Устройство и виды ветровых электростанций

Альтернативные источники энергии

Кроме традиционных, наиболее распространенных способов получения электричества существуют другие, менее используемые, но вполне эффективные средства. К ним относятся солнечная энергия, приливные электростанции, АЭС и другие энергоблоки, способные вырабатывать электричество в промышленных масштабах или для нужд отдельного дома. Но существует один способ, имеющий массу преимуществ перед остальными.

Речь идет о ветроэнергетике, вполне эффективной и активно развивающейся отраслью энергетики в странах Запада. Потоки ветра, перемещающиеся по атмосфере, имеют огромную энергию, которая используется пока еще довольно скудно.

В России такими разработками занялись относительно недавно, так как в советское время ветроэнергетика считалась убыточной и непроизводительной отраслью. Упор делался на крупные гидроэлектростанции, позволяющие обеспечивать энергией индустриальные регионы, питать производственные цеха и металлургические комбинаты. В сравнении с потребностями промышленности, расходы энергии на бытовые нужды населения незначительны, поэтому обеспечивались практически по остаточному принципу. Поэтому и существуют до сих пор регионы, куда магистрали электроснабжения не проведены.

Ветроэнергетика — наиболее удачный выход из положения. Дело в том, что при помощи одного-двух ветряков можно обеспечить энергией всю усадьбу, не создавая крупную сеть с множеством дорогостоящего оборудования.

Плюсы и минусы ветровых электростанций

Ветровые электростанции имеют массу достоинств. В их числе:

• компактность. Ветряк занимает точечное положение и не требует какой-то территории для функционирования
• полная безопасность для окружающей среды. Ветрогенератор только получает энергию, ничего не отдавая взамен, поэтому внести в экологию какие-либо изменения он не может
• отсутствие потребностей в каком-либо топливе, вся работа системы производится абсолютно автономно
• высокая ремонтопригодность ветряков, особенно в сравнении с гидроэлектрстанциями
• расходы на получение энергии стабильны и поддаются прогнозированию
• минимальные потери энергии при передаче, возможность установки ветряков вблизи от потребителей

При таких значительных преимуществах, делающих ветроэнергетику весьма привлекательной отраслью, существует немало аргументов против нее. Если не считать различных утверждений о вреде для птиц или о сильном шуме, издаваемом ветряками, которые на проверку оказываются просто несостоятельными, можно выделить несколько действительно серьезных недостатков:

• высокие единовременные вложения, особенно если речь идет о ветроэлектростанции, объединяющей несколько десятков ветряков
• непостоянство скорости и направления потоков ветра, которые трудно предсказать или запланировать. Здесь же надо отметить случающиеся шквалы или штормы, способные вывести из строя высокие мачты с лопастями, не готовыми к таким нагрузкам
• КПД ветрогенераторов в лучшем случае составляет 30%, а в среднем — гораздо меньше, что является самым серьезным аргументом против такого направления энергетики

При равных возможностях первенство ГЭС очевидно, поэтому речь не идет о замене одного типа станций на другой, а лишь о возможности получения энергии при отсутствии обычных методов.

Если рассуждать на бытовом уровне, то приобретение ветряка, даже недорогого, весьма сильно ударит по семейному бюджету. Учитывая реалии, можно вполне ответственно утверждать, что в большинстве регионов, где нет электричества, покупка промышленного ветряка людям не по карману. Другое дело — самостоятельное изготовление. Здесь картина иная, так как техническое творчество у русского человека в крови, а если к тому подталкивают жизненные обстоятельства, то самая серьезная мотивация обеспечена.

Ветрогенераторы — альтернативная энергия

Ветер обладает достаточно большим потенциалом энергии. Метеорологи утверждают, что всего один вертрогенератор сможет обеспечить загородный дом электроэнергией в полном объеме. А по некоторым подсчетам такой запас энергии во всем мире в год в состоянии дать приблизительно 170 кВт/ч. Сейчас на полях, где постоянно дуют сильные ветра можно увидеть огромное количество башен с десятиметровыми лопастями, имеющими высоту около ста метров. К тому же ветрогенератор стоит не так уж и дорого и его может позволить себе практически каждый.Даже, несмотря на некоторые недостатки такой энергии, с каждым годом все большее количество людей отдает предпочтение ветрогенераторам поскольку — это абсолютно безопасно и экологически безвредно.

Недостатки ветрогенераторов:

• для установки необходимы сложные технические установки;
• изменчивость ветра может способствовать перебоям в подаче электроэнергии;
• из-за сильного ветра могут сломаться лопасти;
• ветряки перебивают радиоволны, мешают полетам птиц и насекомых и создают шум.

Однако такие недостатки в наше время легко убираются при помощи применения высокотехнологических и инженерных решений.

Ветряки циклонного типа

Такой ветряк имеет очень высокий уровень КПД с максимальной мощностью около 100 00 кВт/ч. Он в состоянии создать имитацию циклона, а также разгонять турбину в башне, которая в высоту составляет 15 метров. Альтернативная энергия в таких ветряках вырабатывается намного эффективнее, нежели в обычных лопастных ветряках или солнечных батареях

Ветряки тихоходного типа

Это энергоустановки отдельного вида, которые могут обеспечить подачу электроэнергии даже при максимально низкой силе ветра. Это возможно за счет того, что при смене интенсивности силы ветра изменяется и ход лопасти. А во время сильного ветра лопасти могут даже изменить свой угол, таким образом, защищаясь от поломки.Во Франции и Англии часто сооружают очень большие фермы, где ветряки устанавливаются рядами, это в значительной мере снижает влияние перемены силы или направления ветра и стабилизирует добычу энергии. А вот в Дании такие фермы зачастую устанавливаю на мелководном берегу в Северном море.

В Германии альтернативная энергия занимает 10% от общей энергии. В Швеции и Нидерландах благодаря особому отношению к такому виду добычи энергии, всего за 90-е годы было построено порядка 55 тис. ветрогенераторов.

Устройство ветряного генератора

Различные варианты ветрогенераторов значительно отличаются друг от друга.

На приведенной схеме представлено внутреннее устройство классического горизонтального ветряного генератора. Такие модели наиболее часто используются как в промышленности, так и в быту

Промышленные устройства представляют собой сложную многометровую конструкцию, для установки которой требуется фундамент, в то время как бытовая модель может состоять из минимума компонентов (электродвигателя постоянного тока 3-12В, электроконденсатора 1000 мкФ 6В, кремниевого выпрямительного диода).

Типовая установка включает в себя следующие составные части:

• генератор переменного тока (мощность зависит от скорости ветровых потоков);
• лопасти, которые передают вращение к валу генератора (часто они дополнительно оснащены редукторами, стабилизаторами скорости вращения ротора);
• мачта ветряка, к которой крепятся лопасти (чем выше находятся эти элементы, тем большее количество ветровой энергии они могут получить);
• аккумуляторы, накапливающие энергию, что позволяет использовать ее при небольшом ветровом потоке или его полном отсутствии. Батарея также выполняет функцию стабилизации электрической энергии, поступившей от генератора;
• контроллер – преобразователь переменного напряжения, полученного с генератора, в постоянное, которое применяется для заряда батареи. Управление контроллером осуществляется поворотом лопастей, что позволяет учитывать, куда движутся потоки воздуха;
• АВР – устройство автоматического переключения, связывающее ветрогенератор с другими источниками энергии (солнечными панелями, электросетью);
• датчик направления ветров – прибор, облегчающий лопастям поиск ветрового потока;
• инвертор для преобразования постоянного тока из аккумуляторов в переменное напряжение, которое применяется в электрокоммуникациях.

Для более полного удовлетворения пользовательских потребностей прибор может быть снабжен различными типами инверторов:

• приспособления с инвертормодифицированной синусоидой, выдающей квадратную синусоиду. Устройства этого типа подойдут для ТЭНов, ламп накаливания и иных приборов, нетребовательных к качеству сети;
• инверторы трехфазного напряжения, рассчитанные для трехфазных электросетей;
• установки с чистой синусоидой, которые производят энергию для более чувствительной техники;
• инверторы сетевые, способные функционировать без батарей. Подобные устройства предназначены для схем, предполагающих попадание электрической энергии непосредственно в общую сеть.

При выборе моделей следует обязательно обращать внимание на разновидность инвертора

Виды ветровых генераторов

Независимые источники энергии – Ветрогенераторы – классифицируют по нескольким параметрам:

1. По типу рабочей оси вращения:

С горизонтальной осью, расположенной перпендикулярно направлению ветра. В горизонтальных ветряках лопасти работают одновременно, а направление оси ориентирует флюгер. С вертикальной рабочей осью, не нуждающейся в ориентировании на ветровой поток. Рабочая лопастная поверхность вертикального ветряка вдвое меньше, чем у горизонтального, поскольку часть лопастей движется с потоком ветра, часть – против него.Если сравнивать эффективность обеих установок, то нужно учитывать их количество. Горизонтальный ветряк обладает большей производительностью, чем вертикальный, если он стоит одиночно. При расположении нескольких подобных установок в ряд сила одного ветрового потока распределяется между ними. При размещении в ряд вертикальных ветроустановок производительность их, напротив, увеличивается. Это происходит за счет перенаправления потока ветра лопастями друг другу.

2. По числу лопастей:

Две–три лопасти. Более 3-х лопастей.От количества лопастных поверхностей зависит скорость работы ветрогенератора (соответственно, производительность). Так, установка с малым числом лопастей способна развить большой темп, однако для начала работы ей потребуется ветер большой силы. Большое количество лопастей не требует сильного ветра для «разгона», однако набирать высокую скорость работы ветряк будет дольше.

3. По материалу лопастей:

Жесткий (металл, пластик, стеклопластик). Парусный (ткань, ПВХ пленка и проч.).Несмотря на изначально небольшую стоимость парусных ветряков, их дальнейшее обслуживание может стоить недешево. Песок и пыль – спутники ветра, способствуют большему износу мягкого парусного материала, чем жесткого. Если в приоритете надежность ветрогенератора (к примеру, для автономного энергообеспечения), то рекомендуется устанавливать жесткие лопасти.

Нехватка энергоресурсов и коммунальные услуги

Ветряные электростанции – это далеко не новое слово в области электротехники. Эти громоздкие, но не очень сложные агрегаты активно используются для выработки электроэнергии во многих странах мира. В России они применяются только в частном порядке, хотя интерес к этим экологически чистым аппаратам постоянно растет. Основная причина – беспощадный рост тарифов на коммунальные услуги.

И действительно, цены на электроэнергию постоянно растут, а поставщики вводят какие-то безумные нормативы, целью которых является взимание как можно большей ежемесячной платы с потребителей. Неудивительно, что люди стремятся найти какой-то разумный выход из ситуации. Таких выходов несколько:

• Отказаться от потребления электроэнергии – интересный подход, но мы же с вами не пещерные люди. Поэтому данный вариант будет интересен крайне ограниченному кругу лиц;
• Начать обманывать счетчики – это незаконно, да еще и грозит крупным штрафом, которого бы хватило на несколько мегаватт электричества;
• Воспользоваться альтернативными источниками электричества – это солнечные и ветряные электростанции.

Солнечные электростанции требуют большого количества солнечных батарей и наличия большого количества солнечных дней в год для местности, в которой будет производиться их эксплуатация. Что касается ветряных электростанций, то они используют энергию ветра – они работают почти в любую погоду.

Ветровые электростанции для дома получают все большее распространение, несмотря на свою дороговизну. Их выбирают те, кто устал «кормить» государство ежемесячными платежами. Также они востребованы при электрификации загородного жилья – иногда проще купить ВЭС (ветряную электростанцию), чем оплатить гигантский счет за подключение к электрическим сетям.

Стоимость подключения загородных домов, удаленных от населенных пунктов, является зашкаливающей, что вынуждает людей использовать дизельные и бензиновые генераторы, а также солнечные и ветряные электростанции.

Производство и использование промышленной ветряной электростанции требует огромных затрат, однако, такие вложения легко окупаются в будущем, поскольку с их помощью поставщики энергии могут делать деньги по сути «из воздуха».

О ветряных электростанциях задумываются и поставщики электроэнергии. Атомные станции слишком опасны, гидроэлектростанции наносят вред руслам рек и окружающей биосфере, угольные станции извергают в воздух тонны углекислого газа и прочих продуктов сгорания. Кроме того, угля в земле все меньше и меньше – уголь и газ являются невозобновляемыми природными ресурсами.

Перспективы ветрогенераторов

Методы получения альтернативной энергии постоянно совершенствуются, их мощность растет, что позволяет использовать их в промышленных масштабах. Из всех способов, наиболее активно развивается самый древний — ветроэнергетика. Именно о ней и пойдет речь в данной статье. Как говорилось выше, Человек использует силу ветра давно. Паруса, ветряные мельницы — это самые известные примеры использования силы ветра. Однако с появлением дешевых углеводородов про ветер забыли. Нефть и уголь стали основными источниками получения энергии на долгие годы.

Зато сейчас, когда цены на углеводороды стали расти, а экология от их использования ухудшатся, вновь вспомнили об энергии ветра. И как удачно вспомнили! Современные ветрогенераторы — это не примитивные ветряные колеса, а высокотехнологичный продукт. Достаточно посмотреть на цифры и становиться понятно, что ветрогенераторы могут выдавать большие объемы электроэнергии. Сейчас во всем мире, более 200 ГВт получают с помощью ветра. Учитывая тенденцию развития ветроэнергетики, эта цифра ежегодно будет расти на 20%.

Страны активно развивающие ветроэнергетику

Часть европейских стран и США серьезно работают над использованием энергии ветра. Вот только несколько примеров:

Америка, Ветропарк в Южной Дакоте. На его территории размещено 2200 ветрогенераторов. Суммарная мощность вырабатываемой ими электроэнергии составляет 5,5 ГВт; Шотландия до 30% всей произведенной электроэнергии получает из ветра. К 2020 году они хотят увеличить долю альтернативной энергии до 50%; в Бельгии, в одном из прибрежных районов, планируется установка 48 ветровых турбин. Причем мощность каждой составит 6 МВт.В России, к сожалению, нет таких больших показателей. Планируемое получение энергии из ветра к 2020 году — 4-5% от общей выработки. Но, не смотря ни на что, разрабатываются ветряки отечественной конструкции, дорабатываются под наши условия импортные. В общем, работа идет и перспективы у ветроэнергетики в России есть. В прочем, как и во всем мире.

Важный момент:

Преимущества ветрогенератора:

сбережение электроэнергии при доступности ветров. сбережение топлива и сырья для отопления помещения больших размеров. самоокупаемость за 2-5 года, при большой трате электричества. экологическая «чистота» оборудования. постоянное усовершенствование характеристик и свойствСделав вывод, можно прийти к единому мнению, что если вы находитесь в местности, где зачастую происходят ветра, ветрогенератор – это лучшее решение экономии электричества.

Срок окупаемости и расчет экономии

Для вашей индивидуальной ветровой установки этот срок – НИКОГДА.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

Но если вспомнить начальные траты в 200тыс., то вернете вы их через тридцать два года!

И все это без учета эксплуатационных затрат. А если прикинуть, что средний срок службы хорошего ветряка – около 20лет, то получается, что он окончательно и безвозвратно поломается еще до того, как выйдет на окупаемость.

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.

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.

Существует отдельная классификация ветровых электростанций по месту их расположения. Среди них можно выделить три основных типа:

• Наземные установки, получившие наиболее широкое распространение. Они монтируются на холмах и высотах, а также на специально подготовленных площадках. Строительство ведется с использованием дорогостоящей подъемной техники, поскольку все основные конструкции устанавливаются на большую высоту. Несколько устройств объединяются в общую систему с помощью электрических кабелей.
• Прибрежные ветровые электростанции. Строятся неподалеку от берегов морей и океанов. Работа системы зависит от морского бриза, который создает воздушные потоки с определенной периодичностью. Сам бриз возникает в результате неравномерного нагрева поверхностей водоемов и суши. Днем движение воздуха осуществляется в направлении с воды на сушу, а ночью, наоборот, с побережья к водоему. Таким образом, получение электроэнергии происходит круглосуточно, без каких-либо перерывов.
• Шельфовые ветряные электростанции. Устанавливаются в море далеко от берега, на расстоянии 10-12 км. В этом случае генераторы используют энергию, создаваемую регулярными морскими ветрами. Для установки используются участки морского дна, расположенные на незначительной глубине. Фундамент конструкции представляет собой сваи, забиваемые в грунт на глубину до 30 м. Передача электроэнергии на берег, осуществляется при помощи подводного кабеля.

Необычные устройства, ветроэнегетика и её проекты

На стадии разработки находиться еще множество конструкций необычного типа. Среди них, особым интересом пользуются:

• Sheerwind напоминает своим внешним видом музыкальный инструмент
• ветрогенераторы от компании ТАК, напоминающие уличные фонари на само обеспечении
• ветряки на мостах в виде пешеходного перехода
• ветряные качели, которые принимают потоки воздуха со всех сторон
• «ветряные линзы» диаметром 112 метров
• плавучие ветряки от корпорации FLOATGEN
• разработка компании Tyer Wind – ветрогенератор, имитирующий лопастями взмах крыльев колибри
• в виде реального дома, в котором можно жить от компании TAMEER. Аналогом этой разработки является Anara Tower в Дубаи

Вскоре будут установлены первые в мире установки способные работать без ветра. Представит вниманию человечества их немецкая компания Max Bögl Wind AG. Они будут состоять из турбин высотой 178 метров. Будут также выполнять роль резервуаров с водой. Принцип работы системы достаточно простой, когда есть ветер оборудование будет работать по типу ветрогенератора, а когда погода не ветреная, в работу будет пускаться гидротурбины. Они вырабатывают энергию из воды, которая должна спускаться из резервуаров вниз по холму. Когда он снова появляется, вода начнет перекачиваться обратно в резервуары. Этим самым удастся обеспечить работу электростанции в непрерывном режиме. Эпоха “мельниц”, с которыми сражался еще Дон Кихот в рассказе Сервантеса уходит в далекое прошлое. Сегодня промышленные объекты больше напоминают уникальные произведения искусства нежели промышленные установки.

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.

Аккумуляторы для генератора

Батареи для ветряков AGM, в отличии от гелиевых, герметичны и содержат кислотный электролит. Изделия отличаются повышенной чувствительностью к перезарядкам и выдерживают 200—500 циклов. Гелиевые АКБ относятся к не обслуживаемому виду химических источников электричества. Они имеют загуститель силикагеля в составе электролита и чувствительны к перезарядкам. Небольшое количество циклов зарядов в пределе 350 раз.

Панцирные АКБ изготавливаются по уникальной технологии, считаются аккумуляторами нового поколения и отличаются улучшенными свойствами. Большой эксплуатационный срок от 800 до 2 тыс. циклов зарядов-разрядов. Аккумуляторы зависят от температуры окружающей среды. Понижение на 1ºС приводит к уменьшению ёмкости устройства на 1%. Этот параметр АКБ в мороз -25 ºС будет наполовину меньше его значений при +25 ºС.