Чудеса инженерии — ветряные электростанции


Самым неожиданным пируэтом на пути человечества к ветровой энергетике может похвастаться Россия. Когда ВЭС были непопулярны на Западе, они были на подъеме у нас. Когда в мире их стали активно развивать, в стране появились просто толпы экспертов из энергетической отрасли, которые указывали: «Место для ветряков в Европе кончилось». Правда, с тех пор, как у нас начали это говорить, мощность ВЭС у европейцев выросла в десятки раз и продолжает расти. Видимо, до них мнение наших экспертов не довели.

Ну а в 2016 году мы внезапно еще раз поменяли мнение, так сказать, вернулись в добрежневский СССР. Первым на государственном уровне сказал свое веское слово Росатом. Его замгендиректора Вячеслав Першуков честно отметил: после выполнения имеющихся заказов на строительство новых АЭС за рубежом Росатом может остаться без зарубежных строек, поскольку этот рынок быстро сокращается. Атомная генерация за пределами России, действительно, переживает упадок, и никаких перспектив выхода из него не видно.


Главная причина проста: энергия АЭС западной постройки стоит дорого. Энергия АЭС российской постройки дешевле, но все равно не настолько, как у новых западных ветряков. Да, для компенсации их непостоянства нужно немного газовых ТЭС, но для АЭС они тоже нужны. Ведь реактор всегда дает одинаковую выработку, а люди потребляют днем куда больше, чем ночью. При равной цене и равных проблемах западный покупатель, на которого вечно давят «зеленые», никогда не выберет атомную генерацию.

Вот Першуков и констатирует: возможности строительства новых крупных АЭС за рубежом практически исчерпаны. «Мы должны зарабатывать не на рынке ядерных технологий. Все. Иначе не получается», – верно отмечает он.

Конечно, если сперва забрасывать какое-то дело на десятилетие, а потом браться за него, когда у конкурентов уже есть отработанные годами технологии, то сразу на лидерские позиции рассчитывать не стоит. Поэтому Росатом пошел по уже проторенному Петром I пути и начал учиться новому (а точнее — хорошо забытому у нас старому) у голландцев. С помощью дочерней структуры он создал партнерство с Lagerwey. До 2020 года госкорпорация планирует построить 26 небольших ВЭС на 610 мегаватт — начиная с Ульяновской области уже в 2018 году. Да, это меньше одной сотой от ежегодного мирового ввода, но на этих крохах Росатом учится. К тому же в 2020 году предполагается локализовать производство ветряков в России на 65 процентов.

Сложнее будет потом, когда придется выйти на большие масштабы. С прибылью производить ветряки общей мощностью лишь на сотни мегаватт в год нельзя. Это большой бизнес, без массового производства низкой цены в нем не будет. Поэтому надо расширять как строительство ветряков у нас, так и выходить на мировой рынок. Однако, здесь конкурировать будет очень тяжело.


Гиганты типа Vestas потратили десятки лет на отработку своих технологий и построили совершенно уникальные мощности. Например, завод по выпуску титанических лопастей в десятки тонн, расположенный на острове специально для того, чтобы проще было вывозить такой сложный для сухопутных дорог груз. Где Росатом построит такое, и сможет ли он угнаться за постоянно совершенствующимся рынком ветряков — вопрос, и непростой.

Перспективы ветроэнергетики

Генерировать электричество из энергии ветра – возможно. Но сразу оговоримся: объем электрической мощности, которую можно «снять» с домашнего ветрогенератора, напрямую зависит от особенностей местности, в которой вы проживаете.

Поэтому, рассматривая автономную электростанцию как альтернативу местным электрическим сетям, предварительно изучите данные статистики по среднегодовой скорости ветра в своем регионе. Определить перспективность строительства автономной системы помогут таблицы интенсивности ветра, используемые при строительстве ветроэлектростанций (их можно найти с помощью любой поисковой системы). Также сориентироваться в вопросе поможет информация о технических характеристиках существующих ветрогенераторов и личные среднесуточные замеры скорости ветра, выполненные с помощью анемометра – прибора для измерения скорости ветра.


Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Обратите внимание!

При слабом ветре генератор может вовсе не вырабатывать электричество, при этом свою номинальную мощность устройство развивает только при значительной скорости ветра.

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Мы привели пример ветрогенератора небольшой мощности, который изготовлен из стандартной динамо-втулки. Он наглядно демонстрирует, что ветроэнергетика (даже на уровне хобби) имеет вполне реальные перспективы.

В целом, планируя строительство домашней ветроустановки, не следует ставить перед ней нереальных задач. Но если все сделать правильно – собрать установку, оснащенную аккумуляторами, контроллером и инвертором, то можно получить вполне удовлетворительные результаты (особенно, если ваш участок расположен вдали от централизованных электрических сетей). А дополнив систему солнечными батареями, можно получать энергию даже при полном отсутствии ветра.

Стартовая скорость ветра и момент страгивания ветряка

В регионах, где штормовые воздушные потоки – большая редкость, основной задачей является выбор ветрогенератора, способного вырабатывать электричество даже при сравнительно слабом ветре (4…5 м/с). Способность установки начинать вращение при небольшом ветре характеризуется величиной его стартовой скорости.


Стартовая скорость напрямую зависит от стартового момента (момента страгивания) ветряка – усилие, которое необходимо приложить на рабочий винт ветрогенератора, чтобы он начал свое вращение. Чем меньше стартовая скорость ветра, тем больше дней в году генератор будет радовать вас альтернативной энергией. Большинство ветрогенераторов, которые используются в домашних условиях, имеют стартовую скорость – 2…3 м/с.

При этом есть отдельная разновидность устройств (с парусным винтом), которые очень чувствительны к движению воздуха.

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Они стартуют при значительно меньших скоростях ветра (от 0,2 м/с), но обладают крайне ненадежной конструкцией. Поэтому перспективы их использования мы рассматривать не будем.

Стартовую скорость не следует путать с рабочей и номинальной скоростью, поскольку не всегда при минимальных оборотах ротора генератор способен давать ток, достаточный для зарядки аккумулятора.

Рабочая скорость

Для того чтобы генератор не вращался «вхолостую» (например, при небольшой скорости ветра), его рабочие характеристики должны соответствовать погодным условиям, которые преобладают в вашей местности.

Скорость ветра, при которой ветрогенератор начинает давать ток на нагрузку – это минимальная рабочая скорость. Номинальная (расчетная) скорость ветра – скорость, при которой силовая установка выходит на свою номинальную мощность.

Основные разновидности ветрогенераторов


Наиболее популярны сегодня классические быстроходные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями.

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Быстроходными считаются ветряки с минимальным количеством лопастей: 2, 3 или, вовсе, с одной (оснащенной противовесом). При сильном ветре такие генераторы очень быстро вращаются и при этом сильно шумят. Особенно это касается однолопастных устройств. Несмотря на то, что проблема шума может показаться незначительной, относиться к ней следует очень серьезно.

Форумчанин представил описание брендового быстроходного ветрогенератора, обороты которого (при скорости ветра в 10 м/с) приближаются к показателю 400 об/мин. Из него можно сделать вывод: располагая ветрогенератор вблизи жилых помещений, целесообразно рассмотреть вариант с тихоходным ВГ (если, конечно, не хотите, чтобы доброжелательные соседи однажды превратились в ваших закоренелых врагов). Такие генераторы ввиду своих аэродинамических особенностей даже при сильном ветре не развивают больших оборотов. К тому же, при сравнительно одинаковой мощности диаметр лопастей у тихоходного ветряка всегда меньше, чем у быстроходного устройства. Это делает проще и монтаж, и эксплуатацию установки.


Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Горизонтальный тихоходный ветряк – это установка, в конструкции которой имеется более трех лопастей, а показатель быстроходности (Z) соответствует значению Z ≤ 5. Где Z – отношение окружной (концевой) скорости лопастей ветряка к скорости ветра.

Число лопастей Показатель быстроходности, Z
1 9
2 7
3 5
6 3
12 1.2

На практике характеристики тихоходного ветряка соответствуют следующим параметрам:

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Дополнительным преимуществом тихоходной установки является низкая скорость страгивания. Благодаря высокому крутящему моменту, который лопасти передают на рабочий винт генератора, установка стартует даже при небольшом ветре. Высокий момент образуется за счет большей площади лопастей (в сравнении с быстроходными ветряками).


Из-за большого количества лопастей во время работы перед винтом тихоходного генератора образуется воздушная подушка (ветер не успевает проходить через лопасти). Эта особенность оказывает негативное влияние на производительность установки, и из нее вытекают основные недостатки устройства.

К основным недостаткам тихоходного ветряка можно отнести сравнительно низкий КИЭВ и высокую парусность (которая в штормовую погоду может привести к фатальным для установки последствиям). При этом тихоходные ветряки оснащаются генераторами с увеличенным диаметр ротора, а иногда – дополнительными мультипликаторами, которые облегчают запуск и вращение силовой установки. Перечисленные усовершенствования позволяют увеличить линейную скорость ротора и «снять» с генератора больше мощности при небольших оборотах. Такая конструкция генератора значительно увеличивает стоимость всей установки.

Что касается быстроходных генераторов горизонтального типа: благодаря своей простоте и относительной дешевизне эти устройства получили достаточно широкое распространение. И если в конструкции такой установки реализована защита от бури (например, механизм складывания хвоста при сильном ветре), то единственным неудобством во время ее эксплуатации может стать сильный шум.

Тихоходные горизонтальные ветрогенераторы гораздо реже используются на территории частных домовладений. Во многом это связано с характерными особенностями подобных установок.


Чудеса инженерии - ветряные электростанции

На нашем форуме не так уж и много сообщений, говорящих в пользу вертикальных ветрогенераторов. Некоторые сетуют на то, что их конструкция слишком громоздка, других не устраивает низкая производительность устройств (КИЭВ), многие жалуются на недостаточную способность вертикальных установок к самозапуску и т. д.

Самыми непроизводительными считаются роторы «Савониуса». Их КИЭВ едва ли достигает значения – 0.2.

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

В то время как средний КИЭВ роторов с аэродинамическими крыльями (роторы «Дарье») равен 0,4 (что совпадает со средним значением КИЭВ горизонтальных ветряков). Роторы Дарье наиболее популярны среди вертикальных установок, используемых в ветроэнергетике.

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Несмотря на перечисленные недостатки, если ветрогенератор получил определенное распространение, то есть у него и свои преимущества. У моделей с вертикальной осью вращения они следующие:

  • при любом направлении ветра лопасти вертикальных установок находятся в рабочем положении;
  • просты в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте;
  • во время работы не создают больших вибраций, а, следовательно, не производят сильного шума;
  • просты в изготовлении.

Диаметр установки, о которой идет речь – 1,2 м, высота – 1 м. Изготовлена она по типу ортогонального Н – ротора Дарье.

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

Как видим, вертикальная конструкция ветрогенератора вполне имеет право на жизнь. Выбирая подобную установку, очень важно учесть ее производительность, а главное – максимальную скорость ветра, характерную для вашей местности. Ведь вертикальный ветряк практически не имеет механической защиты от бури.

Выбор ветрогенератора по характеристикам мощности

Выбирая ветрогенератор, который развивает номинальную мощность (предположим – 800 Вт/ч) при скорости ветра 8 м/с, не стоит рассчитывать на то, что при ветре 4 м/с установка будет стабильно выдавать 400 Вт/ч.

Значение мгновенной мощности ветрового потока, воздействующего на лопасти генератора, пропорционально скорости ветра, возведенной в куб. На практике это означает следующее: если скорость ветра падает в 2 раза, то мощность, генерируемая ветроустановкой, снижается примерно в 8 раз.

Ниже приведена зависимость мощности от ометаемой площади рабочего винта и скорости ветра.


Диаметр ветроколеса, м Мощность, кВт,  при скорости ветра, м/с
4 5 6 7 8 9 10
2 0,042 0,083 0,145 0,23 0,345 0,345 0,345
4 0,17 0,33 0,58 0,92 1,38 1,38 1.38
8 0,69 1,34 2,32 3,7 5,5 5,5 5,5
12 1,55 3.03 5,25 8,25 12,4 12,4 12,4
18 3,48 6,6 11,8 18,6 27,8 39,5 54.6
30 9,6 18,9 32,6 51,6 77,3 110,1 151,1

Чудеса инженерии - ветряные электростанции

График мощности ветрогенератора изначально учитывает КПД установки, который выражается в коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ). Средний КИЭВ современных электроустановок находится в пределах – от 0,3 до 0,4. Исследуя график мощности, следует рассматривать не сколько номинальные характеристики устройства (их можно получить только при ветре 9–10 м/с), сколько показатели, характерные для среднегодовых значений ветра именно в вашей местности (например, 4–5 м/с). Только так можно правильно оценить потенциал того или иного ветрогенератора.

Выбирая устройство по мощности, дополнительно следует учитывать потери на преобразование электроэнергии (из переменного тока в постоянный, а потом обратно – в переменный ток бытовой частоты). Потери выражаются в энергии, которую потребляют во время работы контроллер и инвертор.

Следовательно, технические характеристики ветрогенератора следует соотносить не только с собственными потребностями в электричестве, но и с неизбежными потерями, возникающими во время работы альтернативной электростанции. Необходимо брать во внимание характеристики преобразователей тока, потери на сопротивление проводников (особенно, если генератор расположен на большом расстоянии от конечных потребителей) и т. д.

wind_01_ao

Путешествуя по Европе, в особенности по Германии, трудно не заметить целые леса ветряков. С каждым годом их становится все больше и больше. Люди стали серьезней относиться к экологии, кроме этого, по планам немецкого правительства, себестоимость электричества, получаемого от альтернативных (возобновляемых) источников энергии сравняется с традиционными «грязными» способами уже через 5 лет…

Лично мне очень нравятся ветряные электростанции. Уверен, что как в древние времена ветряные мельницы стали неотъемлемой частью европейских пейзажей, так и современные ветряки надолго вписались в природу нашего континента.

Никогда не вдавался в подробности процесса получения электроэнергии из ветра. Из школьной программы понятен сам механизм преобразования кинетической энергии в электрическую, но что из себя представляет ветряк, какой он высоты, сколько тока способен выработать и т.п. не имел понятия.

Изучив вопрос, мне показалось, что многим будет любопытно об этом узнать…

И так, для начала разберемся с внутренней начинкой ветрогенератора:

Wind_turbine_rus

По схеме видно, что все предельно просто, но есть нюансы.

— Конструкция промышленных ветрогенераторов очень много весит. Вес турбин исчисляется тоннами.
— Высота мачты может достигать 180 метров.
— Размах лопастей — до 60 метров.

И это не предел. Уже сейчас разрабатываются более крупные, а следовательно более мощные ветрогенераторы.

Что же могут дать нам такие монстры? Мощность среднестатистического промышленного ветряка составляет 5 МВт, а самые мощные современные генераторы способны выдавать до 20 МВт.

Ветряная электростанция — это несколько ветрогенераторов, объединенных в одну сеть. Большие электростанции, например построенные в открытом море в территориальных водах Голландии, насчитывают более 100 вышек. Электростанция на моих фотографиях состоит из 20-25 ветрогенераторов и питает завод по производству химических удобрений и город с населением 30,000 человек рядом с ним.

wind_02_ao

На установку одного ветряка уходит около 5 дней. Казалось бы, что на постройку целой электростанции не должно уходить более месяца, но это не так. Реальный срок — один год. Перед тем как решить, ставить или не ставить ветряки в конкретном месте, производится долгий процесс сбора данных о ветре. Для этого используют несколько датчиков, которые устанавливаются на высоту 35, 60 и 100 метров над поверхностью земли. И только через год инженеры принимают решение о том, строить ли здесь ветряную электростанцию или нет.

Для ускорения процесса строительства в будущем, европейцы вложили более миллиарда евро в изучение ветров по всей территории Евросоюза. В будущем, пользуясь специальной картой, можно будет быстро определить выгодное для строительства место и уже через месяц начать получать электричество.

Кроме массы плюсов, у ветрогенераторов есть и минусы. Главный из них — себестоимость производимой электроэнергии. На данный момент стоимость 1 МВт, произведенного ветряной электростанцией, составляет 1 миллион евро (по данным Bloomberg New Energy Finance). Также есть сложности при эксплуатации ветряков. Они регулярно страдают от попаданий молнии, хотя современные установки оснащены специальной защитой. Из-за трения вращающихся частей внутри гондолы нередки случаи возгорания. Отказы тормозных систем приводят к разрушению генератора и лопастей во время сильных ветров. В зимний период существенно падает производительность из-за обледенения лопастей.

Montenegro_1_lj

Однако, несмотря на все минусы, индустрия ветряной электроэнергии растет огромными темпами. А значит выделяется много средств на научные разработки в этой сфере. И уже совсем скоро мы начнем питаться исключительно чистой энергией природы!

Ветрогенераторы для дома и не только

Ветрогенераторы — наш профиль, они часто воспринимаются как «символ» альтернативной энергетики. Почему так? Ведь с точки зрения производительности лидером по праву являются гидроэлектростанции.

Можно подумать, что сам вид ветроколеса и его вращения более всего впечатляют. Пусть так, но всё же дело не только в этом.

Несмотря на то, что ветрогенераторы для дома и вырабатывают энергии меньше чем гидроэлектростанции, «топливо» для них есть везде. И там, где нет рек вообще, и там, где они есть но течение рек крайне медленное для работы гидростанции.

А в районах же с хорошими ветрами и в ветреные периоды ветрогенератор будет отдавать заметно большую мощность чем солнечные батареи. Всё это подводит к мысли о том, что при проблемах с централизованными сетями ветряк будет самым доступным и мощным из источников возобновляемой энергии.

Кого же может заинтересовать ветряк? Первое, что приходит в голову, — это: «отшельники» и «кочевники». Ведь именно они обычно оказываются на удалении от сетевого электричества. Однако и в относительно обеспеченных электричеством районах бывает, что ситуация часто оставляет желать лучшего. И в условиях перебоев люди хотят обеспечить себе как минимальную энергетическую “потребительскую корзину“, так и бесперебойную работу оборудования требующего того (котлов отопления, вентиляции, охранных систем и т.п.).

Основные преимущества наших ветряков:

Ветрогенераторы на выставке

  1. Широкий выбор;
  2. Относительно невысокая стоимость;
  3. Высокий коэффициент полезного действия;
  4. Малошумность;
  5. Возможность уменьшения разброса растяжек или установки на мачту без растяжек;
  6. Экономия средств, сил и времени за счёт приёмов монтажа безбетонным способом;
  7. Возможность установки как на землю, так и на строение;
  8. Защита ветрогенератора от сильного ветра (эффективная система торможения);
  9. Возможность реализовать различные ползовательские задачи (автоматика, сигнализация и т.п.).

Ветрогениратор с горизонтальной осью вращения.

Данный ветрогениратор представляет собой обычный пропеллер, у которого ось вращения ориентирована параллельно воздушному потоку.

Достоинства горизонтального ветрогениратора:

  • после его установки вы получаете надежный, экологически чистый, безопасный, а главное автономный источник энергии;
  • при равной мощности имеет меньшие габариты, чем вертикальный;
  • более высокая эффективность работы, за счет меньшего разброса углов атаки на рабочих режимах;
  • коэффициент полезного действия (КПД) выше, чем у вертикальных, 30% против 25%;
  • срок окупаемости меньше в 2-3 раза, чем у ветрогенератора с вертикальной осью вращения, и составляет около 15 лет.

Недостатки горизонтального ветрогениратора:

  • роутер необходимо ориентировать по направлению ветра, а для этого требуется внедрять дополнительные механизмы, например, флюгер;
  • не подходит для мест, где часто случаются турбулентные ветра;
  • для оптимальной работы установки скорость ветра должна быть 10-12 м/с (для вертикального ветрогенератора — 3-4 м/с).

Необходимая мощность электрических ветряных мельниц

Какой мощности нужно покупать ветрогениратор, чтобы энергии хватило на все необходимое? Это второй вопрос, на который нужно ответить перед его приобретением.

Итак, для следующих запросов мощность ветряка должна быть:

300-500 Ватт — обеспечат зарядку мобильных устройств, просмотр телевизора или освещение нескольких помещений. От такого ветряка можно смело запитать баню при условии, что нагрев воды будет производиться дровами, газом или другими отличными от электричества способами;

1-5 КВатт — обеспечат работу стиральной машины, электроплиты, микровалновки, холодильника и другой бытовой техники;

5-10 КВатт — электроэнергией будет полностью обеспечен частный дом или коттедж, правда только в том случае, если не будут использоваться кондиционер и электрические отопительные приборы;

10-20 КВатт — такой мощности достаточно для обеспечения электроэнергией нескольких домов.

Правда, для того, чтобы вырабатывалась указанная энергия, необходим практически бесперебойный ветер, который должен дуть с оптимальной скоростью необходимой для каждой установки.


Использованные источники

  1. kp.ru/putevoditel/nauka/vetrogeneratory-v-rossii/
  2. forumhouse.ru/journal/articles/7961-avtonomnoe-elektrosnabzhenie-ot-energii-vetra-vybiraem-vetrogenerator
  3. alexeyosokin.livejournal.com/94556.html
  4. rusveter.ru/informaciya/vetrogeneratory-dlya-doma
  5. svoydomtoday.ru/elektrichestvo/163-elektricheskie-vetryaniye-melnici.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.