем не менее, объединенные в крупные станции, ветряки способны на производство вполне достаточного количества электроэнергии. Объединенные комплексы вырабатывают суммарную мощность в 400-500 мВт, что вполне может сравниться с производительностью ГЭС.
Мелкие станции имеют более скромные показатели и могут рассматриваться только как точечные источники, питающие ограниченное число потребителей.
Законные требования
Чтобы ветровой генератор, установленный на частном доме или прилежащей территории, согласовывался с законодательной базой, он должен отвечать следующему ряду требований:
- Мощность не выше 5 кВт. Оборудование с таким показателем относится к бытовым устройствам, не требующим контроля со стороны энергонадзорных учреждений.
- Отсутствие муниципально-территориальных и технических ограничений на занимаемой площади. Некоторые частные территории могут находится внутри особо охраняемых, редких природных и иного статуса объектов, внутри которых запрещено размещение тех или иных технических средств.
- Согласование с соседями (помехи, шум, падающая тень и т. д.). Все виды помех, которые возникают от установки, могут стать причиной жалобы не только соседей, но и рядом размещенных предприятий, передающих центров.
- Высота мачты, отвечающая местным и федеральным требованиям. Высота мачты не превышает обычно 15 метров, но могут быть и исключения. Поэтому прежде чем сооружать высокую конструкцию, нужно убедиться, что она отвечает всем необходимым требованиям – отсутствие ЛЭП, вдали от аэропосадочной линии и т. д.
Ветряк на фасаде частного дома Источник more-el.com
- Отсутствие помех для местных и мигрирующих биологических видов. Птицы часто попадают в лопасти энергетических установок. Поэтому выбор места установки мачты с пропеллером должен исключать заранее известные пути их перелета.
Рекомендация! Чтобы исключить все возможные предъявления со стороны соседей или контролирующих органов, лучшее заранее собрать весь необходимый пакет документов, техпаспортов и сертификатов, подтверждающих, что ветряк для частного дома безопасен и безвреден. Кроме того, заводскую модель лучше устанавливать в полном соответствии с рекомендованными в технической документации параметров.
