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 источник энергии — силу ветра.
Устройство и виды ветровых электростанций
Ветроэлектростанции (ВЭС) используют энергию ветра для выработки электротока. Крупные станции состоят из множества ветрогенераторов, 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.
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.
Принцип работы
Как уже говорилось, ВЭС имеют роторную или крыльчатую конструкцию. Роторные станции, как правило, имеют устройства с вертикальной осью вращения. 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.
Генератор для ветровой турбины
Для функционирования ветряков необходимы обычные трехфазные генераторы. Конструкция таких устройств аналогична моделям, применяемым на автомобилях, но имеет большие параметры.
В приборах для ветряных турбин предусмотрена трехфазная обмотка статора (соединение по типу «звезда»), откуда выходят три провода, идущие на контроллер, где происходит трансформация переменного напряжения в постоянное.
Ротор генератора для ветротурбины изготовляется на неодимовых магнитах: в подобных конструкциях нецелесообразно использовать электровозбуждение, поскольку катушка потребляет много энергии
Для повышения оборотов нередко применяется мультипликатор. Такое приспособление позволяет увеличить мощность действующего генератора или использовать устройство меньшего размера, что снижает стоимость установки.
Мультипликаторы чаще применяются в вертикальных ветрогенераторах, у которых процесс вращения ветроколеса осуществляется медленнее. Для горизонтальных устройств с высокой скоростью вращения лопастей мультипликаторы не требуются, что упрощает и удешевляет конструкцию.
Специфика сборки и монтажа ветрогенератора из стиральной машинки и ветроустановки из автомобильного генератора подробно изложена в рекомендуемых нами статьях.
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.
История ветряных мельниц
Впервые ветряные мельницы упоминаются в писаниях Х века нашей эры в Персии. Это самые ранние сведения. Там механизм использовался для перекачивания воды из ручьев, а также для переработки зерна в муку.
Благодаря Крестовым походам идея ветряных мельниц попала в Европу. Правда, персы строили горизонтальные конструкции, а европейцы создали вертикальные. Произошло это в начале 12-го века в Йоркшире, Англия. Владельцами мельниц были богатые феодалы, а уровень жизни населения определялся количеством ветряков в его владениях.
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.
Особенности использования ветряного генератора
Следует учитывать, что каждые 10 метров подъема позволяют получить скорость ветра на 1 м/с больше. Соответственно, от высоты мачты непосредственно зависит, насколько эффективно сможет функционировать генераторное оборудование. Также на эффективность работы будет оказывать влияние и диаметр ротора, поэтому предпочтительнее, чтобы он был большим.
Скорость ветрового потока имеет значение для работы оборудования. При скорости 1,5 м/с лопасти начинают вращаться. Генерация энергии начинается, когда скорость ветра достигает значения 3 м/с. Для украинских ветряных генераторных установок номинальной является скорость ветра 7-9 м/с. Такое оборудование способно функционировать при скорости потока воздуха до 52 м/с, что составляет около 200 км/ч.
Ветряные генераторы характеризуются обширной сферой применения. Их устанавливают в частных домовладениях, предприятиях, обособленных сооружениях и других объектах, нуждающихся в автономном энергоснабжении. Для установки предпочтительнее выбирать открытые пространства. Это могут быть возвышенности, холмы и даже мелководье.
Ветряное генераторное оборудование может быть использовано в единичном экземпляре либо группой. Для масштабных объектов такие устройства объединяют в парки. Использование возможно в качестве основного или дополнительного источника энергии.
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.
Конструкция ветряных генераторов энергии
Многим интересно, как устроен ветрогенератор именно с точки зрения его конструкции, поэтому мы уделим отдельное внимание этому вопросу. Такие установки включают следующие функциональные узлы:
- установка, превращающая ветровую силу в энергию;
- аккумуляторная батарея;
- инвертор;
- контроллер заряда.
Оборудование, преобразующее ветровую энергию в электрическую, включает в себя:
- турбину, т.е. ротор, осуществляющий превращение энергии ветрового потока прямолинейного движения;
- генератор, осуществляющий преобразование механической энергии в электрическую;
- мачту (данный конструктивный элемент может быть типа «ферма» либо трубчатым);
- систему управления турбиной;
- мультипликатор (в зависимости от модели);
- хвост или систему азимутального привода;
- выпрямитель, который необходим при использовании генераторов переменного тока для правильной зарядки аккумулятора.
С точки зрения мощности все ветровое генераторное оборудование классифицируется на бытовое, характеризующееся мощностью 1-10 кВт и промышленное – от 500 кВт.
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.
Схемы и способы подключения
Хотя ветроустановка может работать и автономно, значительно лучшего результата удается достичь при помощи комбинированных схем, предусматривающих сочетание ветрового устройства с солнечными батареями, централизованной электросетью, дизельными или газовыми источниками энергии.
Автономная работа. В этом случае ставится единичная установка, при помощи которой улавливается и накапливается ветровая энергия, которая затем преобразуется в необходимый потребителям электрический ток.
На схеме продемонстрирован наиболее простой способ применения ветрогенератора, который целесообразно использовать в регионах, где постоянно дуют сильные ветра
Совмещение ветрогенератора с солнечными панелями. Комбинированный вариант считается надежным и эффективным способом электроснабжения. В случае отсутствия ветра аккумулятор работает от солнечных панелей, а в пасмурную погоду и в течение ночи зарядка происходит от ветровой установки.
Идеальный вариант для частного дома или хозяйства, расположенного вдали централизованной электросети. Такая комбинированная схема позволяет использовать два вида возобновляемой энергии
Комбинированная работа ветрогенератора и электросети. Ветротурбину можно совмещать с элетрокоммуникациями.
Подобная схема типична для промышленных и коммерческих устройств. Подключение к электрокоммуникациям предусматривают также некоторые модели бытовых ветрогенераторов
При избытке произведенного электричества оно поступает в централизованную сеть, а при его недостатке имеется возможность воспользоваться электрическим током из общей энергосистемы.
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.
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.
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.
Валера
Голос строительного гуру
Задать вопрос
При совместном использовании нескольких альтернативных источников энергии расположение каждой группы не должно мешать работе остальных. Например, лопасти ветряка могут заслонять солнечные батареи.
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:
- Заливка фундамента под основание мачты.
- Слой фундамента под растяжки, куда монтируется анкерное кольцо.
- Сборка мачты.
- Установка нижней секции мачты в основание.
- Закрепление секции и протягивание кабелей внутри.
- Соединение всех остальных секций мачты.
- Соединение генератора с мачтой.
- Монтаж силовых и вспомогательных кабелей.
- Установка лопастей, датчика ветра, балансировка лопастей.
- Закрепление растяжек к мачте.
- Подъем мачты в вертикальное положение. Закрепление основания.
- Установка анемоскопа.
- Подключение остальной электрической части.
Ветрогенератор готов к запуску.
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.
Выводы и полезное видео по теме
На представленном ниже видеоролике дается подробная информация о принципе работы и устройстве бытовой модели ветряного генератора:
Ветрогенератор – отличный источник производства электрической энергии, который особенно оценят жители отдаленных мест. Различные российские и зарубежные предприятия предлагают большой ассортимент ветряных конструкций, кроме того, бытовые модели можно сделать и своими руками.
Пишите, пожалуйста, комментарии в находящемся ниже блоке. Расскажите о том, как сооружали ветряной генератор на вашем участке, или о том, как работает ветряк у ваших соседей. Задавайте вопросы, делитесь полезной информацией и фото по теме.
