Энергетическая отрасль справляется со своей задачей достаточно уверенно, но масштабы нашей страны таковы, что полное обеспечение электроэнергией всех отдаленных или труднодоступных районов пока невозможно. Это связано с множеством факторов, преодолеть которые в нынешних условиях слишком дорого или технически недостижимо.
Поэтому все более пристальное внимание приходится обращать на альтернативные источники, способные удовлетворять потребности отсталых регионов без участия магистральных сетей. Перспективным направлением является ветроэнергетика, использующая дармовой .
Устройство и виды ветровых электростанций
Ветроэлектростанции (ВЭС) используют энергию ветра для выработки электротока. Крупные станции состоят из множества , объединенных в единую сеть и питающих большие массивы - поселки, города, регионы. Более мелкие способны обеспечивать небольшие жилые массивы или отдельные дома. Станции классифицируются по различным признакам, например, по функциональности:
- мобильные,
- стационарные.
По расположению:
- прибрежные
- офшорные
- наземные
- плавающие.
По типу конструкции:
- роторные,
- крыльчатные.
Наибольшее распространение в мире получили крыльчатные станции. Они имеют большую эффективность и способны производить достаточно большое количество электроэнергии, чтобы обеспечивать ею потребителей в масштабах целой энергетической отрасли. При этом, распространение таких станций имеет специфическую конфигурацию и встречается не повсеместно.
Принцип работы
Как уже говорилось, ВЭС имеют роторную или крыльчатую конструкцию. Роторные станции, как правило, имеют устройства с . Они во многом удобнее, чем крыльчатые, так как не издают при работе сильный шум и не требовательны к установке по направлению ветра. При этом, роторные конструкции менее эффективны и могут использоваться на небольших частных станциях.
Крыльчатые устройства способны выдавать максимальный эффект. Они используют получаемую энергию намного эффективнее, чем роторные образцы, но нуждаются в правильном ориентировании по отношению к потоку, что означает присутствие дополнительных приспособлений или оборудования.
Все виды действуют по одному принципу - поток ветра раскручивает подвижную часть, которая передает вращение на генератор, вследствие чего в системе образуется электроток. Он заряжает аккумуляторы, от которых питаются инверторы, преобразующие полученный ток в стандартное напряжение и частоту, подходящие для приборов потребления.
Для обеспечения большого числа потребителей отдельные ветрогенераторы соединяются в систему, образуя станции - ВЭС.
Преимущества и недостатки ветряных электростанций
К преимуществам ВЭС можно отнести:
- независимость от ископаемых ресурсов;
- используется абсолютно бесплатный источник энергии;
- экологическая чистота методики - никакого вреда окружающей природе не наносится.
При этом, есть и недостатки:
- неравномерность ветра создает определенные трудности в выработке энергии и вынуждает использовать большое число; аккумуляторных батарей;
- ветряки издают шум при работе;
- низок, увеличить его очень сложно;
- стоимость оборудования и, соответственно, электроэнергии, намного выше, чем цена сетевого электричества;
- окупаемость оборудования с ростом его мощности значительно снижается. .
Использование небольших станций способно обеспечить энергией ограниченное количество потребителей, поэтому для крупных населенных пунктов или регионов требуются большие устройства. При этом, ветряки большой мощности нуждаются в соответствующих потоках ветра и равномерности его движения, что для условий нашей страны не характерно. В этом кроется основная причина низкого распространения ветряков по сравнению с европейскими странами.
Экономическое обоснование строительства ВЭС
С точки зрения экономики, строительство ВЭС имеет смысл только при отсутствии других способов энергообеспечения. Оборудование стоит очень дорого, обслуживание и ремонт требуют постоянных расходов, а срок службы ограничен 20 годами, и это в условиях Европы. Для России этот срок можно снизить не менее, чем на треть. Поэтому использование ВЭС экономически малоэффективно.
С другой стороны, при полном отсутствии альтернативных вариантов или при наличии оптимальных условий, обеспечивающих качественную и равномерную работу ветряков, использование ВЭС становится вполне приемлемым способом энергообеспечения.
Важно! Речь идет именно о крупных станциях, снабжающих целые регионы. Ситуация с бытовыми или частными станциями выглядит более привлекательно.
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 , 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.
Ведущие мировые производители
В число наиболее известных производителей ветрогенераторов и оборудования для ветроэнергетической отрасли входят компании:
- Vestas,
- Nordex,
- Superwind,
- Panasonic,
- Ecotecnia,
- Vergnet.
Российские производители пока не готовы конкурировать с этими фирмами, так как вопрос о создании качественных и производительных ветрогенераторов в России до сих пор не ставился достаточно плотно.
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.
Факты и заблуждения
Малое распространение ветроэнергетических установок и отсутствие опыта общения с ними породили массу заблуждений относительно свойств и воздействия ВЭС на организм человека. Так, широко распространено мнение о необычайно высоком уровне шума, производимого работающим ветрогенератором. Действительно, определенный шум имеется, но его уровень гораздо ниже, чем принято считать. Так, шум от промышленных моделей на расстоянии 200-300 м воспринимается на слух так же, как звук от работающего бытового холодильника.
Другая проблема, которую необоснованно раздувают несведущие люди - создание непреодолимых помех радио и телевизионным сигналам. Этот вопрос был решен раньше, чем о нем узнали пользователи - каждый мощный промышленный ветряк снабжен качественным фильтром радиопомех, способным полностью исключить влияние устройства на эфир.
Люди, живущие поблизости от турбин, будут постоянно находиться в зоне мерцания тени. Это термин, обозначающий некомфортное ощущение от мигающих световых проявлений. Вращающиеся лопасти создают такой эффект, но его значение сильно преувеличено. Даже самые чувствительные люди всегда могут попросту отвернуться от турбины, если случилось оказаться поблизости от нее.
Существуют и другие, надуманные и вполне реально существующие факты, касающиеся работы ВЭС, их воздействия на организм человека и окружающую природу. Част из них является обычными слухами, другая часть настолько преувеличена, что не заслуживает даже обсуждения. Ветроэнергетика - полноценная отрасль, способная решать вопросы энергообеспечения как в солидных масштабах, так и в пределах маленького дачного домика.
Частные ветряные электростанции
Для России наиболее актуальным вопросом является распространение именно небольших станций, обеспечивающих один дом или усадьбу. Строительство крупных ВЭС в климатических условиях нашей страны нецелесообразно и нерентабельно. Самая большая ценность ветрогенераторов кроется в создании возможности обеспечить энергией отсталые или отдаленные населенные пункты, где нет сетевого подключения.
Для таких районов применение небольших частных станций является оптимальным способом решения вопроса, так как работа ветряка не требует обеспечения топливом, устройство несложно и свободно поддается ремонту. Обеспечить такие регионы дополнительным оборудованием намного проще и дешевле, чем выделять большие средства на проведение линии электропередач, особенно, если речь идет о гористой местности. Небольшие ветряки способны вырабатывать достаточное количество энергии, не нуждаясь в расходах на содержание или топливо, что делает их весьма перспективными и привлекательными вариантами решения проблемы.
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.
Как сделать ветряную электростанцию?
Дороговизна промышленных моделей вынуждает людей, способных пользоваться инструментами и обладающих определенными познаниями, создавать самодельные ветряки. Расходы на такое устройство несравнимы с тратами на заводские модели, а эффект, полученный от самоделок, зачастую превосходит показатели прославленных зарубежных изделий.
Для изготовления станции понадобится:
- комплект оборудования - контроллер заряда, инвертор, аккумулятор;
- генератор, способный работать на низких скоростях. Чаще всего используется автомобильный или тракторный генераторы, прошедшие некоторую модернизацию;
- ветряк - вращающийся ротор, установленный на мачте или основании нужных размеров.
Оборудование для станции может быть собрано самостоятельно или приобретено в готовом виде. Изготовление генератора из готового устройства занимает один день (если иметь представление о том, что надо делать). Ветряк делается из подручных материалов - металлических бочек, листового металла и т.п.
Все элементы конструкции собираются воедино, система запускается, производится оценка ее характеристик и, если надо, вносятся необходимые изменения. Ветряк, собранный своими руками, ремонтируется совершенно без проблем, так как вся его конструкция известна мастеру, что называется, до последнего винтика.
Эксплуатация ВЭС не требует особых расходов, все вложения делаются единовременно. Срок службы системы рассчитывается на 20 лет, но при изготовлении своими руками он практически не ограничен, поскольку в любое время возможна модернизация или ремонт конструкции.
Полезные ископаемые, добываемые из недр земли и используемые человечеством в качестве энергоресурсов, к сожалению, не безграничны. С каждым годом их стоимость увеличивается, что объясняется сокращением уровня добычи. Альтернативным и набирающим обороты вариантом энергоснабжения выступают ветряные электростанции для дома. Они позволяют преобразовывать энергию ветра в переменный ток , что дает возможность обеспечивать все потребности в электричестве любых бытовых приборов. Главное преимущество таких генераторов – это абсолютная экологичность, а также бесплатное пользование электричеством неограниченное количество лет. Какие еще преимущества имеет ветрогенератор для дома, а также особенности его эксплуатации, разберем далее.
Еще древние люди заметили, что ветер может стать отличным помощником в осуществлении множества работ. Ветряные мельницы, позволявшие превращать зерно в муку, не затрачивая собственных сил, стали родоначальниками первых ветрогенераторов.
Ветряные электростанции состоят из определенного количества генераторов, способных получать, преобразовывать и накапливать энергию ветра в переменный ток. Они вполне могут обеспечить целый дом электроэнергией, которая берется из ниоткуда.
Однако, нужно сказать, что затраты на оборудование и их обслуживание не всегда дешевле , нежели стоимость центральных электросетей.Преимущества и недостатки
Итак, прежде чем присоединиться к сторонникам бесплатной энергии, нужно осознать, что ветряные электростанции имеют не только преимущества, но и определенные недостатки. Из положительных сторон
использования энергии ветра в быту можно выделить следующие:
- способ абсолютно экологически чистый и не вредит окружающей среды;
- простота конструкции;
- легкость эксплуатации;
- независимость от электросетей.
Домашние мини-генераторы могут, как частично обеспечивать электричеством, так и стать полноценным его заменителем, преобразуясь в электростанции.
Однако не нужно забывать про недостатки , которыми являются:
- высокая стоимость оборудования;
- окупаемость наступает не ранее чем через 5-6 лет использования;
- относительно небольшие коэффициенты полезного действия, отчего страдает мощность;
- требует наличия дорогостоящего оборудования: аккумулятор и генератор, без которого невозможна работа станции в безветренные дни.
Чтобы не потратить уйму денег впустую, перед покупкой всего необходимого оборудования, следует оценить рентабельность электростанции. Для этого высчитывают среднюю мощность дома (сюда входят мощности всех используемых электроприборов), количество ветреных дней в году, а также оценивают местность, где будут располагаться ветряки.
Основные конструктивные элементы
Простота возведения электростанции объясняется примитивностью конструктивных элементов.
Чтобы пользоваться энергией ветра, потребуются такие детали
:
- ветряные лопасти – захватывают поток ветра, передавая импульс ветрогенератору;
- ветрогенератор и контроллер – способствуют преобразованию импульса в постоянный ток;
- аккумулятор – накапливает энергию;
- инвертор – помогает преобразовывать постоянный ток в переменный.
Ветро-электрические установки (ВЭУ) преобразовывают энергию перемещения атмосферных масс, которая в той или иной мере имеется в наличии в любой точке земного шара, непосредственно в электричество. Именно на этом основывается положительный экономический и экологический эффект от использования ветровых турбин.
Преимущества ветровой энергетики
Современные технологические решения позволяют производить ветровые генераторы мощностью от нескольких КВт до сотен МВт . То есть ВЭУ могут обеспечивать электроэнергией, как целые промышленные районы, так и отдельные жилые коттеджи. Кроме чисто экономических преимуществ ветряная энергетика имеет еще одно неоспоримое преимущество – она оказывает значительно более низкое давление на экологию и биосферу Земли. Поэтому на авторитетном сайте «Альтернативная энергетика» (http://altenergiya.ru/) справедливо подтверждается глубокие мысли Вернадского В. В., высказанные еще в средине ХХ века:
…продажи ветряных электростанций небольшой мощности, которые способны использовать энергию ветра практически в любых регионах (даже там, где недостаточно силы ветра для промышленного использования), постоянно возрастают. Прогнозируется, что подобные альтернативные источники энергии будут применяться все шире, как в государственном, так и частном порядке, пока окончательно не вытеснят традиционную энергетику, основанную на органическом топливе
К экономическим плюсам бытовой ветряной энергетики (установки, мощностью 3 – 15 КВт) можно отнести следующие факторы:
- Неисчерпаемость источника энергии;
- Экологическая чистота энергии;
- Быстрота возведения ветряной установки;
- Короткий срок окупаемости капитальных вложений;
- Не требуется специальных площадок для монтажа оборудования.
Недостатком небольших ВЭУ является практически один фактор — прямая зависимость вырабатываемой мощности от напора воздушного потока, который в большинстве регионов Земли не отличаются стабильностью. Поэтому для стабильного и качественного энергоснабжения бытовой техники требуется такое дополнительное оборудование, как аккумуляторы и полупроводниковые выпрямительные установки .
Изучение энергетического потенциала территории
Заглядывая в будущее ХХI столетие, безальтернативность пути развития ветровой энергетики очевидна. Потому в передовых странах проводятся исследования потенциала территорий на предмет использования их для возведения крупных ВЭУ.
Станции альтернативной энергетики обычно занимают большие площади. Соответственно в первую очередь обращается внимание на такие местности, которые даже в далекой перспективе не могут быть вовлечены в другую экономическую деятельность:
- Пустыни;
- Горные возвышенности;
- Шельфовые зоны;
- Прибрежные зоны морей и океанов, и другие.
В частности, на популярном интернет ресурсе windypower.blogspot.com/p/blog-page_8642.html дается такая информация:
Предварительно проводят исследование потенциала местности. Анемометры устанавливают на высоте от 30 до 100 метров, и в течение одного-двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра. Полученные сведения могут объединяться в карты доступности энергии ветра. Такие карты потенциальным инвесторам оценить скорость окупаемости проекта
Мощности промышленных ветровых электростанций
Промышленные ВЭУ бывают самой разной мощности в зависимости от энергетического потенциала конкретной территории. Современные технологии позволяют массово производить даже не стандартизированное генераторное оборудование со сроком окупаемости 3 – 5 лет .
На сегодня самая крупная наземная ВЭС расположена на перевале Техачапи, что в Калифорнии. Ее полная мощность, соизмеримая с мощностью крупных тепловых электростанций, уже ныне составляет 1550 МВт . В дальнейшем планируется довести установленную мощность ВЭС АЛЬТА до 3000 МВТ. На ней используются ветровые турбины 1.5 и 3.0 МВт.
Державы, которые владеют большими шельфовыми зонами, активно развивают шельфовою ветроэнергетику. В этой области лидируют Дания и Великобритания. Такие ВЭУ устанавливаются в 10 – 50 км от берега в море с небольшими глубинами и отличаются большой эффективность, потому что там дуют постоянные морские ветра. Самой большой ВЭС среди эксплуатируемых в шельфовых зонах мира является великобританская станция London Array с рабочей мощность в 630 МВт.
Развиваются также такие экзотические типы ВЭС, как плавающие и парящие. Пока что это установки с одним или не большой группой генераторов мощностью по 40 – 100 КВт каждый. Но со временем планируется довести мощность агрегатов на плавающих электростанциях до 6.3 МВт. В частности к таким мощностям уже вплотную подошли датские и итальянские фирмы.
ВЭС для обеспечения электричеством коттеджей и объектов малого бизнеса и цены на них.
Для того, чтобы полностью покрыть нужды загородного дома, не большой фермы, ресторана или маркета, достаточно иметь установку мощностью в 20 или даже меньше КВт. Для жилого дома, например, номинальная мощность генератора выбирается с расчета 1КВт на 12 м2 площади, если зимняя температура не опускается ниже 18С при среднесуточной скорости ветра 6.3 м/с и более.
Стоимость электростанции для бытовых нужд и малого бизнеса зависит от номинальной мощности электрогенератора и составляет около 50 тыс. рублей на 1 КВт для ВЭС до 3 КВт, 40 тыс. рублей/КВт – для ВЭС до 10 КВт и около 30 тыс. рублей/КВт – для ВЭС свыше 10 КВт.
Окупаемость автономной электростанции составляет в пределах 5 – 7 лет, так 1 КВт установленной номинальной мощности генератора за год может выработать столько энергии, которая эквивалентна сжиганию 2 тонн высококачественного угля . В частности ВЭУ «ЭСО-0020» номинальной электрической мощностью 20 кВт, представленная на сайте «Учебные материалы ВГУЭС (http://abc.vvsu.ru/) имеет следующие параметры:
- Себестоимость электроэнергии – 0.02 долл. / КВтч;
- Годовая выработка эл. энергии — более 70000 КВтч;
- Срок окупаемости – до 7 лет;
- Срок службы – 20 лет.
Видео
– устройства специальной конструкции, в которых энергия ветра преобразуется в электрическую. С каждым днем они становятся популярнее. Использующие природные, а главное, возобновляемые источники энергии, удобные и простые ветроэлектростанции, так называемые ветряки, являются прекрасной альтернативой традиционным электростанциям, особенно в частных домах.
Использование энергии ветра
Ветряные мельницы, а точнее принцип их действия, были незаслуженно забыты в двадцатых годах прошлого века. Впрочем, силу ветра не использовали и тогда для получения электрической энергии. Она приводила в действие жернова мельниц, использовалась в качестве движителя для парусных судов, позднее запускала насосы для закачки воды в резервуары, то есть превращалась в механическую энергию.
Ветроэнергетика начала стремительно развиваться в конце шестидесятых годов прошлого, XX столетия. В это время стало катастрофически не хватать традиционных энергоносителей, кроме того, они резко поднялись в цене, все острее становились экологические проблемы, связанные с их использованием.
Способствовал использованию альтернативных источников электроэнергии, в том числе силы ветра, и технический прогресс. Появились новые высокопрочные и достаточно легкие материалы, позволяющие возводить башни до 120 м высотой и огромные лопасти.
Ветра, дующие во многих регионах планеты, в состоянии вращать турбины электростанции с достаточной скоростью, чтобы обеспечивать энергией частные дома, небольшие фермы или школы в сельской местности.
Но в любой бочке меда найдется хотя бы одна ложка дегтя. Ветер невозможно подчинить, он не дует всегда, тем более в одном направлении и с одинаковой скоростью. Технический прогресс не стоит на месте. Если сегодня ветряные электростанции для частного дома, вырабатывающие сотни киловатт электроэнергии, уже не являются большой редкостью, то завтра, может быть, повседневностью станут и станции мощностью в десятки мегаватт. Во всяком случае, уже есть ветроэлектростанции, мощность которых составляет 5 мВт и больше.
Преимущества и недостатки ветроэлектростанций
Ветряные электростанции обладают кроме использования бесплатной энергии ветра и независимости от внешних источников электроэнергии еще несколькими весомыми преимуществами. Не существует экологической проблемы хранения и утилизации отходов, да и сам способ получения энергии один из самых экологичных. Не говоря уже о том, как эстетично выглядит ветряк на фоне неба, достоинством его можно считать, что установка может быть как стационарной, так и передвижной.
Кроме того, сегодня уже можно подобрать ВЭС подходящей модели и мощности или использовать установку, сочетающую использование нескольких источников энергии, традиционных и альтернативных. Это может быть дизель- или солнечно-ветряная электростанция.
ВЭС имеют и недостатки. Во-первых, они шумные настолько, что крупные установки в ночное время приходится отключать. Во-вторых, создают зачастую помехи для воздушных сообщений или радиоволн. В-третьих, их нужно размещать на поистине огромных площадях. И есть еще один существенный недостаток лопастных конструкций – их нужно отключать во время массовых сезонных перелетов птиц.
Типы ветроэлектростанций
По функциональности электростанции ветряные можно разделить на стационарные и передвижные, или мобильные. Мощные стационарные установки требуют проведения целого комплекса подготовительных работ, но они в аккумуляторных батареях способны накапливать достаточное для использования в безветренную погоду количество электроэнергии.
Передвижные электростанции проще по конструкции, неприхотливы, их легко устанавливать и просто эксплуатировать. Обычно они используются для питания электроприборов или в путешествиях.
По конструкции различают крыльчатые и роторные ветроэлектростанции.
По месту установки ВЭС бывают:
- наземные. Они устанавливаются на возвышенностях и наиболее распространены на сегодняшний день;
- прибрежные. Строятся в прибрежной зоне морей и океанов, где из-за неравномерного нагревания суши и воды постоянно дуют ветры;
- оффшорные. Строятся в море на расстоянии 10-15 км от берега, где постоянно дуют морские ветры;
- плавающие. Они тоже располагаются примерно на таком же расстоянии от берега, как и оффшорные, но на плавающей платформе.
По сферам применения электростанции ветряные бывают промышленные и бытовые.
Крыльчатые ВЭС
Уже привычными стали крыльчатые ВЭС, которые лидируют на рынке ветроэнергетики. На высокой мечте устанавливается лопастной механизм с горизонтальной осью вращения, преимущественно трехлопастной, и его мощность зависит от размаха лопастей. Максимальной скорости вращения такой агрегат достигает, когда лопасти перпендикулярны ветровому потоку, поэтому в его конструкции предусмотрено устройство автоматического поворота оси вращения в виде крыла стабилизатора на малых и электронной системы управления рысканием на более мощных станциях.
Различаются между собой крыльчатые ветроэлектростанции в основном количеством лопастей. Они могут быть многолопастными, двухлопастными, даже с одной лопастью и противовесом.
Роторные ВЭС
Роторные, или карусельные, электростанции ветряные имеют вертикальную ось вращения и не зависят от направления ветра. Это важное преимущество, если используются приземные рыскающие воздушные потоки. Минусом ВЭС такой конструкции является использование многополюсных генераторов, которые работают на малых оборотах и не имеют широкого распространения.
Эти установки тихоходны и, как следствие, не создают большого шума. Кроме того, их достоинством является простота электрических схем, которые не нарушаются при случайных резких порывах ветра.
Специалисты считают, что роторные ВЭС наиболее перспективны для большой ветроэнергетики. Правда, чтобы раскрутить такую установку, к ней нужно приложить внешнюю энергию. Только когда она достигнет определенных аэродинамических показателей, сама переходит в режим генератора из режима двигателя.
Комбинированная система «ветро-дизель»
Недостаток ветроагрегатов - неравномерная подача электроэнергии – в крупных сетях компенсируется большим количеством установок.
Также компенсировать этот недостаток можно, используя комбинированные системы, в которых есть специальные устройства, распределяющие нагрузки между ветроэнергетической установкой (ВЭУ) и дизелем. Поэтому автономные сети небольшой мощности от 0,5 до 4 МВт в паре с дизелем могут надежно и равномерно функционировать.
Современное оборудование, с помощью которого экономится около 65 % жидкого топлива в год, позволяет всего за несколько секунд при необходимости подключить дизель или отключить его.
Бытовые и промышленные ВЭС
Бытовые ветроэнергетические установки имеют мощность от 250 Вт до 15 кВт, могут работать в комплексе с солнечными батареями, с аккумулятором или без него.
Электроэнергия, вырабатываемая бытовыми ВЭС, достаточно дорогая, но часто бывает, что других ее источников просто нет.
Бытовые ветряные электростанции в России производятся с генератором постоянного тока, который заряжает аккумуляторные батареи емкостью до 800 А/ч. От таких батарей в доме могут работать все бытовые приборы: телевизор, электрочайник и др.
Процесс зарядки батарей после отключения нагрузки может быть достаточно долгим, в зависимости от силы ветра и мощности генератора.
Зарубежные бытовые ВЭС на российском рынке тоже есть, они достаточно дороги, но выдают, как правило, меньше половины номинальной мощности.
Промышленные ВЭС отличаются значительно большей мощностью и объединяются, как правило, в единые сети.
Частные ветряные электростанции в основном имеют мощность от 3 до 5, реже 10 кВт. Если среднегодовая скорость ветра в регионе достигает 3-4 м/с, то такая ВЭС может обеспечить электроэнергией средний загородный дом, СТО или небольшое кафе.
Основные характеристики ВЭС
Номинальная мощность является основным показателем, который характеризует все электростанции, ветряные не исключение. Она определяется мощностью, которую вырабатывает генератор при средней скорости ветра 12 м/с, и зависит от типа станции.
Следующим важным показателем является номинальное напряжение ВЭС, которое вырабатывает генератор. Это может быть как 220 В, так и 12 В, и 24 В.
От мощности турбины зависит электрическая мощность генератора. Поскольку мощность турбины тем выше, чем больше ее диаметр и, следовательно, прочней мачта, то этот показатель важен при выборе и расчете конструкции мачты.
Ветроустановка имеет еще несколько характеристик. Важна ее производительность – это количество электроэнергии, которое устройство вырабатывает в год. Необходимо при выборе ВЭУ знать максимальную скорость ветра, которую выдерживает турбина, и его минимальную (пусковую) скорость, при которой она начинает вращаться. Играют роль при выборе и частота вращения турбины, и количество лопастей.
Принцип работы и устройство ВЭС
На ветряной электростанции поток воздуха вращает колесо с лопастями, с которого крутящий момент передается на другие механизмы. Чем больше размеры колеса, тем больший поток воздуха оно захватывает и, следовательно, быстрее вращается.
Если говорить языком физики, линейная скорость ветра преобразовывается в угловую скорость вращения оси генератора, который, в свою очередь, преобразовывает вращательное движение в электрическую энергию, передавая ее через контроллер на аккумуляторы. На выходе из устройства электроэнергия уже пригодна к бытовому использованию.
То есть, малая электростанция ветровая состоит из турбины, лопастей, хвоста (поворотного механизма), мачты с тросами-растяжками, аккумуляторов, контроллера их заряда и инвертора, который преобразовывает напряжение 12 В в 220 В.
Кроме этих устройств промышленная ВЭС содержит еще системы слежения за направлением ветра и его скоростью, состоянием ветрогенератора и защиты от грозовых разрядов. Кроме того, с нагрузками большего масштаба мачта не справляется, и ее заменяют башней, в которой располагается все дополнительное оборудование.
Проектирование ВЭС
Главный показатель, который позволяет принять решение об использовании ветроэлектростанции, - это среднегодовая скорость ветра, которая должна быть не меньше 5 м/с. Правда, сегодня уже существуют легкоразгоняемые ВЭС, предназначенные для электроснабжения частных домовладений, которые начинают работу с минимальной скорости воздушного потока в 3,5 м/с.
Для определения этого показателя используются специальные карты ветров.
В различных климатических зонах России были проведены измерения скорости ветра, чтобы определить, насколько эффективны там ветровые электростанции. Ветряные установки и станции уже действуют в Калининградской области, на Командорских островах, в Мурманске, Республике Саха (Якутии), в Башкортостане.
Принимая решение об установке ветроэнергетической установки или частной ВЭС, стоит для начала обратиться к специалистам, чтобы провести исследования направления и силы ветра с помощью анемометров и построить карты доступности его энергии. По этим данным рассчитывается и разрабатывается проект ВЭУ или станции из нескольких установок, ее технические и геометрические параметры.
Промышленную ВЭС достаточно большой мощности без инвесторов не построить, а грамотно выполненные расчеты и составленный проект позволят определить срок окупаемости проекта и привлечь дополнительные финансы.
Частные ветряные электростанции
По существенно заниженным данным статистики, не учитывающим отдельно стоящие удаленные здания и сооружения, около 30 % частных хозяйств в сельской местности, куда прокладка электрических сетей невозможна по экономическим причинам, не имеют электроснабжения. Не везде даже стоят генераторы на жидком топливе. И это в XXI веке!
Исследования показали, что ветроэнергетические станции различной мощности можно устанавливать во многих районах севера и Крайнего Севера, на Сахалине и Камчатке, в Нижнем Поволжье, Сибири, Карелии и на Северном Кавказе.
На выбор установки влияют потребности заказчика. Если нужно обеспечить работу сельхозтехники, с такой задачей справится маломощный ветрогенератор. Если же нужно электрифицировать целое здание, наладить уличное освещение, обеспечить отопление дома, нужно выполнять проект ветряной электростанции.
Кроме среднемесячной скорости ветра и его направления нужно рассчитать среднемесячное потребление и пиковую нагрузку электроэнергии. Такие расчеты при желании несложно выполнить самостоятельно.
Существует еще один показатель, который влияет на стоимость оборудования и монтажа ВЭУ. Это высота мачты. Чем сооружение выше, тем больше скорость ветра и тем дороже оно обходится. Оптимальной, по утверждению специалистов, является высота мачты на 10 большая, чем самое высокое дерево или здание в радиусе 100 м.
Ветряная электростанция своими руками
Для работы электронасоса, телевизора, освещения или других маломощных электроприборов на дачном участке ветроэнергетическую установку можно сделать собственноручно, если есть некоторые познания в электротехнике.
Сегодня в Европе растут капиталовложения в строительство больших ветроэлектростанций. Массовое строительство снижает себестоимость одного киловатта и приближает ее к цене электроэнергии, полученной из традиционных источников.
Конструкция ветроэлектростанций постоянно совершенствуется, улучшаются аэродинамические и электрические показатели, снижаются потери.
Ветряные электростанции для дома, по оценкам экономистов, становятся самыми эффективными в плане окупаемости проектами в области энергетики. В дальнейшем они обещают независимость от негативных тенденций на этом рынке.
Неисчерпаемая энергия, которую несут с собой воздушные массы, всегда привлекала внимание людей. Наши прадеды научились запрягать ветер в паруса и колеса ветряных мельниц, после чего он два столетия бесцельно носился по необозримым просторам Земли.
Сегодня для него вновь нашлась полезная работа. Ветрогенератор для частного дома из разряда технических новинок становится реальным фактором нашего быта.
Давайте поближе познакомимся с ветряными электростанциями, оценим условия их рентабельного применения и рассмотрим существующие разновидности. Домашние умельцы получат в нашей статье информацию для размышления по теме самостоятельной сборки ветряка и устройствах, необходимых для его эффективной работы.
Что такое ветрогенератор?
Принцип работы бытовой ветряной электростанции прост: воздушный поток вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора и создает в его обмотках переменный ток. Полученное электричество запасается в аккумуляторах и по мере необходимости расходуется бытовыми приборами. Конечно, это упрощенная схема работы домашнего ветряка. В практическом плане он дополняется устройствами, выполняющими преобразование электричества.
Сразу за генератором в энергоцепочке стоит контроллер. Он преобразует трехфазный переменный ток в постоянный и направляет его на зарядку аккумуляторов. Большинство бытовых приборов не может работать от «постоянки», поэтому за аккумуляторами ставится другое устройство – инвертор. Он выполняет обратную операцию: превращает постоянный ток в бытовой переменный напряжением 220 Вольт. Понятно, что эти преобразования не проходят бесследно и забирают от исходной энергии довольно приличную часть (15-20%).
Если ветряк работает в паре с солнечной батареей или другим генератором электричества (бензиновым, дизельным), то схема дополняется автоматическим выключателем (АВР). При отключении основного источника тока, он активирует резервный.
Для получения максимальной мощности ветряной генератор должен располагаться вдоль ветрового потока. В простых системах реализуется принцип флюгера. Для этого на противоположном конце генератора закрепляется вертикальная лопасть, разворачивающая его навстречу ветру.
В более мощных установках стоит поворотный электромотор, управляемый датчиком направления.
Основные виды ветрогенераторов и их особенности
Существует две разновидности ветрогенераторов:
- С горизонтальным расположением ротора.
- С вертикальным ротором.
Первый тип – самый распространенный. Он характеризуется высоким КПД (40-50%), но имеет повышенный уровень шума и вибрации. Кроме этого, для его установки требуется большое свободное пространство (100 метров) или высокая мачта (от 6 метров).
Генераторы с вертикальным ротором энергетически менее эффективны (КПД почти в 3 раза ниже, чем у горизонтальных).
К их преимуществам можно отнести простой монтаж и надежность конструкции. Низкая шумность позволяет ставить вертикальные генераторы на крышах домов и даже на уровне земли. Эти установки не боятся обледенения и ураганов. Они запускаются от слабого ветра (от 1,0-2,0 м/с) в то время, как горизонтальному ветряку нужен воздушный поток средней силы (3,5 м/с и выше). По форме рабочего колеса (ротора) вертикальные ветрогенераторы весьма разнообразны.
Роторные колеса вертикальных ветряков
Благодаря малой частоте вращения ротора (до 200 об/мин), механический ресурс таких установок существенно превышает показатели горизонтальных ветрогенераторов.
Как рассчитать и подобрать ветрогенератор?
Ветер это не природный газ, качаемый по трубам и не электроэнергия, бесперебойно поступающая по проводам в наш дом. Он капризен и непостоянен. Сегодня ураган срывает крыши и ломает деревья, а завтра сменяется полным штилем. Поэтому перед покупкой или самостоятельным изготовлением ветряка нужно оценить потенциал воздушной энергии в своем районе. Для этого следует определить среднегодовую силу ветра. Эту величину можно узнать в интернете по соответствующему запросу.
Получив вот такую таблицу, находим район своего проживания и смотрим на интенсивность его окраски, сравнивая ее с оценочной шкалой. Если среднегодовая скорость ветра получится меньше 4,0 метров в секунду, то ветряк ставить нет смысла. Он не даст нужного количества энергии.
Если сила ветра достаточна для установки ветряной электростанции, то можно переходить к следующему шагу: подбору мощности генератора.
Если речь идет об автономном энергоснабжении дома, то в расчет берут среднестатистическое потребление электроэнергии 1 семьей. Оно находится в диапазоне от 100 до 300 кВт*ч в месяц. В регионах с низким годовым ветропотенциалом (5-8 м/сек) такое количество электричества способен сгенерировать ветряк мощностью 2-3 кВт. При этом следует учитывать, что зимой средняя скорость ветра выше, поэтому выработка энергии в этот период будет больше, чем летом.
Выбор ветрогенератора. Ориентировочные цены
Цены на вертикальные отечественные ветрогенераторы мощностью 1,5-2,0 кВт находятся в диапазоне от 90 до 110 тысяч рублей. Комплектация при такой цене включает только генератор с лопастями, без мачты и дополнительного оборудования (контроллер, инвертор, кабель, аккумуляторы). Полнокомплектная электростанция вместе с монтажом обойдется дороже на 40-60%.
Стоимость более мощных ветроустановок (3-5 кВт) составляет от 350 до 450 тысяч рублей (с дополнительным оборудованием и монтажными работами).
Ветряк своими руками. Забава или реальная экономия?
Скажем сразу, что сделать ветрогенератор своими руками полноценным и эффективным непросто. Грамотный расчет ветрового колеса, передаточного механизма, подбор подходящего по мощности и оборотам генератора – отдельная тема. Мы дадим лишь краткие рекомендации по основным этапам данного процесса.
Генератор
Автомобильные генераторы и электродвигатели от стиральных машин с прямым приводом для этой цели не подходят. Они способны генерировать энергию от ветрового колеса, но она будет незначительной. Автогенераторам для эффективной работы нужны очень высокие обороты, которые не может развить ветряк.
В моторах для стиралок другая проблема. Там стоят ферритовые магниты, а для ветрогенератора нужны более производительные – ниодимовые. Процесс их самостоятельного монтажа и намотки токоведущих обмоток требует терпения и высокой точности.
Мощность устройства, собранного своими руками, как правило, не превышает 100-200 Ватт.
В последнее время среди самодельщиков пользуются популярностью мотор-колеса для велосипедов и скутеров. С позиций ветроэнергетики это мощные ниодимовые генераторы, оптимально походящие для работы с вертикальными ветровыми колесами и зарядки аккумуляторов. С такого генератора можно снимать до 1 кВт ветровой энергии.
Мотор-колесо – готовый генератор для самодельной ветряной электростанции
Винт
Проще всего изготавливаются парусный и роторный винты. Первый состоит из легких изогнутых трубок, закрепленных на центральной пластине. На каждую трубку натягиваются лопасти из прочной ткани. Большая парусность винта требует шарнирного крепления лопастей, чтобы при урагане они складывались и не деформировались.
Роторная конструкция ветрового колеса используется для вертикальных генераторов. Она проста в изготовлении и надежна в работе.
Самодельные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения работают от пропеллерного винта. Домашние умельцы собирают его из труб ПВХ диаметром 160-250 мм. Монтаж лопастей выполняется на круглой стальной пластине с посадочным отверстием для вала генератора.
