Получение электрической энергии с помощью ветра становится одним из модных трендов последнего времени. Бытовой ветряной генератор, который относится к техническим средствам альтернативной электроэнергетики, приобрел свою популярность вполне заслуженно, так как обращение к нему обеспечивает владельцу ряд преимуществ:
- ветроэнергетика относится к экологически чистым средствам выработки электроэнергии, отсутствие генерация отходов;
- удобен в использовании из-за своей высокой надежности и низких эксплуатационных расходов;
- может быть смонтирован самостоятельно при наличии минимальных навыков в области строительства и электрики;
- его привлекательность с течением времени будет только увеличиваться из-за неизбежного увеличения тарифов электросбытовых компаний.
Содержание
- Устройство и принцип работы
- Виды ветряков
- Вертикальные
- Горизонтальные
- Малые ветрогенераторы
- Автоматика ветроэлектростанций
- Система торможения
- Производители
- Плюсы и минусы
Устройство и принцип работы
Любой ветряной генератор состоит из нескольких типовых укрупненных блоков. Агрегат обязательно содержит турбину, которая вращается под действием воздушного потока, непосредственно или чаще всего через повышающий редуктор передает создаваемый момент на вал электрического генератора. Ротор вращается внутри статора на основе неодимовых магнитов, в результате чего вырабатывается электрическая энергия.
Конструкция ветряного генератора небольшой мощности показана на рисунке 1.
Вырабатываемая ветряным генератором электрическая энергия поступает в промежуточный накопитель, функции которого обычно берет на себя аккумуляторная батарея. Ток, отдаваемый аккумулятором, питает инвертор, с выхода которого снимают нормальное 220-вольтовое переменное напряжение бытовой частоты.
Наличие аккумулятора обязательно, т.к. он позволяет сгладить колебания мощности, снимаемой с турбины. Свою роль в этом играет факт того, что бытовой ветряной генератор устойчиво функционирует при скорости ветра от 6 м/с и выше, тогда как среднегодовое значение этого параметра на большинстве территории России оказывается примерно в полтора раза ниже.
Необходимые переключения, регулировки и прочие функции реализует блок автоматики.
Соответствующий уровень эксплуатационной надежности достигается наличие у конструкции запасов по отдаваемой мощности (обычно 10 – 20%).
Виды ветряков
Основное отличие ветряных генераторов между собой — исполнение воздушной турбины, которая может иметь различную конструкцию. Обычно полная совокупность агрегатов по ориентации вала вращения турбины делят на две основные разновидности: вертикальные и горизонтальные.
Вертикальные
Отличительная особенность и главное преимущество вертикального агрегата ветряного генератора — отсутствие жестких требований к высоте его установки, что заметно упрощает выбор места установки, процесс монтажа, последующее обслуживание механически подвижных частей. Воздушная турбина относится к тихоходной разновидности этой техники, может быть исполнена как
- простейший классический ротор с минимумом тремя вертикально ориентированными лопастями (пример такого устройства представлен на рисунке 2);
- двухрядный ротор, наличие внутреннего ряа регулируемых лопастей обеспечивает ему повышенный КПД)
- ротор Дарье;
- ротор Савониуса;
- геликоидный ротор.
Более сложная форма трех последних типов турбин обеспечивает им меньшую материалоемкость.
Отличается минимумом подвижных частей, КПД установки мало зависит от направления ветра.
Горизонтальные
Ветрогенераторы с горизонтальной ориентацией вала турбины приводятся во вращение пропеллером. Пропеллер может быть двух-, трех и многолопастным. Лопастям некоторых пропеллеров иногда придают довольно сложную форму для некоторого увеличения эффективности функционирования установки. Пример такого агрегата показан на рисунке 3.
За счет большого диаметра винта обычно монтируются на стальной трубчатой или решетчатой мачте на высоте вплоть до нескольких десятков метров. Примеры таких мачт показаны на рисунке 4 и рисунке 5. Оборотной стороной увеличения высоты установки становится снижение турбулентности воздушного потока из-за ослабевания влияния земли, т.е. увеличение КПД и генерируемой мощности. С учетом этой особенности не рекомендуется использовать ветряки этой конструкции для коттеджных поселков из-за сильного экранирующего действия соседних строений.
Для создания баланса по крутящему моменту генератор закрывают обтекателем вала таким образом, чтобы он выполнял функции противовеса винта. Дополнительно удлиненная конструкция корпуса облегчает его ориентацию “по потоку”.
По сравнению с вертикальным устройством позволяет снять большую мощность. Платой за это становится трудности с выбором места установки, сложность монтажа, текущего обслуживания, а также неприятные акустические шумы при работе. Кроме того, из-за большой высоты конструкции горизонтальные ветряные генераторы обязательно требуют молниезащиты.
Малые ветрогенераторы
К малым или бытовым ветрогенераторам обычно относят агрегаты с мощностью не свыше 5 кВт. В розничной продаже доступны агрегаты различной мощности и исполнения отечественного и импортного производства, что позволяет подобрать нужное устройство без переплаты.
Обычно агрегаты поставляются в минимальном комплекте, который:
- включает контроллер;
- не содержит буферной аккумуляторной батареи;
- обеспечивает сборку агрегата на месте установки при условии отсутствия местных ограничений.
Проект установки устройств горизонтального типа из-за их технической сложности требует тщательной проработки, может потребоваться консультация специалиста.
Стоимость маломощных моделей начинается с нескольких десятков тысяч рублей, сильно зависит от отдаваемой мощности.
Автоматика ветроэлектростанций
Современные электрические ветровые установки оборудуются развитой системой автоматики, которая:
- значительно улучшает характеристики;
- обеспечивает выравнивание отдаваемой мощности;
- делает эксплуатацию безопасной.
Типовой набор автоматики включает в себя:
- ограничитель частоты вращения ветряного колеса при высоких скоростях ветра;
- выравнивание колеса “по потоку” (важно для горизонтальных ветряков);
- защиту от короткого замыкания;
- отключение при отказах техники, ураганных ветрах, превышении порогового уровня вибрации.
Модели среднего и старшего классов обязательно поддерживают дистанционное управление и диагностику. Часть агрегатов дополнительно контролирует направление и силу воздушного потока для максимизации снимаемой мощности за счет выбора соответствующего угла установки всего устройства и лопастей турбины.
Система торможения
Система торможения предотвращает механическое разрушение агрегата при слишком высокой скорости ветра. Суть этой системы заключается в том, что автоматика производит замыкание электрических цепей магнитной системы генератора, что приводит к появлению мощного тормозящего усилия.
Дополнительно алгоритм функционирования системы управления предусматривает полный останов воздушной турбины при ветрах ураганной силы. Порог останова может регулироваться пользователем, типовые заводские настройки этого параметра предполагают включение режима останова при скорости 80 км/час.
Производители
Отечественной промышленностью налажен серийный выпуск широкой гаммы бытовых ветрогенераторов. Их параметры приведены в таблице:
| Модель | Производитель | Тип | Мощность | Примечание |
| ВГ 0,25 | Ветро Свет, Россия | Г | 250 Вт | — |
| ВЭУ-3(4) | СКБ Искра, Россия | В | 3 кВт | 4-лопастная модель |
| Серия L | Ветроэнергетика, Россия | В | 0,8 – 10 кВт | — |
| RKraft | Германия | Г | 0,5 – 5 кВт | — |
| Wind Generator М300 | Китай | В | 100 – 270 Вт | 6-лопастной ротор диаметром 1 м, масса 11 кг, не имеет контроллера |
| Condor Home
|
EDS Group, Россия
|
Г | 500 Вт | 3-лопастной стеклопластиковый ротор
Максимальная скорость ветра 25 м/с Масса 56 кг |
Примечание: Г – горизонтальный, В — вертикальный
Плюсы и минусы
Основное преимущество ветряных электростанций – это их автономность.
Главные технические минусы оборудования этой разновидности — зависимость от погоды (кроме силы ветра влияет также снег и дождь) и сравнительно небольшая мощность, значение которой в среднем не превышает нескольких сотен Ватт. Требуют обязательного применения промежуточной буферной аккумуляторной батареи, которая требует замены через несколько лет службы.
При сравнении с дизель-генераторами уступают им по продолжительности работы, но зато не требуют подвоза топлива и выполнения сложных и дорогостоящих мероприятий по пожарной безопасности его хранения.
Солнечные батареи, которые в средних широтах реально работают максимум пять месяцев, заметно превосходит тем, что функционируют круглый год.
При существующих тарифах на электроэнергию не дают существенного выигрыша по приведенным затратам, однако не оказываются убыточными.
Изготовители ветровых электростанций большое значение уделяют их внешнему оформлению. Так что наличие этого агрегата на загородном участке не только свидетельствует о “технической продвинутости” его обладателя, но и может стать важным элементом дизайна и наглядной демонстрации заботы об окружающей среде.
О эстетических параметрах можно судить по рисунку 6.
Заключение.
Ветровые электростанции могут считаться полноценным альтернативным источником электрической энергии. С учетом типовых климатических условий большинства местностей нашей страны малые ветрогенераторы имеет смысл комбинировать в единую систему с солнечной батареей и дизельным генератором. В этом случае они вполне могут стать эффективным автономным вспомогательным средством выработки электроэнергии на даче или в загородном доме.