Ветроэнергетика

Расчет лопастного ветрогенератора

Так как мы уже выяснили, что горизонтальный ветрогенератор значительно эффективнее, рассмотрим расчет именно его конструкции.

Энергия ветра может быть определена по формулеP=0.6*S*V³, где S — это площадь круга, описываемого концами лопастей винта (площадь ометания), выраженная в квадратных метрах, а V — расчетная скорость ветра в метрах в секунду. Также нужно учитывать КПД самого ветряка, который для трехлопастной горизонтальной схемы составит в среднем 40%, а также КПД генераторной установки, составляющий на пике токоскоростной характеристики 80% для генератора с возбуждением от постоянных магнитов и 60% — для генератора с обмоткой возбуждения. Еще в среднем 20% мощности израсходует повышающий редуктор (мультипликатор). Таким образом, окончательный расчет радиуса ветряка (то есть длины его лопасти) для заданной мощности генератора на постоянных магнитах выглядит так:
R=√(P/(0.483*V³))

Пример: Примем требуемую мощность ветроэлектростанции в 500 Вт, а среднюю скорость ветра — в 2 м/с. Тогда по нашей формуле нам придется использовать лопасти длиной не менее 11 метров. Как видите, даже такая небольшая мощность потребует создания ветрогенератора колоссальных габаритов. Для более-менее рациональных в условиях изготовления своими руками конструкций с длиной лопасти не более полутора метров ветрогенератор сможет выдавать всего лишь 80-90 ватт мощности даже на сильном ветру.

Недостаточно мощности? На самом деле все несколько иначе, так как на самом деле нагрузку ветрогенератора питают аккумуляторы, ветряк же только заряжает их в меру своих возможностей. Следовательно, мощность ветроустановки определяет периодичность, с которой она сможет осуществлять подачу энергии.

В Интернете часто можно найти статьи под броскими заголовками наподобие «Ветрогенератор для отопления дома». На самом же деле, как вы уже могли понять из приведенных расчетов, постоянно поддерживать потребляющее несколько киловатт-часов электрическое отопление сможет разве что сеть из не одного десятка самодельных установок.

Предлагаем посмотреть еще один рассказ про ветрогенератор и его изготовление в домашних условиях

Минусы и недостатки

Несмотря на все позитивные качества ВЭС, также имеют места быть негативные стороны. В большинстве случаев, недостатки похожи на пропаганду и носят противоречивый характер. Рассмотрим наиболее тиражируемые во всех ТВ передачах, газетных статьях и интернет ресурсах:

  • Первым из недостатков является то, что человек не научился контролировать природные явления, поэтому предугадать, как будет работать генератор в тот или иной день, невозможно
  • Ещё одним минусом ветряков есть их аккумуляторы. Они обладают относительной долговечностью и в следствии их обязательно менять через каждые 15 лет
  • Финансовые инвестиции требуют больших затрат. На самом деле, новые технологии имеют тенденцию к снижению
  • Зависимость от силы горизонтального воздушного потока. Данный минус более адекватный, ведь нельзя повлиять на силу вихря
  • Отрицательное воздействие на среду шумовым эффектом. Как показали последние изучения по этому вопросу—нет основательных причин так утверждать
  • Уничтожение птиц, которые попадают в лопасти. Согласно статистическому анализу вероятность столкновения равносильна с ЛЭП
  • Искажение приема сигнала. По оценкам очень маловероятна, тем более множество станций находится вблизи аэропортов
  • Они искажают ландшафт( неподтверждено)

Это лишь малая часть мифов – страшилок, которыми пытаются напугать людей. Это повод и не более, ведь на практике работа ВЭС мощностью 1 МВт, позволяет сэкономить за 20 лет, примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Ведущие страны рекордными темпами осваивают альтернативный источник, отказываясь от атомного комплекса. Германия, США, Канада, Китай, Испания активно устанавливают оборудование на своих местностях.

Также требуется напомнить о том, что некоторые типы установок создают сильные шумы. Чем больше мощность установки, тем сильнее будет от него исходить шум. Монтировать необходимо на расстоянии, где уровень шума от станции не превысит 40 децибел. В противном случае, у вас постоянно будет болеть голова. Также они создают помехи в работе телевизора и радиовещания.

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;
  • КПД ветряных электростанций низок, увеличить его очень сложно;
  • стоимость оборудования и, соответственно, электроэнергии, намного выше, чем цена сетевого электричества;
  • окупаемость оборудования с ростом его мощности значительно снижается. Наиболее производительные станции полностью не окупаются.

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.

Расчёт и эффективность ветрогенератора

Ветер – это штука непостоянная и сильно зависит от окружающей среды. Один день может быть ураган, а в другой затишье. Так, что перед покупкой ветрогенератора для дачи или дома нужно тщательно изучить среднегодовую скорость ветра в своём регионе. Примерно эту величину можно посмотреть на карте ниже.

Среднегодовая скорость ветра в России

Если значение среднегодовой скорости ветра в вашей местности менее 4 метров в секунду, то не имеет смысла приобретать ветряную установку.

Если ветряк мощный, то потребуется монтаж с использованием крана. Поэтому, когда планируется ветрогенератор для дома, возведения мачты стараются избегать. При ограниченном бюджете выбор делается в пользу устройство с вертикальным расположением оси ротора. Такие модели работают на небольшой высоте без мачты при небольшой скорости ветра. В настоящее время специалисты ещё не делают однозначных выводов об их эффективности, поскольку они появились не так давно. С уверенностью можно сказать только о том, что вертикальные ветрогенераторы стоят дешевле, издают меньше шума, но вырабатывают меньше электричества.

Вертикальный ветрогенератор

Как можно оценить электроэнергию, которую вырабатывает ветрогенератор в течение года. Есть эмпирическая формула для устройств с горизонтальным ротором:

E = 1.64 * D2 * V3

В этой формуле:

E — это годовая выработка электроэнергии в кВт;

D — диаметр лопастей ротора, метры;

V — среднегодовая скорость ветра, метров в секунду.

Примерный срок службы ветрогенератора равен 25─30 лет. Подставляя в эту формулу требуемую для вашего дома выработку электроэнергии и среднегодовую скорость ветра в вашем регионе, вы сможете вычислить диаметр лопастей ротора.

В принципе мачту для ветряка можно изготовить своими руками. А вот электрооборудование лучше приобретать фабричного производства. Но многие умельцы самостоятельно собирают ветряные установки их отработавшей техники. Для этого в ход идут автомобильные генераторы, различные промышленные электродвигатели и т. п. Также своими руками изготавливают оперение «хвостовика» и лопасти для ротора. Сейчас на эту тему в интернете можно найти большое количество инструкций и схем. В результате можно сэкономить на сборке ветрогенератора. Однако нужно понимать, что самодельная установка всегда будет менее надёжна, чем фабричная. И КПД также будет меньше заводской.

Горизонтальный ветрогенератор

Стоит также отметить, что при увеличении диаметра лопастей и мощности генератора растёт выработка электроэнергии.

В некоторых промышленных ветрогенераторах большой мощности вырабатываемое электричество стоит дешевле, чем на ТЭС. Если ветрогенератор небольшой мощности, то себестоимость киловатта электроэнергии на нём выше, чем в случае традиционных источников энергии.

Расчет размера и места размещения

ВетроэнергетикаЧтобы произвести расчет нужного количества генераторов для электростанции ветряного типа, учитывают:

  • необходимую мощность;
  • количество ветряных дней;
  • особенности месторасположения.

Итак, для того, чтобы установка ветрогенератора была оправданной затратам, нужно определить количество ветряных дней в году, а также их преобладающее направление. Приморские районы и площадки в горах имеют наиболее выгодное месторасположение, поскольку здесь сила ветра превышает 60-70 м/с, а этого вполне достаточно, чтобы отказаться от местного электричества.

На равнинной территории ветер отличается равномерностью потока, однако его силы порой недостаточно для полного обеспечения частного дома. Установка вблизи посадок и лесов нерентабельна вовсе, поскольку энергия ветра расходуется и задерживается в большей степени на деревьях.

Поток ветра имеет увеличение мощности прямопропорциональную отдалению от поверхности земли. Соответственно, чем мачта ветряка выше, тем больший импульс она сможет захватить. Однако, чем дальше она удалена от земли, тем большего укрепления требует. Вспомогательные опоры не всегда могут полностью удержать ветряк. При сильном порывистом ветре вероятность падения высокой мачты намного больше, нежели мачты, установленной на уровне 5-7 метров.

Наиболее оптимальное удаление мачты от земли – 10-15 метров. Ее крепление осуществляется при помощи двух способов:

  1. Бетонирование основы – выкапывают четыре глубоких, но небольших в диаметре ямы, в которые погружают растяжки ветряка и бетонируют. Процесс трудоемкий и затратный, но самый надежный. При сильном ветре мачта останется неподвижной, и единственной порчей ее может стать слом лопастей.
  2. Металлические растяжки – при помощи металлического троса ветряк закрепляют перпендикулярно поверхности земли, при этом хорошо натягивают трос, закрепляя его концы в грунт.

От выбора способа закрепления мачты зависит продолжительность эксплуатации электростанции в целом.

Наличие специального оборудования, а также опыта проведения подобных работ убережет ветровую электростанцию от преждевременных поломок.

Два вида, два соперника

Как уже было отмечено, в продаже пока существуют ветрогенераторы двух видов (по расположению вала вращения к поверхности земли) – горизонтальные и вертикальные. Поговорим вначале о вертикальных.

Ветросиловые установки (ВСУ) с вертикальной осью вращения имеют неоспоримое для быта преимущество: их узлы, требующие обслуживания, сосредоточены внизу и не нужен подъем наверх. Там остается, и то не всегда, упорно-опорный самоустанавливающийся подшипник, но он прочен и долговечен. Поэтому, проектируя простой ветрогенератор, отбор вариантов нужно начинать с вертикалок.

Ротор Савониуса

В начале октября 1924 года русские изобретатели братья Я. А. и А. А. Воронины получили советский патент на поперечную роторную турбину, в следующем году финский промышленник Сигурд Савониус организовал массовое производство подобных турбин. За нам и осталась слава изобретателя этой новинки.

Ротор Ворониных-Савониуса, или для краткости, ВС, это, как минимум, два полуцилиндра на вертикальной оси вращения (см. фото). И какое бы направление ветра не было, как бы резко он не изменял свои порывы, такой ветряк будет спокойно вращаться вокруг своей оси, вырабатывая энергию. Это единственное и главное преимущество вертикального ветряка перед горизонтальным.

А главный его недостаток – низкое использование ветровой энергии. Объясняется это тем, что лопасти-полуцилиндры работают только в четверть оборота, а остальную часть окружности вращения они как бы тормозят своим движением скорость вращения. Расчёты показали, что при этом используется лишь третья часть ветровой энергии.

Вертикальные ветрогенераторы с ротором Дарье

В 1931 году французский конструктор Жорж Дарье (George Darrieus) предложил свой вариант ротора, который имеет от двух и более плоских лопастей. Он еще проще, чем ВС: лопасти – из простой упругой ленты безо всякого профиля. Прост в изготовлении и монтаже, но с малой эффективностью — КИЭВ – до 20%.

Теория ротора Дарье еще недостаточно разработана. Ясно только, что начинает он раскручиваться за счет разности аэродинамического сопротивления горба и кармана ленты, а затем становится вроде как быстроходным, образуя собственную циркуляцию. Вращательный момент мал, а в стартовых положениях ротора параллельно и перпендикулярно ветру вообще отсутствует, поэтому самораскрутка возможна только при нечетном количестве лопастей (крыльев?) В любом случае на время раскрутки нагрузку от генератора нужно отключать.

Есть у ротора Дарье еще два нехороших качества. Во-первых, при вращении вектор тяги лопасти описывает полный оборот относительно ее аэродинамического фокуса, и не плавно, а рывками. Поэтому ротор Дарье быстро разбивает свою механику даже при ровном ветре. Во-вторых, Дарье не то что шумит, а вопит и визжит, вплоть до того, что лента рвется. Происходит это вследствие ее вибрации. И чем больше лопастей, тем сильнее рев. Так что Дарье если и делают, то двухлопастными, из дорогих высокопрочных звукопоглощающих материалов (карбона, майлара), а для раскрутки посередине мачты-древка приспосабливают небольшой ВС.

Геликоидный ротор

ветрогенератора с вертикальной осью вращениягеликоидным ротором

И, наконец, существуют ветрогенераторы с многолопастным ротором. Это один из самых эффективных типов из разряда вертикальных ветрогенераторов. (См. рисунок).

Сколько стоит ветрогенератор для дома

Ниже рассматриваются цены на ветряные генераторы для дома и дачи. Как правило, мощность таких установок находится в пределах 5─50 кВт.

  • 3 кВт, 48 вольт. Используются как дополнительный, так и основной источник питания. Энергии, вырабатываемой такими моделями, хватит для обеспечения жизнедеятельности коттеджа. Цена около 90 тысяч рублей;
  • 5 кВт, 120 вольт. Этот ветрогенератор без проблем запитает целый дом с большим количеством электроприборов. Цена 200─250 тысяч рублей;
  • 10 кВт, 240 вольт. Такие ветряные генераторы могут обеспечить электричеством ферму или несколько жилых построек. Есть много примеров, когда подобные установки используются для выработки энергии в небольших супермаркетах, гаражах и т. п. Цена около 400 тысяч рублей;
  • 20 кВт, 240 вольт. Этого вполне хватит для обеспечения электричеством какой-нибудь распределительной станции водоснабжения. Цена примерно 750 тысяч рублей;
  • 30 кВт, 240 вольт. Такой ветрогенератор обеспечит электроэнергией многоквартирный дом 5─7 этажей. Цена установки около миллиона рублей;
  • 50 кВт, 380 вольт. Такие установки используются в промышленности. Их нецелесообразно применять в быту. Цена больше 3 миллионов рублей.

Ветроэнергетика

Поля ветрогенераторов

Ветровые электростанции преимущества и недостатки

Преимущества установки ветровых электростанций:

  1. Экологичность. Сегодня этот фактор играет большую роль. А добыча энергии с помощью ветряков это экологичный способ, который никак не влияет на окружающую природу.
  2. Экономичность. По сравнению с другими источниками получения энергии, ветровые станции в строительстве обходятся намного экономичнее.
  3. Нескончаемый источник энергии.
  4. Эффективность работы — электростанция вырабатывает в 80 раз больше энергии, чем потребляет.
  5. Местоположение. Ветряк можно поставить в любом месте, в отличие от традиционных станций.
  6. Современные ветряки могут работать при скорости от 3,5 м/с.
  7. Технологическое развитие.

Минусы ветроэнергетики:

  1. Работа ветряка зависит от силы потока ветра, которого может и не быть.
  2. Изменение ландшафта местности из-за строительства ветряных парков.
  3. Затраты на поиск и изучение местности для ветряков и их строительство.
  4. Турбины станций создают низкочастотные шумы, которые оказывают негативное влияние на человека.
  5. Создают опасность для птиц.
  6. Менее продуктивны по сравнению с другими станциями.

У ветроэнергетики есть свои сторонники, которые считаю применение ветрогенераторов экологичным способом решения проблемы с энергетикой. Но также есть люди, которые выступают против строительства ветряных парков, так как они приносят вред здоровью человека, птицам. Недостатки ветроэнергетики не сопоставимы с большим потенциалом, который кроется в этой отрасли.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций для дома

Как и любому другому виду оборудования, ветряным электростанциям присущи как преимущества, так и недостатки. Чтобы решиться на покупку этого устройства, желательно взвесить его сильные и слабые стороны.

Ветроэнергетика

Популярность использования ветряных электростанций обусловлена большим количеством преимуществ

Почему выгодно купить ветрогенератор (220В) для частного дома:

  1. Отсутствие дополнительных затрат, поскольку для работы устройства не требуется топливо.
  2. Нет необходимости в постоянном контроле. Конструкция вырабатывает электроэнергию самостоятельно каждый раз, когда дует ветер.
  3. Относительно бесшумный и полностью экологичный способ добычи электроэнергии.
  4. Устройство может использоваться практически в любых климатических условиях.
  5. Износ деталей минимален.

Установка ветрогенератора для дома сопровождается следующими недостатками:

  • затраты на приобретение оборудования окупаются через 5-6 лет;
  • относительно небольшой показатель КПД, что отражается на мощности;
  • высокая цена ветрогенераторов;
  • чтобы компенсировать бездействие устройства в безветренные дни, требуется дополнительное оборудование: генератор и накопительная батарея (стоимость этих элементов очень высокая);
  • в некоторых режимах ветряки для дома издают инфразвуки (то же самое происходит, если установка оборудования выполнена с ошибками);
  • требуется регулярное проведение профилактических работ;
  • ураган может серьезно повредить оборудование.

Ветроэнергетика

В зависимости от мощности прибора и карты ветров местности, ветряк может обеспечить электричеством как маленький дачный дом, так и большой загородный коттедж

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.

Установка ветрогенератора

Установка ветрогенератора проводится квалифицированными специалистами с учетом нескольких факторов:

  • выбор места установки;
  • плотность грунта;
  • особенности рельефа местности.

Выбор места

Чем выше лопасти, тем больше производительность

Чтобы выходная мощность была высокой, для ветра не должно быть препятствий. Поэтому ветряк ставят там, где нет поблизости высоких зданий, гор. При удвоении скорости и силы ветра выходная мощность увеличивается в 8 раз. Однако чем выше конструкция, тем сложнее ее установить и тем дороже она стоит.

Чтобы работе ветрогенератора ничего не мешало, его лопасти должны находиться выше любого препятствия на 4 – 6 метров в радиусе 200 метров.

Например, если высота мачты 5 м, производительность турбины будет 1,4 кВтч/сутки. При увеличении высоты вдвое, производительность также увеличится до 2,45 кВтч/сутки. При высоте в 20 м – до 3,12 кВтч/сутки. Чем выше установка, тем сложнее ее монтировать и тем дороже она обходится.

Следует рассчитать местоположение аккумуляторной станции, чтобы снизить потери при транспортировке электроэнергии на расстояние. Она должна располагаться поблизости. Учитывается стоимость кабеля: чем дальше передается энергия, тем его толщина больше.

Подходящие варианты расположения ветряка:

  • вершина горы;
  • берег водоема;
  • большое поле или равнина.

Нельзя устанавливать мачту на здание, так как она издает звуки и вибрации, которые передаются на дом.

Инструменты и материалы

Следует учитывать, что установка ветряка связана с большим количеством капитальных строительных работ – заливка фундамента под мачту, сварка.

Понадобятся следующие инструменты и материалы:

  • цемент, песок;
  • бетономешалка;
  • тросы для растяжки мачты;
  • крепежные материалы – анкерные кольца;
  • строительная техника для установки в вертикальное положение.

Все этапы проводятся с учетом технологических норм и требований к качеству качества.

Этапы установки

Монтаж проводится в следующем порядке:

  1. Заливка фундамента под основание мачты.
  2. Слой фундамента под растяжки, куда монтируется анкерное кольцо.
  3. Сборка мачты.
  4. Установка нижней секции мачты в основание.
  5. Закрепление секции и протягивание кабелей внутри.
  6. Соединение всех остальных секций мачты.
  7. Соединение генератора с мачтой.
  8. Монтаж силовых и вспомогательных кабелей.
  9. Установка лопастей, датчика ветра, балансировка лопастей.
  10. Закрепление растяжек к мачте.
  11. Подъем мачты в вертикальное положение. Закрепление основания.
  12. Установка анемоскопа.
  13. Подключение остальной электрической части.

Ветрогенератор готов к запуску.

Виды ветряных электростанций

По типу потребителей различают автономные ветрогенераторы и установки сетевого назначения. Первые осуществляют энергоснабжение удалённых от центральных электрических сетей потребителей.

Вторые – могут насчитывать несколько десятков/сотен ветряков, которые образуют единую систему и отдают энергию в общую сеть.

Мощность автономных агрегатов редко превышает 75 кВт, в то время как мощность сетевых установок стартует с отметки 100 кВт.

В зависимости от типа конструкции различают ветряные генераторы:

  • с вертикальной осью вращения;
  • с горизонтальной осью вращения.

Эти устройства используются для разных условий эксплуатации, но чаще всего встречаются модели с горизонтальной осью. Они работают как обычные флюгеры и имеют схожее строение. Ось ротора вращается параллельно земной поверхности.

Такие агрегаты отличаются высокими показателями КПД (около 40%), простой регулировкой мощности и более доступной ценой, но также характеризуются высоким уровнем создаваемого шума и вибраций. Помимо этого, их необходимо ориентировать на направление ветра.

Для монтажа ветряка с горизонтальным расположением ротора нужно примерно 120 м свободного пространства и мачта высотой не меньше 8 м

Ветряные генераторы с вертикальной осью вращения имеют более компактную конструкцию, они менее восприимчивы к воздействию факторов окружающей среды.

В устройствах этого типа турбина расположена перпендикулярно по отношению к плоскости Земли. Подобные конструкции запускаются даже от слабого ветра и не зависят от направления движения воздушных потоков.

Низкий уровень создаваемого шума (до 30 дБ) даёт возможность устанавливать вертикальные ветротурбины на крышах зданий

Однако есть и существенный минус – КПД таких генераторов составляет всего 15%. Кроме того, они стоят дороже, чем модели с горизонтальной осью вращения.

Модели ветрогенераторов различаются между собой не только расположением вращательной оси, но и:

  • количеством лопастей – бывают ветряки с двумя и тремя лопастями, встречаются и многолопастные модификации;
  • материалами изготовления функциональных деталей – с парусными и жёсткими лопастями;
  • шагом винта – регулируемый или фиксированный.

Следует отметить, что вращение многолопастных стационарных ветряков начинается даже при слабом ветре, а вот для работы двух- и трёхлопастных устройств нужен более сильный ветер.

В то же время каждая дополнительная лопасть в конструкции создаёт большее сопротивление колеса, в результате чего становится сложнее достигнуть стандартных рабочих оборотов генератора.

В зависимости от материала изготовления лопастей для ветроустановки, могут возникнуть определённые сложности в работе. Парусные элементы проще в изготовлении, поэтому и стоят дешевле.

Но если необходимо обеспечить надёжное функционирование ветротурбины для автономного электроснабжения, стоит отдавать предпочтение конструкциям с жёсткими лопастями, изготовленными из металла или армированного стеклопластика.

Что касается шага винта, то здесь также не всё так просто. Изменяемый шаг позволяет заметно расширить диапазон эффективных скоростей для работы ветряной станции и это большой плюс.

Но в то же время такой механизм снижает общую надёжность стационарной установки и значительно утяжеляет ветроколесо, усложняя эксплуатацию агрегата.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Adblock
detector