реальная мощность самодельного ветряка и ветроколеса

Важный нюанс при покупке ветряка

Прежде чем приобрести или изготовить ветрогенератор, необходимо определиться с его мощностью, собственной потребностью в энергии и прочих параметрах устройства. Это принципиально важно при покупке ветряка, так как цены настолько велики, что приходится покупать устройство, которое пользователь сможет осилить по финансам. В некоторых случаях возможности оказываются настолько низкими, что приобретение уже не имеет смысла.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Произвести точный расчет с учетом всех факторов, воздействующих на ветряк, достаточно сложно. Для неподготовленных в теоретическом отношении мастеров такой расчет слишком сложен, он требует обладания множеством данных, недоступных без специальных измерений или расчетов.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Как произвести?

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

• определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
• полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
• зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач.  От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
• расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

P=k·R·V³·S/2

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м³.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать?

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора. Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Сооружение мачты может обойтись в большую сумму денег и значительные вложения труда. Кроме того, обслуживание ветряка, расположенного на высоте около 10 м над поверхностью земли чрезвычайно сложно и опасно.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора

Особенностью самодельных устройств является использование подручных материалов и устройств. В таких условиях обеспечить полноценное соответствие проектным данным не всегда удается. При этом, разница в расчетных и реальных показателях может оказаться как отрицательной, так и положительной.

Величины, определяющие возможности комплекта, это мощность ветроколеса и генератора. Насколько они будут соответствовать друг другу, такая и общая мощность ветрогенератора будет получена в результате.

Например, если генератору для номинальной производительности требуется скорость вращения в 2000 об/мин, то никакое ветроколесо не сможет обеспечить нужные значения.

Поэтому прежде всего следует подбирать тихоходные образцы генераторов, способные на выработку больших количеств энергии при низких скоростях вращения. Для этого модернизируются готовые устройства (например, устанавливаются неодимовые магниты на ротор автомобильных генераторов), изготавливаются собственные конструкции на базе тех же неодимовых магнитов с заранее подсчитанной мощностью и производительностью.

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора. Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Z = L × W / 60 / V,

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Рекомендуемые товары

Мегаконструкции. Самые большие ветрогенераторы / Habr

Siemens SWT-7.0-154

Кто говорил, что ветряки не способны конкурировать по мощности с атомными электростанциями? Посмотрите на самую большую в мире ветроэлектрическую установку Siemens SWT-7.0-154. С площадью ометания 18 600 м² этот гигант в одиночку генерирует максимальную мощность 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. Несколько сотен таких ветряков — и вот вам атомная электростанция.

SWT-7.0-154 — это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Она пришла на смену предыдущему флагману SWT-6.0-154, от которого практически не отличается по техническим спецификациям, но оснащён более мощными магнитами. Более сильное магнитное поле позволяет генерировать больше электроэнергии при том же диаметре. Другими словами, в этой ВЭН параметр снимаемой мощности с квадратного метра площади ометания выше примерно на 16,7%.

Ветрогенератор включается в работу на минимальной скорости ветра 3-5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растёт до максимальной 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. При достижении скорости ветра 25 м/с генерация прекращается.

Казалось бы, на таких скоростях ветра лопасти ВЭУ должны вращаться быстро, но это совершенно не так. На самом деле они вращаются неторопливо и степенно, делая всего 5-11 оборотов в минуту. То есть полный оборот три лопасти совершают примерно за 5-12 секунд, в зависимости от скорости ветра.

Более сильное магнитное поле в новой модели означает также и то, что эту турбину труднее раскрутить. Для достижения той же скорости вращения 5-11 оборотов в минуту и максимальной генерируемой мощности (7 МВт вместо 6 МВт) этой турбине требуется повышенная скорость ветра: 13-15 м/с вместо 12-14 м/с. Соответственно, и начальная скорость ветрогенерации у неё выше. Вот почему данная модель-гигант наиболее оптимально подходит для размещения на территориях с относительно сильными ветрами, лучше всего в море.

Внутри турбины нет редуктора (коробки передач) — здесь работает система прямого привода, подключенная к синхронному генератору переменного тока с постоянными магнитами. Поскольку скорость генератора определяет напряжение и частоту тока, то «грязный переменный ток» преобразуется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в переменный ток перед подачей в сеть.

В последние годы в области ветряной энергетики происходит очень быстрый научно-технический прогресс. Буквально каждый год появляются новые модели ВЭУ большей мощности и эффективности. Большие и маленькие, рассчитанные на целые посёлки или отдельные дома, на большую скорость ветра в море или на среднюю скорость ветра над крышей частного дома.

Например, мировой рекорд по максимальной генерируемой мощности принадлежит вовсе не Siemens, а другой турбине ещё одного немецкого производителя Enercon E126, которая выдаёт до 7,58 МВт. На видео показан процесс установки такой турбины.

Высота стойки Enercon E126 — 135 м, диаметр ротора — 126 м, общая высота вместе с лопастями — 198 м. Общий вес фундамента турбины — 2500 тонн, а самого ветрогенератора — 2800 тонн. Только электрогенератор весит 220 тонн, а ротор вместе с лопастями — 364 тонны. Общий вес всей конструкции со всеми деталями — 6000 тонн. Первая установка подобного типа была установлена около немецкого Эмдена в 2007 году, хотя в той модификации максимальная мощность была меньше.

Впрочем, ветрогенераторы-гиганты — довольно дорогое удовольствие. Один такой ветряк на 7 МВт обойдётся в $14 млн вместе с установкой, если заказывать все работы у сертифицированных немецких специалистов. Конечно, если освоить производство в своей стране, благо металла хватает, то стоимость вполне можно снизить в несколько раз. Кто знает, может такой гигантский проект национальной стройки занял бы население страны и помог выбраться из экономического кризиса.

Одна из самых последних строящихся в Восточной Европе атомных станций — Белорусская АЭС — получит два энергоблока с реакторами ВВЭР-1200 мощностью по 1200 МВт. Казалось бы, несколько сотен ветряков Siemens сравнятся с атомной электростанцией. Стоимость строительства примерно одинаковая, зато «топливо» бесплатное. Что интересно, Белорусскую АЭС как раз строят в районе, где по климатическим данным за 1962-2000 годы почти самая высокая среднегодовая скорость ветра в Беларуси. Но в реальности эта «самая большая» среднегодовая скорость ветра — всего лишь около 4 м/c (на высоте 10 м), чего едва хватит для запуска ВЭУ на минимальной мощности.

Перед установкой следует сверяться с годовой картой ветров в районе дислокации с данными средней удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м и выше. Хорошо бы составить такие карты для всей территории страны, чтобы найти места наиболее оптимального строительства ВЭУ. Нужно иметь в виду, что скорость ветра сильно зависит от высоты, что хорошо известно жителям высотных домов. В обычных прогнозах погоды по ТВ сообщают скорость ветра на высоте 10 м над землёй, а для ветровой турбины следует измерять скорость на высоте 100-150 м, где ветры гораздо сильнее.

Так что наиболее оптимально такие гиганты подходят для установки в море, в нескольких километрах от побережья, на большой высоте. Например, если установить такие установки вдоль северного побережья России с шагом 200 метров, то максимальная мощность массива составит 690,3 ГВт (побережье Северного Ледовитого океана составляет 19724,1 км). Скорость ветра там должна быть приемлемая, только при заливке фундаментов придётся иметь дело с вечной мерзлотой.

Правда, по стабильности работы ВЭУ никогда не сравнятся с АЭС или ГЭС. Здесь энергетикам приходится постоянно следить за прогнозом погоды, потому что генерируемая мощность напрямую зависит от скорости ветра. Ветер должен быть не слишком сильным и не слишком слабым. Хорошо, если в среднем ВЭУ будут выдавать хотя бы треть от максимальной мощности.

Три «профессиональных» мифа о ветроэнергетике / +1

Владимир Сидорович, директор информационно-аналитического центра «Новая энергетика»: колебания выработки, повышение цикличности в работе ТЭС и «резервирование» не могут служить аргументами против развития ветроэнергетики.

Ветряная электростанция в Китае
Фото: eniday.com

Обсуждение интеграции вариабельных возобновляемых источников энергии в электросети часто сопровождается мифами и дезинформацией. Этим грешат не только неопытные блогеры, но и профессиональные участники рынка, с высоты своего авторитета потчующие публику ложными сведениями. Об этом пишут авторы из Международного энергетического агентства (МЭА) в работе «Интеграция солнечной и ветровой генерации в энергосети», опубликованной в 2017 году.

В этой статье мы разберем три «профессиональных» заблуждения по поводу ВЭС.

МИФ № 1. Сети не способны справляться с вариабельностью и непредсказуемостью ветровой энергии. Выработка ветрогенераторов может упасть до нуля за секунды. Возмущения в сети могут вызвать отключение установок, что приведет к каскадному отказу ВЭС и коллапсу системы.

Электросетевое хозяйство проектируется таким образом, чтобы надежно управлять изменчивыми нагрузками, включая сбои генерирующих объектов, систем передачи и подстанций. Спрос на электричество колеблется всегда. В энергосистемах уже действуют механизмы, позволяющие справиться с изменчивостью.

При малых объемах стохастической генерации на базе ветра и солнца колебания выработки теряются в «шуме» естественной флуктуации спроса.

По мере добавления в систему новых электростанций на базе вариабельных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) краткосрочные колебания выработки установок «компенсируют» друг друга. Переменчивость становится менее выраженной, и серьезные изменения в объемах генерации теперь происходят в масштабах часов, но не минут или секунд.

Ветряки возле Палм-Спрингс (Калифорния, США)
Фото: scientificamerican.com

Еще в 2008 году было подсчитано, что 15 тыс. МВт ВЭС, распределенных по территории Техаса, привносят в систему лишь 6,5 МВт «добавочной вариабельности» (0,04%) каждую минуту и 328 МВт (2,2%) по часовой временной шкале.

Даже единичная турбина самой простой конструкции обладает инерцией и не останавливается сразу. С увеличением числа установок, распределенных по большой территории, снижение выработки происходит долго и плавно.

Современные ветрогенераторы обладают защитой от отключения в случаях неустойчивых повреждений или возмущений в энергосистеме, регулируют напряжение и реактивную мощность станции, обеспечивают инерционный отклик при существенных отклонениях частоты, снижают скорость изменения нагрузки (ramp rate) и так далее.

Национальная лаборатория возобновляемой энергии США по итогам масштабного исследования 2014 года пришла к выводу, что ветровые турбины пригодны для первичного регулирования частоты и автоматического управления мощностью: «Динамические исследования энергосистемы показывают, что ветровая энергетика может в целом повысить надежность при обеспечении ПРЧ и синтетического инерционного контроля».

Ветровая электростанция у берегов Нидерландов
Фото: erneuerbareenergien.de

МИФ № 2. Работа объектов ветровой генерации приводит к излишней цикличности в функционировании ТЭС, а это значительно повышает стоимость тепловой генерации и увеличивает выбросы CO2.

Действительно, дополнительная изменчивость выработки, привносимая в систему ветровыми электростанциями, как правило, заставляет традиционную генерацию увеличивать количество циклов снижения/увеличения нагрузки. В то же время в масштабе системы связанные с этим дополнительные затраты незначительны и компенсируются экономией топлива. При этом «лишние» выбросы многократно перекрываются снижением эмиссии парниковых газов в результате замещения тепловой генерации выработкой на базе ВИЭ.

Еще по теме: Почему глобальные корпорации инвестируют «чистую» энергию

Все это давно, многократно и основательно подсчитано. Согласно модели NREL, для случая 33%-ной доли ветра и солнца, выбросы CO2 сокращаются на 29–34%, и влияние цикличности на эту цифру несущественно. Эмиссия диоксида серы снижается на 14–24%, при компенсации за счет увеличения числа циклов на 2–5%.

МИФ № 3. Ветроэнергетика подразумевает высокие системные затраты, поскольку требует резервирования и хранения энергии.

Пожалуй, это любимая сказка наших экспертов. Вновь и вновь приходится повторять, что резервируются не отдельные объекты, а система в целом. Она должна быть способной в любой момент времени выдать необходимые электроэнергию и мощность. То есть 1 МВт резерва для 1 МВт ветровой электростанции — миф.

В Германии почти трехкратный рост установленной мощности СЭС и ВЭС за период 2008–2014 годов сопровождался не ростом, а снижением балансирующего резерва.

В какой-то момент интеграция вариабельных ВИЭ требует увеличения гибкости энергосистемы. Однако накопители — это не единственный инструмент для повышения маневренности. Диспетчерируемые генераторы, включая ТЭС и ГАЭС, постоянно управляют колебаниями на стороне спроса. Также существует множество других средств обеспечения гибкости, в том числе управление спросом или торговля с другими энергосистемами. «Таким образом, накопители электроэнергии являются лишь одним из пакетов решений — и до сих пор в большинстве стран с долей вариабельных ВИЭ более 20% он не был представлен широко», — заключает Международное энергетическое агентство.

В исследовании МЭА за 2014 год «Сила трансформации: ветер, солнце и экономика гибких энергетических систем» показано, что даже «крупные доли вариабельной возобновляемой энергии (до 45% ежегодно) могут быть интегрированы без существенного увеличения расходов в энергосистеме в долгосрочной перспективе».

Плавучая ветровая электростанция у Род-Айленда (США)
Фото: hightech.fm

Мифы появляются из-за незнания и страха перед неизведанным. Когда 35 лет назад Дания начинала развивать ветроэнергетику, скептики говорили: при достижении 5%-ной доли ВЭС национальная энергосистема пойдет вразнос. Но сегодня она входит в тройку мировых лидеров по надежности (индекс SAIDI), хотя доля ветроэнергетики в выработке находится на уровне 40%.

Автор

Владимир Сидорович, к. э. н., директор информационно-аналитического центра «Новая энергетика»

Мнение автора может не совпадать с мнением редакции

Энергия ветра. — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Давайте посмотрим на нетрадиционые варианты выработки энергии, а именно ветровые электростанции. Пока еще вопрос спорный в возможности существования этого вида энергодобычи без серьезных дотаций, возможность широкого и повсеместного применения этих устройств (а не только для специфических случаев). Однако не оспорим вопрос экологичности. Ну и это еще к тому же красиво 🙂

Давайте посмотрим …

В Европе и США огромные ветряки — привычный элемент загородного пейзажа. Эти красивые гиганты устанавливаются не только на земле, но и на водных просторах.

Идея использовать силу ветра для получения электрической энергии не нова. Она родилась ещё в конце 19 века, а именно зимой 1887-88 годов, когда один из основателей американской электрической индустрии, Чарльз Ф. Браш построил прототип автоматически управляемой ветровой турбины для производства электроэнергии. На тот момент она была гигантской — диаметр ротора равнялся 17 метрам, и состоял из 144 лопастей, изготовленных… из кедра.

В Европе первая ветряная электрическая станция была пущена в 1900 году, а к началу ІІ-ой мировой войны на планете работало несколько миллионов ветряков.

Современный ветряк — это стальная башня высотой от 70 до 125 м, на вершине которой установлены генератор и ротор с лопастями из композиционных материалов. Сегодня используют 56-метровые лопасти.

Огромна энергия движущихся воздушных масс. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Постоянно и повсюду на земле дуют ветры. Климатические условия позволяют развивать ветроэнергетику на огромной территории.

На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может «работать” зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер — это очень рассеянный энергоресурс.

Ветровая энергия практически всегда «размазана” по огромным территориям. Основные параметры ветра — скорость и направление — меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее «надежным”, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность «ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом.

К решению первой проблемы привлекли специалистов самолета строения умеющих выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, для получения максимальной энергии ветра. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.

Это многолопастные «ромашки» и винты вроде самолетных пропеллеров с тремя, двумя и даже одной лопастью. Вертикальные конструкции хороши тем, что улавливают ветер любого направления; остальным приходится разворачиваться по ветру. Такой вертикальный ротор напоминает разрезанную вдоль и насаженную на ось бочку. Встречаются и оригинальные решения. Например, тележка с парусом ездит по кольцу из рельс, а ее колеса приводят в действие электрогенератор.

Кликабельно 1700 рх

Среди десятков тысяч ветряков есть огромные, а есть и маленькие, на один домик. А это как раз гигантские ветряки. Один из самых больших ветряков на сегодня построен в сентябре 2002 под Магдебургом в Германии. Его мощность — 4.5 мегаватт, каждая из трех лопастей достигает 52 метров в длину и 6 в ширину, и весит по 20 тонн. Крепится ротор на 120-метровой башне.

Последнее достижение ветроэнергетики — ветряки, диаметр ротора которых превышает размах крыла самолетов-гигантов, даже нашего «Руслана». Такая установка имеет мощность 1–2 мегаватта и способна обеспечивать электроэнергией 800 современных жилых домов.

Наиболее распространенным типом ветровых энергоустановок (ВЭУ) является турбина с горизонтальным валом и числом лопастей от 1 до 3. По оценкам различных авторов, ветроэнергетический потенциал Земли равен 1200 ТВт, однако использования этого вида энергии в различных районах Земли неодинаковы. В России валовой потенциал ветровой энергии — 80 трлн. кВт/ч в год, а на Северном Кавказе — 200 млрд. кВт/ч (62 млн. т усл. топлива). Эти величины существенно больше соответствующих величин технического потенциала органического топлива. Среднегодовая скорость ветра на высоте 20–30 м над поверхностью Земли должна быть достаточно большой, чтобы мощность воздушного потока, проходящего через надлежащим образом ориентированное вертикальное сечение, достигала значения, приемлемого для преобразования.

Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога.

Норвегия объявила о планах построить самый большой в мире ветряк в 2011 году. Работы уже ведутся. Высота ветряной турбины будет составлять 533 фута, а диаметр ротора — 475 футов. Как ожидается, турбина будет обеспечивать электроэнергией 2 000 домов. Рекордный опытный образец стоит $67,5 миллионов.

Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из этих 500 Вт/м2. следует также учитывать те изменения, которые вносятся ветровыми установками в ландшафт местности, их размещение должно соответствовать не только стандартам безопасности и эффективности, но и правильного размещения на местности (мельницы ВЭУ, расположенные хаотично менее эффективны, чем те, которые расположены в определенной геометрической последовательности).

Малые ВЭУ обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим дублер, то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.

Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100кВт), то они применяются как электростанции и включаются обычно в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливаются достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю (фермы) может дуть ветер, на другом в это время тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому (ферма) занимает много место.

Ветроэнергетика сильно зависит от капризов природы. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветра агрегат совсем не может работать, или настолько высокой, что ветра агрегат необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора. Для эффективной работы ВЭУ их размещают на открытых пространствах, реже на территориях сельскохозяйственных угодий, что повышает их продуктивность. В горных районах ветра установки работают эффективно из-за природных особенностей данных местностей, там преобладает движение воздушных масс с большой силой и скоростью, к тому же это дает энергию в труднодоступные районы.

Правильная установка влияет на КПД ветра агрегатов поэтому удельная выработка электрической энергии в течение года составляет 15 – 30% энергии ветра или даже меньше в зависимости от место положения и параметров установки.

В настоящее время рекорд по размеру и мощности (141 метр и 7 мегаватт) принадлежит ветрогенератору Enercon E-126, расположенному около немецкого городка Эмден.

Установка ветряка Enercon E-126:

Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, отсутствие влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствие потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где дуют сильные ветры.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

В проектировании установки самая трудная проблема состояла в том, чтобы при разной силе ветра обеспечить одинаковое число оборотов пропеллера. Ведь при подключении к сети генератор должен давать не просто rкакую-то электрическую энергию, а только переменный ток с заданным числом циклов в секунду, т. е. со стандартной частотой 50 — 60 Гц. Поэтому угол наклона лопастей по отношению к ветру регулируют за счет попорота их вокруг продольной оси: при сильном ветре этот угол острее, воздушный поток свободнее обтекает лопасти и отдает им меньшую часть своей энергии. Помимо регулирования лопастей весь генератор автоматически поворачивается на мачте против ветра.

Одна из возникших проблем ветра агрегатов это избыток энергии в ветреную погоду и не достаток ее период без ветрея. Способов хранения ветреной энергии очень много рассмотрим наиболее простые один из способов: состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накачивает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы, и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветра агрегата разлагает воду на кислород и водород. Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Ветряки ставят не только на суше, но и на водных просторах:

Самый высокий ветряк в мире находится в провинции Сан-Хуан на высоте 4 110 метров над уровням моря. Его установила самая крупная золотодобывающая компания в мире — Баррик. Ветряк занесен в книгу рекордов Гиннеса.

Ветроустановка — дорогая техника, но расходы на ее приобретение окупятся в течение первых 7 лет эксплуатации. Расчетный срок службы — 25 лет.

Европейский лидер по использованию энергии ветра — Дания. В этой стране их обычно размещают на скалистых рифах и мелководье, на расстоянии до 2 км от берега.


Кликабельно

Самым ветреным местом в Европе считают шотландские Внешние Гибриды. Северная часть этих островов продувается постоянно. Ветер там практически никогда не утихает.

В конце прошлого года компания Deepwater Wind объявила о планах создания крупнейшей в мире глубоководной ветровой электростанции.

Предполагается, что она будет возв

Мощность и КПД ветрогенераторов различных типов: обзор технических характеристик

Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.

к содержанию ↑

Введение

Забота об окружающей среде и о собственном кошельке побудила светлые умы человечества к изобретению и внедрению новых методов производства энергии, источником, для которой, служили бы неисчерпаемые ресурсы: солнце, вода и ветер. Использование каждого такого источника имеет свои преимущества и недостатки, но наиболее доступной и эффективной считается энергия ветра.

Конечно, природа накладывает определённые ограничения на использование ветрогенераторов, и материальные затраты на выработку 1 кВт электричества от энергии солнца и ветра примерно сопоставимы. Но в северных широтах, особенно в прибрежных регионах, использование ветрогенераторов вне конкуренции.

Вопрос целесообразности установки упирается в среднюю скорость ветра по региону. Начиная с 4 м/с установка ветрогенератора считается целесообразной, а при 9-12 м/с он работает с максимальным КПД. Но мощность ветрогенератора зависит не только от скорости ветрового потока (схема 1), но и от диаметра ротора и площади лопастей (схема 2).

к содержанию ↑

Расчёт

Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.

Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P — мощность;
D — диаметр винта в м;
V — скорость ветра в м/сек.

Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.

к содержанию ↑

Виды

На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:

1. Карусельные — ось вращения располагается вертикально по отношении к направлению ветра. Имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими — горизонтальными:
2. Вырабатывают электроэнергию при небольшой силе ветра;
3. Не нуждаются в сложных, активных системах направления на поток ветра, как следствие, идеально подходят для местности с турбулентными воздушными потоками;.



4. Некоторые промышленные модели не нуждаются в высокой мачте, сама ось для лопастей является мачтой. Поэтому удобны в обслуживании;
5. Низкий уровень шумового загрязнения, до 30 дБ;
6. Отличный внешний вид.

Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.

2. Крыльчатые — горизонтальные ветряки. Этот вид ветрогенератора наиболее распространён при использовании в промышленной выработке электроэнергии.

Преимущества:

• Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
• Простота изготовления;
• Большое разнообразие моделей.

Недостатки:

• Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
• Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
• Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.

Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно. Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.

Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.

к содержанию ↑

Выбор модели

Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.

Максимальная мощность кВт	Диаметр ротора м	Высота мачты м	Номинальная скорость м/с	Напряжение Вт
0,55	2,5	6	8	24
2,6	3,2	9	9	120
6,5	6,4	12	10	240
11,2	8	12	10	240
22	10	18	12	360

Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.

Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.

И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.

Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.

Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.

к содержанию ↑

Новейшие разработки

Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.

Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.

Ветрогенератор энергетически окупается за 5-7 месяцев / Habr

Противники альтернативной энергетики иногда приводят аргумент, что для солнечных панелей никогда не наступает энергетическая окупаемость. Солнечная панель за время своей эксплуатации якобы не способна произвести столько энергии, сколько затрачено на её изготовление.

Мягко говоря, это очень сомнительное утверждение, не подкреплённое фактами. На самом деле производители солнечных панелей задаются немного другим вопросом: как конкурировать за инвестиции с производителями ветровых турбин? Те добились исключительной рентабельности своих энергоустановок, даже не пользуясь дотациями государства.

В школе технического и промышленного машиностроения Орегонского университета провели сравнительный анализ энергетической окупаемости (life cycle assessment) двух моделей ВЭУ мощностью 2 МВт с заявленным сроком службы 20 лет.

Исследователи провели оценку жизненного цикла с использованием стандартного метода оценки ReCiPe 2008. При расчёте срока окупаемости учтены расходы энергии на добычу полезных ископаемых, производство деталей, доставку частей ветрогенератора с разных заводов, установку на месте, обслуживание в течение всего срока (одних только смазочных материалов за 20 лет израсходуется от 273 до 546 тонн, в зависимости от модели) и, в конце концов, его утилизацию с частичной переработкой по окончании срока службы.

Выяснилось, что 78% энергии на всём 20-летнем жизненном цикле ВЭУ расходуется на этапе производства, главным образом, на изготовление деталей из стали, меди, стекловолокна, пластмассы и других материалов. На заливку фундамента тоже расходуются бетон и сталь.

МатериалыВ таблице указаны короткие американские тонны (907 кг)
Учитывая расчётную мощность ветряной энергоустановки в условиях северо-западного побережья США (6,12 ГВтч в год при загруженности 35%), исследователи оценили срок энергетической окупаемости двух моделей ВЭУ в 0,43 года и 0,53 года, соответственно. За это время окупаются затраты не только на производство, но и эксплуатационные расходы на весь 20-летний срок службы.

Авторы научной работы говорят, что все способы электрогенерации используют природные ресурсы. Вопрос только в том, насколько эффективно мы их расходуем и как это воздействует на окружающую среду.

Статья «Comparative life cycle assessment of 2.0 MW wind turbines» опубликована в журнале «International Journal of Sustainable Manufacturing» (том 3, № 2, 2014 г, стр. 170-185), зеркало.

Почему СССР был лидером в ветроэнергетике, а сейчас нам приходится всех догонять

В 1185 году первая ветряная мельница упомянута в Йоркшире (Англия), и этот первый западный ветряк был уже привычного нам типа — с горизонтальной осью вращения, на которую насажены вертикально вращающиеся лопасти. Как мы видим, уже с XII века западный и восточный подход к ветрякам были противоположными.

Преимущества восточной схемы перед западной очевидны. Ветряк с вертикальной осью вращения работает, каким бы ни было направление ветра, поэтому китайцы и иранцы могли оставить его без присмотра и пойти заниматься более важными делами. Кроме того, у восточного варианта при равной мощности гораздо выше парусность конструкции, отчего он начинает работать уже при слабом ветре.

С другой стороны, западный ветряк с горизонтальной осью вращения имеет свои сильные стороны. Да, его надо «держать по ветру», зато его лопасти всегда испытывают действие ветра только с одной стороны, что повышает их энергоотдачу. Восточный же при каждом обороте испытывает момент, когда лопасти проворачиваются и ветер «ударяет» по ним с другой стороны. Инерции хватает, чтобы конструкция вращалась дальше, но мачту сильно трясет, и часть энергии вращения уходит на компенсацию «удара». Из-за этих переменных нагрузок мачту или башню надо делать прочнее и массивнее. Итоги очевидны: западный ветряк сложнее в управлении, но эффективнее и дешевле.

Ветряные мельницы были крайне широко распространены в Европе вплоть до паровых машин и электричества. Они почти не требовали персонала, линий электропередач (что важно в сельской местности), и работали менее шумно. Ну а вариант ветряка, поднимающего воду из скважины, и до сих пор крайне популярен в третьем мире, где электрификация все еще не затронула более миллиарда человек.

Попытки подружить ветер и электричество были предприняты весьма рано. Первый ветряк, производящий электроэнергию, был построен в Дании в 1890 году. На Западе их размеры в начале XX века достигли 25 метров в высоту, а размах лопастей — 23 метров. Увы, все сгубила проблема переменчивости ветра. Электричество нужно было и тогда, когда он не дул, а дизель-генераторы и ЛЭП оказались довольно дешевы. Так ветряки и были вытеснены в далекие поля, где работали на орошение. Но лишь на время!