Устройство, принцип работы и эксплуатация ветряных электростанций. Ветряные электростанции для частного дома: особенности и характеристика

Получение электроэнергии с помощью ветровых электростанций всегда интересовало человечество. Энергию ветра принято относить к возобновляемым видам, так же как солнечную, внутренних вод, термальную и биомассы. Потенциал этой энергии на земном шаре в 30 раз перекрывает сегодняшние потребности. Строительство установок, получающих электричество при преобразовании энергии потока воздуха, считается перспективным направлением во всем мире, несмотря на низкий КПД - 20-30%.

Устройство и основные виды ветрогенераторов

Схема, по которой собирается ветровая электростанция для получения электричества, достаточна проста. Энергия ветра преобразуется с помощью ветрогенератора и выпрямительно-зарядного устройства (контроллера) в постоянный электрический ток, обычно 12/24/48 вольт. Ток идет на подзаряд аккумуляторной батареи (по принципу автомобильной), затем подается на инвертор, где постоянный ток преобразуется в переменный 220-230В.

На сегодняшний день реально работают три вида ветрогенераторов:

С вертикально-ориентированной осью вращения;

С горизонтальной, ориентированной перпендикулярно потоку воздуха;

С горизонтальной, ориентированной параллельно потоку.

Ветровая электростанция с вертикальным ветрогенератором наиболее проста при изготовлении и монтаже: не нужно ориентироваться на направление ветра, поэтому нагрузка на конструкцию гораздо меньше. Лопасти у этих устройств выпускаются в виде чаш, турбин или S-образные.

При горизонтальной оси вращения энергия ветра преобразуется в силу сопротивления или подъемную. Количество лопастей у этих устройств может быть от одной до пятидесяти.

В рамках основной классификации существует много разнообразных, конструктивно соединенных, либо совершенно новых изобретений.

Ветровые электростанции для дома: целесообразность выбора

Проект электроснабжения строящегося (или реконструируемого) дома должен решать три проблемы:

Надежность получения электроэнергии;

Обеспечение необходимой мощности потребления;

Задействование необходимого количества источников получения электричества.

В городской черте, где развита электросеть, вопрос надежности получения электричества стоит только лишь для отдаленных районов, либо районных городов и поселков. Ветровая электростанция для дома в этих случаях нецелесообразна: отключения происходят лишь при авариях в сети и ликвидируются максимум за сутки. Как дополнительный источник обычно выбирается дизельная (бензиновая) или газовая мини электростанция.

При обустройстве коттеджа в отдаленном районе или строительстве фермы, где нет близко проложенной ЛЭП, встает вопрос о стабильной схеме получения электроэнергии. Обычно проблема решается так: дизельная (или бензиновая) электростанция, а в качестве альтернативного источника (с целью удешевления стоимости единицы мощности) успешно реализуются проекты применения энергии ветра или солнца.

Ветровая электростанция должна обеспечивать необходимый запас мощности для реального потребления. В этом случае не обойтись без мощной аккумуляторной батареи и надежного инвертора. В качестве альтернативного источника используется дизельный генератор.

Преимущества и недостатки получения электричества от ветроустановки

При среднестатистическом домовом потреблении (освещение, отопление, бытовая техника) достаточно мощности от 500вт до 1000/1500 вт. При установке ветрогенератора необходимо помнить, что чем выше вырабатываемая им мощность, тем больше размер лопастей и, соответственно, выше цена.

Обычно выделяют следующие недостатки ветровых электростанций:

Большие единовременные начальные вложения, отсюда сравнительно высокая стоимость единицы электроэнергии;

Зависимость установки от наличия дней, когда скорость ветра оптимальна (шесть - семь метров в секунду), именно при таких показателях установка выходит на паспортную (проектную) мощность;

Автономная ветровая электростанция может работать только при наличии аккумуляторной батареи большой емкости и при мощном инверторе, а в качестве дополнения в безветренные дни нужен дизель-генератор, что значительно удорожает проект;

Большой срок окупаемости: в среднем от семи до десяти лет.

Требования к выбору места для монтажа мачты

Для работы ветрогенератора любой мощности необходим ветер. Для России в среднем считается, что ветер дует только лишь в течение 270-280 дней в году. Приморские и горные участки имеют другую статистику, более благоприятную. Именно там и идет основное освоение силы ветра, как даровой энергии.

Чем выше мачта, тем большую скорость развивает воздушный поток. Обычно ветряки монтируют на высоте не менее четырех метров от уровня дома (в среднем от четырнадцати до двадцати четырех метров). Площадка для установки выбирается на расстоянии от дома минимально кратной трем к высоте мачты. Устройство монтируется либо на бетонное основание (что достаточно дорого и трудоемко), либо с помощью растяжек.

Для монтажа ветрогенератора, изготовленного на производстве, привлекаются специализированные организации. Обычно это или сам завод-изготовитель, или дистрибьюторы иностранных фирм. Специалисты предлагают схему ветровой электростанции, выбирают место установки мачты, монтируют оборудование и производят запуск.

Ветровая электростанция своими руками

В последнее время, когда удорожание электроэнергии происходит с пугающим население постоянством, увеличивается интерес к ветровым электростанциям в России. Ветровая мини электростанция (ветряк) проектируется, изготавливается народными умельцами и монтируется без помощи специалистов.

Самой простой в изготовлении считается ветровая электростанция с установкой, имеющей вертикальную вращательную ось. Она не требует усиленной мачты, легко рассчитывается, легко монтируется и, самое главное, низка в цене. Удорожание происходит за счет аккумуляторной батареи нужной емкости и надежного инвертора.

Ветряк, изготовленный для вращения на горизонтальной оси, требует тщательного крепления лопастей (их центрирования), но выглядит более элегантно и изысканно. Его детали дороже в изготовлении, а дополнительное оборудование такое же, как и у вертикальной установки.

Ветровые электростанции своими руками сегодняшние умельцы предпочитают делать полностью, с нуля. Генератор разрабатывается на основе асинхронного двигателя, плюс выпрямитель и аккумуляторная батарея из автомобиля. Если ограничиться таким набором, то вырабатываемой электроэнергией можно нагревать воду в бойлере, запитывать водяной насос (согласовав питающее напряжение).

С инвертором небольшой мощности можно даже включать освещение и другие несложные электроприборы, не требующие качественных характеристик тока (компьютер, телевизор подключать можно только с инвертором, имеющим на выходе необходимые характеристики по синусоидальности, частоте и др.).

Основные зарубежные производители ветровых электростанций: сравнительная стоимость установок

Использование, а соответственно и изготовление ветрогенераторов для получения электричества было освоено впервые в Дании еще в конце девятнадцатого века. Отсутствие своих энергоносителей заставляет многие страны идти по пути освоения энергии воздушных потоков и возводить как мощные (сотни мегаватт) ВЭУ, так и ветровые электростанции для дома. Ниже приведен список наиболее известных фирм, поставляющих свою продукцию всему миру.

Зарубежные производители ветрогенераторов:

Дания Vestas - доля рынка 12,7%;

Китай Sinovel, Goldwind, Guodian United Power, Ming Yang - доля рынка 28,7% в совокупности всех фирм;

Испания Gamesa - доля рынка 8 %;

Германия Enercon, Siemens - совокупная доля рынка 14,1%;

США GE Energy - доля рынка 7,7%;

Индия Suzion - доля рынка 7,6%.

Самыми дешевыми считаются китайские установки. В зависимости от мощности их можно приобрести по цене от 18-20 тысяч рублей. Следует отметить, что такие установки (мощность от 100-200 Вт) не подлежат ремонту и обычно не комплектуются мачтой. Ветроэлектростанции среднего ценового сегмента из Китая считаются надежными, служат более 15 лет.

Датские, испанские, немецкие установки более качественные, их монтаж и запуск давно освоили специализированные организации, но они дороги. От 1000$ до 2000-2500$ при мощности от 200 Вт.

Ветровые электростанции в России: цены и производители

В последние 20 лет отмечен возросший интерес к производству оборудования для ветроэлектростанций. Отечественные производители разработали и успешно поставляют потребителям недорогие устройства. В среднем их можно приобрести от 40-45 тыс. руб. при мощности от 300 Вт.

Ниже приведен список отечественных производителей, освоивших производство и выпускающих собственные модели ветровых электростанций:

- "РесурсПромАльянс" в Челябинске;

- "Стройинжсервис" в Рыбинске;

RKraft в Москве;

- «Энерго-Экологические Системы» НПП в Москве;

ЛМП «Ветроэнергетика» в Хабаровске;

- «Сапсан-Энергия» в Москве;

- «ГРЦ Вертикаль» в Миассе;

- «СКБ Искра» в Москве;

- «Ветро-Свет» в С-Петербурге.

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.

Содержание:

Ветер у всех народов всегда воспринимался как проявление божественной силы. Эта сила очевидна, и в некоторых случаях – огромна. По мере развития человечество, кроме своего почитания божеств воздушной стихии научилось использовать ее для собственных нужд. Парус у всех народов стал основой движения на воде, появились мельницы-ветряки. На непродолжительный по историческим меркам срок, с началом использования тепла как основы для работы большинства механизмов, использование ветра сократилось.

Но в наше время с появлением экологических проблем интерес к использованию силы ветра возрождается быстро и мощно. Современные технические решения позволяют эффективно преобразовать энергию воздушных потоков в электричество. Хотя и более дорогое в сравнении с другими технологиями, которые используются на основных типах электростанций. Их три – тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Сегодня ветряные электростанции нашли свою нишу на рынке электроэнергии. Более подробно расскажем об этом и не только далее в статье.

Из истории в современность

Археологические исследования информируют о том, что несколько тысячелетий тому назад вавилонские умельцы создавали ветряные машины для превращения болот в сельскохозяйственные угодья. Эти механизмы применялись для вычерпывания воды и осушения почвы. Аналогичные машины на своих рисовых полях применяли китайцы примерно в те же времена. А первые мельницы-ветряки появились еще у древнеегипетских предпринимателей. Со временем мельницы появились и в Европе, и восточнее примерно в XII веке.

Развитие электрических технологий не могло не натолкнуть инженеров на идею заменить жернова мельницы электрогенератором. Это и произошло в тридцатые годы прошлого века. Проблемы, существующие на топливных рынках, а также аварии на атомных электростанциях стимулировали развитие ветряных электростанций. Сегодня их число быстро увеличивается, о чем свидетельствует статистика, приведенная ниже:

Однако стихия непредсказуема. А для воздушной стихии существует такое определение, как полный штиль. Это значит, что даже в открытом море, где воздух находится в постоянном движении, бывает так, что ветер исчезает. Поэтому ветряная электростанция эффективна только в том месте, где штиль случается как можно реже. Такие места наиболее распространены вблизи морского побережья, на холмах, в горах, и в некоторых специфических местностях.

Как устроена и как работает

Основой ветряной электростанции является крыльчатка (турбина). Наиболее эффективная конструкция – крыльчатка с тремя лопастями пропеллерного типа, установленная высоко над поверхностью земли. Работу электростанции с такой крыльчаткой иллюстрирует изображение ниже:

Для получения максимальной эффективности специальные механизмы управляют положением ротора и лопастей. Их автоматически подбирают в соответствии с направлением и силой ветра. Существуют и другие конструкции крыльчаток, так называемые барабанные. Например, такие, для которых направление ветра не имеет значения. В основном это результат творчества отдельных энтузиастов.

Главный недостаток всех непропеллерных моделей – более низкий КПД. У электростанции с пропеллерной крыльчаткой КПД чуть меньше 50%. А главным недостатком всех без исключения ветряных электростанций является сам ветер. Его сила подвержена частым изменениям. В результате обороты крыльчатки изменяются, а вместе с этим меняется вырабатываемая электрическая мощность. Поэтому для сопряжения генератора ветряной электростанции с электросетью необходимо дополнительное электрооборудование.

Обычно это аккумуляторы с инверторами. Генератор сначала заряжает аккумуляторы, и для этого процесса равномерность силы тока неактуальна. Передача электричества в сеть выполняется инвертором, который преобразует заряд, накопленный в аккумуляторе. Дополнительным плюсом пропеллерной конструкции можно считать ее управляемость. Если сила ветра становится чрезмерной, угол атаки лопасти делается минимальным. В результате ветровая нагрузка на турбину падает.

Но не всегда удается уберечь ветряную электростанцию от поломки. На побережье случаются ураганы, которые ломают крыльчатку. Такие случаи продемонстрированы далее.

Современная ветряная электростанция – это огромное сооружение. Поэтому воздействие сильного ветра на него весьма заметно. Хорошее наглядное представление о масштабах такой электростанции дает изображение, показанное далее.

Высота, на которой размещается электрогенератор, в среднем равна пятидесяти метрам. Чем выше, тем сильнее и стабильнее дует ветер. Для получения наибольшей мощности устанавливаются десятки электрогенераторов. Из наземных ветряных электростанций наиболее мощная расположена в США. Ниже предоставлена краткая информация о ней.

Самое большое число электростанций построено на побережье. Они называются прибрежными. Но поскольку земля прибрежных территорий дорогая, целесообразнее строить на мелководьях морского шельфа. Такие электростанции называются шельфовыми. Однако из-за дороговизны строительства мощность крупнейшей в мире шельфовой электростанции, построенной у берегов Англии, составила 630 мВт, что более чем в 2 раза меньше, чем у наземного аналога.

Дальнейшим развитием электростанций морского базирования стали плавающие ветряные электростанции. Но они самые большие и дорогие, и по этой причине, по сути, единичные. Скорее всего, они никогда не станут основными при получении электричества от силы морского ветра. Для получения более высоких экономических показателей используется ветер на высоте более ста метров. При этом используется специальная конструкция на основе аэростата, называемая парящей ветряной электростанцией.

Но поскольку грузоподъемность аэростата ограничена, максимальная мощность электростанции соответствует по своей массе мощности в 30 кВт. Она сможет обеспечить несколько домов. Их количество будет зависеть от режима потребления электроэнергии. Недостатком парящей электростанции является ее рискованность. Она может быть унесена сильным ветром, и воспрепятствовать этому проблематично.

Экологические проблемы ветряных электростанций

У крыльчаток имеется один непреодолимый недостаток. Они излучают инфразвук. А он пагубно влияет на все живые организмы, в том числе и на человека. Если электростанция расположена вдали от жилья, как, например, шельфовая или горная, человеческий фактор снимается. Но воздействие на экосистему остается. Насколько инфразвук от ветряных электростанций проблематичен, свидетельствует одна из жительниц Германии:

В этой стране ветряки устанавливают повсеместно, где только позволяет территория. Отказавшись от атомных электростанций, Германия наиболее активно из всех стран строит ветряные электростанции. Появление таких новостроек принуждает людей, живущих по соседству, переезжать на новые места жительства. Но их дома никто не желает покупать. Поэтому появляются проблемы в обществе. Так что оптимальное место для ветряных электростанций – это морской шельф.

Необходимость экономить природные ресурсы вынуждает большинство государств заняться поиском альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких источников является энергия ветра, при помощи которой можно производить электрическую энергию в объемах достаточных для удовлетворения нужд, как бытовых потребителей, так и промышленных предприятий. Основой конструкции для выработки электроэнергии из ветра является установленный на мачте генератор.

Устройство ветрогенератора

Конструкция ветряной электростанции включает в себя следующие элементы:

• Генератор;
• Мачта;
• Лопасти;
• Анемометр;
• Аккумуляторные батареи;
• Устройство АВР (автоматическое включение резерва);
• Трансформатор.

Принцип работы ветряной электростанции основан преобразовании энергии ветра во вращательное движение турбины. Это происходит при помощи лопастей (ротора). Ветер следует контуру лопасти, приводя их во вращение.

Современные ветровые электрические станции имеют три лопасти. Их длина может достигать 56 метров. Скорость вращения в пределах 12-24 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения используют редукторы. Мощность современных ветрогенераторов может достигать 750кВт.

Анемометр предназначен для измерения скорости ветра. Он монтируется на тыльной стороне корпуса турбины. Информация о скорости ветра анализируется встроенным компьютером для выработки наибольшего количества электроэнергии.

Конструкция ветроэлектростанции может работать при скорости ветра 4 метра в секунду. При достижении скорости ветра 25 метров в секунду ветровые электростанции принцип работы, которых основан на использовании энергии ветра автоматически выключаются. Бесконтрольное вращение лопастей при сильном ветре является одной из причин аварий и разрушения ветряка.

Трансформатор преобразовывает напряжение до величин необходимых для транспортировки электроэнергии к потребителю по проводам линии электропередачи. Обычно трансформаторы устанавливают у основания мачты

Мачта является важным элементом конструкции ветряной электростанции. От ее высоты зависит выработка генератора. Высота мачты современных ветряков колеблется в пределах 70-120 метров. Некоторые конструкции предусматривают наличие вертолетных площадок.

Установка ветрогенераторов

Одним из необходимых условий для полноценной работы устройства является выбор подходящего места для его размещения. В идеале это должна быть возвышенность с высокой скоростью ветра при низкой турбулентности.

Если неподалеку находится лес, то это будет способствовать снижению эффективности работы ветрогенератора. Отсутствие поблизости ВЛЭП не даст возможности перенаправлять вырабатываемую электроэнергию к потребителям.

Проблемы, вызываемые эксплуатацией ветряных электростанций

Несмотря на то, что ветрогенераторы являются перспективным способом выработки электроэнергии, существует множество проблем, связанных с их эксплуатацией. В частности, в странах Европы, где активно внедряется ветроэнергетика многие люди жалуются на дискомфорт, вызываемый близким соседством с ветряками.

В большинстве стран отсутствуют законы, которые бы четко определяли на каком расстоянии от жилых домов их можно размещать. Иногда ветрогенератор можно увидеть уже на расстоянии 200-250 метров от дома. Люди жалуются на сильный шум, который разносится на сотни метров вокруг. Тень от вращающихся лопастей ветряка может отбрасываться на несколько километров. Это вызывает сильный психологический дискомфорт.

Проблемы вызваны тем, что полномасштабное использование энергии ветра началось относительно недавно. Мощные ветрогенераторы ранее не использовались. Поэтому в полной мере их воздействие на человека изучено не было. В настоящее время разрабатываются законы, призванные минимизировать дискомфорт от эксплуатации этих механизмов.