С использованием энергии ветра человечество знакомо с незапамятных времен. Когда-то неизвестный изобретатель приладил парус к неказистому плавучему средству, и с его помощью через столетия вся Земля была обследована пытливыми мореплавателями. Ветряные мельницы даже в наше время во многих странах исправно служат человеку.

Но сегодня использование ветра подразумевает, прежде всего, получение электроэнергии. Попытаемся разобраться, насколько это просто, дешево и удобно. Для тех, кто хочет сразу услышать итог, вывод: ветряная электроэнергия никогда не станет дешевле энергии, полученной из других источников: тепловых, атомных или гидроэлектростанций.

Поэтому заниматься ветряными электростанциями для дома имеет смысл только тем, у кого руки чешутся приспособить доставшийся «по случаю» готовый генератор, или энтузиастам экологически чистой энергии, фанатично желающим спасти планету от экологической катастрофы. Других причин использовать ветряную энергию при подведенном питании от внешних электрических сетей просто не придумаешь.

Для начала немного сведений о возможностях использования энергии ветра. При воздействии ветра на лопасти турбины, эффективность отбора энергии (КПД) не может превышать 59%. Это значение получили в своих работах ряд ученых (Ланчестер, Бец, Жуковский) еще в 1920 г. С тех пор оно известно как «предел Беца».

Есть ли смысл считать КПД ветряного генератора , если он приводится в действие дармовым источником неограниченной мощности? Конечно, есть! Зная КПД преобразования, можно оценить необходимую мощность электростанции, а затем - насколько похудеет ваш кошелек после ее приобретения.

Предельная мощность, которую можно «отнять» у ветра, равна площади, на которую он воздействует (площадь обмаха пропеллера), умноженной на скорость ветра в кубе и на упомянутый выше КПД, равный 0,6. Выразив все величины в системе СИ, получим, что 1м2 турбины при скорости ветра 2 м/сек отбирает мощность аж...4,8 Вт. При скорости ветра 8 м/сек (номинальная скорость большинства ветряных генераторов), отбор с единицы площади возрастет до 307 Вт.

Теперь информация к размышлению: реальный КПД для домашних установок нужно брать не более 0,3. Время работы ветряных электростанций при оптимальной скорости ветра колеблется от 10 до 15% в год в климатических условиях стран СНГ.

Поэтому полученную из формулы мощность ветряной электростанции необходимо увеличить еще в 4-5 раз. На практике рекомендуют устанавливать ветряную электростанцию, ориентируясь не столько на технические показатели, сколько на финансовые возможности, по принципу: «Чем больше, тем лучше». С мечтой установить мощную и, одновременно, компактную установку необходимо сразу расстаться. Одно другому противоречит в принципе.

Конструкция ветряной электростанции, в общем случае, состоит из генератора, выпрямительного устройства, аккумуляторной батареи и инвертора для преобразования напряжения в привычное значение 220В. Контроль и управление всеми блоками и элементами электростанции выполняет микропроцессорный контроллер или более простые логические схемы.

Изучая технические характеристики ветряных электростанций , предпочтение необходимо отдавать тем, у которых скорость начала движение ротора, начальная скорость зарядки аккумуляторов и скорость, при которой они выходят на рабочий режим, минимальны. Чем шире диапазон рабочих скоростей ветра, тем больше вероятность получить энергию. Стоимость в этом случае играет вторичную роль: зачем брать установку дешевле, если она в вашем регионе будет работать несколько дней в году?

Теперь пришло время прицениться к продукции фирм, предлагающих готовые комплекты оборудования. О самодельных ветряных электростанциях здесь вообще не будем говорить. Даже лучшие образцы промышленного изготовления имеют КПД не более 30%, а самодельные конструкции из подсобных материалов смогут производить разве что шум.

Все разнообразие конструкций ветряных генераторов можно свести к двум большим группам: с горизонтальным расположением ротора генератора и генераторы с ротором вертикального типа.

Горизонтальные генераторы флюгерного типа обладают более высоким КПД, меньшей материалоемкостью. Но требуют применения мачт большей высоты, имеют сложную механическую часть и неудобны в обслуживании. Станции вертикального типа менее экономичны, они имеют большую материалоемкость, но работают в большем диапазоне скоростей ветра и более компактны.

Рассмотрим по одному образцу из наиболее интересных представителей ветряных электростанций каждой группы. Наибольший интерес из электростанций с горизонтальным расположением ротора представляет безредукторный контурный генератор «Windtronics» .

В нем аэродинамическое сопротивление снижено за счет особой конструкции турбины, в которой на концах лопастей закреплены сильные постоянные магниты, а по ободу смонтировано 68 статорных катушек. При таком решении ротор одновременно является и генератором электрической энергии. Специальные закрылки на лопастях позволяют турбине начать движение при скорости ветра 0,2 м/сек. На сегодня это значение является рекордным для генераторов.

При скорости 0,9 м/сек. турбина начинает вырабатывать электричество. Другие типы генераторов при этих значениях скорости ветра даже не могут сдвинуться с места. Вес изделия около 110 кг, диаметр 1,8 метра, уровень шумов - не более 35 дБ.

Благодаря жесткой конструкции, турбина выдерживает скорость ветра до 62,6 сек. Годовая производительность от 1500 до 2750 кВт/ч электроэнергии. Американской фирмой «Honeywell Wind Turbine» в комплекте с турбиной поставляется вся необходимая электроника, рассчитанная на подключение 2 генераторов или солнечной дополнительной панели. Серьезным и единственным недостатком ветряной электростанции является ее цена - 5750 долларов при номинальной мощности генератора всего 1,5 кВт.

Многообещающим представителем электростанций с генератором вертикального типа можно считать турбины «Eddy» компании «Urban Green Energy» . Генераторы очень компактны, почти бесшумны и могут монтироваться даже в городских условиях. При весе генератора 95 кг он занимает площадь чуть больше 2,5 м2.

Турбину можно смонтировать за час, а служит она до 20 лет. Генератор выдерживает ветровые нагрузки до 193 км/час и вырабатывает, в зависимости от модификации, от 2000 до 4000 кВт/ч энергии в год. Главным недостатком является высокая начальная скорость ветра для турбины - 3,2 м/сек. Информации о стоимости генератора пока нет.

Ветряной генератор «Eddy»

Оригинальная форма турбины, напоминающая лепестки розы, натолкнула архитекторов на идею создать электростанцию в виде дерева, на ветвях которого смонтировано от 3 до 12 турбин, Проект получил название «Power Flowers» - «цветочное дерево» и привлек широкое внимание общественности, создав неплохую рекламу генераторам «Eddy» и фирме UGE.

Ветряная электростанция «Power Flowers» с генераторами «Eddy»

О различных конструкциях и моделях электростанций можно очень долго говорить, но объединяет их одно: очень высокая цена. Из анализа предложений фирм можно вывести некую удельную стоимость 1кВт мощности оборудования. Она составляет приблизительно 2000 долларов без монтажных работ. Добавив еще около 500 долларов на монтаж и наладку, мы получим усредненную величину затрат на оборудование, которое произведет вам 2000-3000кВт/ч электрической энергии за год.

По оценкам специалистов, электроэнергия, полученная от экологически чистых источников, дороже обычной в 3-4 раза. При использовании маломощных ветряных электростанций, стоимость энергии может на порядок (в 10 раз) превышать полученную из традиционных источников. Это связано с большими разовыми затратами на оборудование и работами по установке, наладке и обслуживанию ветряных электростанций.

Для того, что бы скрыть этот факт, часто используют утверждение, что с ростом цены на энергоносители экологически чистые источники станут рентабельными. При этом игнорируется то соображение, что с ростом расценок на энергию будет расти и стоимость оборудования, которое обладают значительной материалоемкостью. И перспектив к сокращению подобной «вилки» не предвидится даже в отдаленном будущем.

Если есть непреодолимое желание установить ветряную электростанцию, то сначала необходимо познакомиться с архивом сводок погоды за несколько последних лет в вашем регионе. Подобная информация сейчас доступна в сети и сразу прояснит реальные возможности по использованию ветровой энергии.

– 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.

В поисках альтернативных источников энергии человечество шагнуло далеко вперед. Например, все чаще используется сила солнца, создаются ветряные электростанции. Наверное, именно ветер может рассматриваться как оптимальный способ получения электрической энергии - эффективный, и при этом достаточно экономичный.

Ветер, ветер, ты могуч

Ветряная электростанция - это группа специальных генераторов, которые объединены в систему и используют для создания энергии силу ветра. Особенность таких генераторов в их безопасности для окружающей среды. Сегодня больше всего ветряных станций построено в Германии, Дании, при этом в таких странах не только ниже затраты на энергию, они еще экспортируют установки и технологии в другие государства. Работают ветряные электростанции по следующему принципу: под воздействием ветра вращаются лопасти конструкции, а благодаря редуктору приводится в действие электрогенератор. Энергия, которая в результате получается, транспортируется по кабелю.

Как правило, мачты в установках имеют достаточную высоту, а потому используют силу природы по максимуму. При составлении проекта подобной конструкции сначала тщательно исследуется местность, изучаются и его направление при помощи ряда приборов. Уже на основе данных решается, окупится ли установленная ветряная электростанция.

Главное - правильный выбор

Сегодня покупателям предлагаются разнообразные ветряные электростанции для дома.Выбирать их следует в зависимости от того, каковы потребности заказчика. Например, если нужно обеспечить работу техники в сельском хозяйстве, то мощности нужны небольшие. А вот для решения более серьезных задач, например, электрификации зданий и сооружений или монтажа отопительной системы в доме нужны более мощные ветрогенераторы. Заниматься подготовкой местности и непосредственно работами по установке обязательно должны только специалисты.

Прежде чем купить ветрогенератор, нужно учесть ряд нюансов, включая нагрузку в пиковые моменты, средние показатели потребления энергии, скорость ветра. Также стоит помнить, что чем выше мачта, тем сильнее и мощнее ветер будет крутить лопасти турбины. Правда, монтаж таких конструкций дороговат. Оптимальное расположение - на 10 метров выше здания или дерева, находящегося в радиусе примерно 100 метров.

Плюсы

Ветряные электростанции сегодня довольно востребованы, что связано с рядом причин.

• Во-первых, это более выгодно, если сравнивать с другими источниками энергии.
• Во-вторых, запасы силы ветра неисчерпаемы.
• В-третьих, такие мельницы имеют простое устройство, поэтому их монтаж производится довольно быстро. Главное - провести исследования объекта, на котором они будут располагаться.
• В-четвертых, производство электроэнергии таким способом намного дешевле, да и позволяет экономить богатства недр.
• В-пятых, ветряные мельницы обеспечивают электроэнергией стабильно и надежно.
• В-шестых, такие устройства абсолютно безопасны для окружающей среды, что тоже очень важно.

Минусы

С другой стороны, как и любой другой источник энергии, ветряные электростанции (фото показывают, насколько просты их конструкции) имеют и минусы.

• Во-первых, ветер не постоянен, то есть дует он по-разному - то сильно, то слабо. Соответственно, не везде возможно их устанавливать.
• Во-вторых, ветряные конструкции работают довольно шумно, значит, располагать их нужно вдали от жилых объектов.
• В-третьих, такие мельницы могут стать помехой для радио- и телеприборов. Правда, в той же Европе с этим недостатком смирились, и сегодня здесь уже действуют больше 26 000 ветряных электростанций.
• Еще один минус - подобные установки могут навредить летящим птицам, поэтому возводить их нужно там, где нет мест их миграции и гнездования.

Что купить?

Современные ветряные электростанции для дома представлены в широком ассортименте. Они отличаются производительностью и рассчитаны на разную силу и скорость ветра. Например, установки мощностью в 400-6400 Вт вполне достаточно для обеспечения энергией небольших хозяйств, магазинов, ресторанов, которые находятся в удалении от основных источников энергии. Если нужно обеспечить электричеством несколько домов или небольшой поселок, то нужны станции большей мощности, в среднем 18000-26 500 Вт. Такие же установки целесообразно монтировать рядом с большими производствами и коммерческими объектами. На самые простые ветряные электростанции для дома цена начинается от 700 000 рублей, более дорогие установки стоят около трех миллионов рублей.

Альтернативные виды

Как мы уже сказали, ветряная мельница - достаточно шумная установка, однако сейчас предлагаются генераторы, которые работают не так мощно. Например, бесшумный ветрогенератор - это идеальное решение для небольших и средних по размерам объектов, ферм, магазинов, если они располагаются в удаленных районах. Сегодня большой популярностью пользуются вертикальные установки ввиду своей эффективности и простоты монтажа. Преимущества такой системы следующие:

• тихая работа без вибраций;
• устойчивость к сильному ветру;
• защита корпуса алюминиевым покрытием от молнии;
• не имеет значения направление ветра.

Бесшумные домашние ветряные электростанции просты в уходе, монтаже, поскольку здесь нет мелких деталей. Немаловажно, что и вред птицам нанесен не будет, поскольку дизайн установок таков, что ландшафт не будет нарушен. Еще один интересный вариант - парусный генератор. Конечно, он не отличается привлекательным дизайном, зато может выработать энергию даже при слабом ветре. Подобные ветряные электростанции хороши тем, что благодаря парусу они быстро подстраиваются под движение сил природы, значит, и выработка энергии происходит стабильно. Конструкции абсолютно экологичны, имеют низкую стоимость, работают без шума и вибраций, а это говорит о том, что у них есть будущее.

Каковы перспективы?

В целом, экологическая ситуация в мире такова, что природные ресурсы постепенно истощаются, и в скором времени такое решение, как ветряные мельницы, станет самой настоящей реальностью во всем мире. Не случайно жители многих стран постепенно приходят к тому, чтобы установить подобные конструкции и на своем участке. В России, по мнению специалистов, достаточно потенциальных возможностей для того, чтобы активно развивалась ветроэнергетика. Правда, пока этот процесс идет медленными темпами ввиду отсутствия достаточного финансирования. В случае если ситуация изменится, а государство будет уделять достаточно внимания этому способу получения энергии, в скором времени и наша страна перейдет на альтернативные решения. На сегодняшний день ветряные электростанции в России представлены в республиках Калмыкия и Башкортостан, Чувашия, Коми, в Калининградской, Саратовской, Оренбургской, Ростовской, Мурманской, Астраханской областях, а также в Чукотском автономном округе. Однако специалисты утверждают: в скором времени география расположения ветряков станет значительно шире.

Как сделать ветряную электростанцию?

Стремление сэкономить на тратах на энергию и привнести что-то новое приводит к тому, что народные умельцы начинают делать ветряки своими руками. В самом простом виде он представляет собой две половинки цилиндра, которые раздвинуты в сторону от центральной оси. Если увеличить количество лопастей в конструкции до четырех, то мощность и тяговые характеристики прибора станут намного выше. Ветряная электростанция своими руками делается при помощи нижеописанных материалов и составляющих.

1. Для создания барабана нам потребуются фанера и кровельное железо (или листовой пластик подходящего размера). Ротор должен быть легким, поэтому не стоит брать слишком толстые материалы.
2. Для «щек» барабана нам потребуются древесина и пластмасса (или легкий металл), при этом места стыков следует обработать масляной краской.
3. Для изготовления крестовин понадобятся стальные полосы или древесина.
4. Ось сделаем из стальной трубы, диаметр которой составляет 30 мм, а длина - 2 м.
5. Для оси нам также нужны шарикоподшипники одинакового размера.

Этапы монтажа

Итак, самодельная ветряная электростанция делается так. Сначала привариваем крестовины ротора к оси (если используется дерево, то его нужно приклеить или монтировать при помощи штифтов). Лопасти соединяются посредством болтов, при этом важно, чтобы до оси от них было одинаковое расстояние. После сборки барабана места стыков нужно обработать при помощи густой масляной краски. Теперь создаем станину: для этого нам нужны металлические или на которые затем мы монтируем шарикоподшипники. Перекосов следует избегать, поскольку ротор будет медленно вращаться. Теперь мы ветряную станцию опять покрываем краской, а на нижнем конце оси крепим шкивы разного диаметра. Перекидываем ремень через шкив и подсоединяем его к генератору тока, например, автомобильному. Подобная ветроэнергетическая установка рассчитана на скорость ветра примерно 9-10 м/с при выработке мощности в 800 Вт.

Ветряная мельница для дома

Чтобы обеспечить бытовые потребности в электрической энергии максимально полноценно, мощность ветряной мельницы для средней семьи из четырех человек должна составлять не меньше 10 кВт. В таких ситуациях целесообразно установить целую систему, в состав которой входят несколько ветряков, вырабатывающих небольшую мощность. Энергия в них аккумулируется на общей батарее, при этом, если необходимо, можно установить еще дополнительные генераторы, а также увеличить количество и емкость батарей.

Чтобы энергоснабжение объекта было стабильным и не зависело от внешних причин, специалисты рекомендуют создать автономный энергетический комплекс. Он будет включать в себя ветряную электростанцию, а также резервные источники энергоснабжения в виде дизельного и бензинового генераторов, а также солнечных батарей. Если сила ветра будет достаточной, а энергия будет вырабатываться в нужном количестве, то дизельную установку можно и отключить. Если вдруг силы, которая будет производиться ветряной мельницей, не будет хватать, то автоматически запустится резервный источник электроснабжения.

Как достичь эффективности?

Чтобы установленная ветряная станция была монтирована правильно и приносила желаемые плоды, нужно соблюсти несколько условий.

1. Ветер в местности должен быть стабильным практически в течение всего года.
2. На объекте должно быть достаточно места, чтобы установить ветряк.
3. Узнать, разрешают ли местные власти подобные установки.

Кроме того, целесообразно использовать подобные системы, если вы тратите на электроэнергию слишком много средств, а возможности подключиться к питающей сети просто нет. Еще нужно готовиться к тому, что придется потратить на ветряную установку немало средств. Зато вы получите экологически чистую неисчерпаемую энергию.

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.

Устройство и виды ветровых электростанций

Ветровые электростанции являются одним из вариантов получения альтернативной энергии. Энергия ветра относится к возобновляемому виду наряду с солнечной, термальной и т. п. Потенциал ветровой энергетики, конечно, меньше солнечной, но всё равно перекрывает современные потребности человечества в энергии. КПД ветровых электростанций небольшой, и составляет в лучшем случае 30 процентов. Но всё равно их строительство продолжается, и они считаются довольно перспективным видом энергетических установок.

Ветровая электростанция состоит из определённого количества генераторов, которые собраны вместе. Крупные ветровые электростанции включают в себя до 100 и более отдельно стоящих ветрогенераторов. В литературе также можно встретить название ─ ветровые фермы. Сразу стоит сказать, что подобные электростанции можно строить только в определённых регионах планеты. В этих местах средняя скорость ветра должна быть не менее 4,5 метра в секунду.

Перед тем как построить ветровую электростанцию в каком-либо месте, там проводится длительное исследование характеристик ветра. Для этого специалисты используют такие приборы, как анемометры. Они устанавливаются на высоте примерно 30─100 метров, и 1─2 года накапливается информация о направлении и скорости ветра в этом месте. Затем на основании полученных сведений составляются карты доступности ветровой энергетики. Эти карты и различные методики расчёта используются теми предпринимателями, которые хотят оценить перспективность строительства ветровых электростанций в каком-либо регионе мира.

Стоит отметить, что стандартная информация о метеорологов не годится при оценке целесообразности строительства ветровой электростанции. Ведь информацию о ветре метеорологи собирают на высоте до 10 метров над поверхностью Земли. Практически во всех странах мира специальные карты доступности энергии ветра создаются либо государством, либо при его участии.

Среди примеров этого можно назвать атлас ветров и компьютерную модель WEST для Канады. Этим занимались министерство природных ресурсов и министерство развития этой страны. Благодаря этим сведениям предприниматели могут планировать строительство ветровых электростанций в любой точке Канады. В Организации Объединённых Наций ещё в 2005 году была создана карта ветров для 19 развивающихся стран.

Ветрогенераторы, работающие в составе ветровых электростанций, устанавливают на различных возвышенностях естественного или искусственного происхождения. И это неслучайно, поскольку скорость ветра тем больше, чем выше от поверхности планеты. Поэтому ветрогенераторы работают на специальных башнях, высота которых от 30 до 60 метров. При планировании ветровой электростанции также принимается в расчёт наличие деревьев, крупных строений и т. п. Всё это также может повлиять на скорость ветра.

Кроме того, при строительстве подобных электростанций должны учитываться требования к охране ОС и влияние на человека. Ведь от подобных установок исходит немалый шум. В европейских странах давно приняты законы, которые ограничивают максимальный уровень шума ветровых энергетических установок. Днём этот показатель не должен превышать 45 дБ, а ночью ─ 35 дБ. Подобные установки должны находиться на расстоянии не менее 300 метров от жилых домов. Кроме того, современные ветровые электростанции останавливаются на время перелёта птиц.

Ветровые электростанции, как правило, занимают большое пространство. Для их строительства используются такие регионы, которые мало заселены и не вовлечены в экономическую деятельность. Среди них можно назвать:

• Прибрежные районы;
• Шельф;
• Пустыни;
• Горы.

В состав ветровых электростанций входят отдельно стоящие ветрогенераторы. Давайте, вкратце рассмотрим, какая у них конструкция. В неё входят следующие узлы и детали:

• Ротор с лопастями. Занимается преобразованием ветровой энергии в энергию вращения. Как правило, роторы имеет три лопасти. Лопасти современных ветрогенераторов могут достигать 30 метров в длину. В большинстве случаев их изготавливают из полиэстера, который армирован стекловолокном. Скорость вращения лопастей в среднем составляет 10─24 оборота в минуту;
• Редуктор. Его задача заключается в повышении скорости вращения вала с 10─24 об/мин от ротора до 1,5─3 тысяч об/мин на входе в генератор. Существуют также конструкции ветрогенераторов, где ротор напрямую подключается генератору;
• Генератор. Он преобразует энергию вращения в электричество;
• Флюгер и анемометр. Они находятся на задней стороне корпуса ветрогенератора. Их задача собирать данные о скорости и направлении ветра. Полученные данные используются для увеличения выработки электроэнергии. Эта информация используется системой управления для запуска и остановки турбины, а также для контроля во время ее работы. Этот механизм разворачивает роутер в направлении максимального ветра. Ветрогенератор начинает работать при скорости ветра около 4 метров в секунду и отключается, когда она возрастает больше 25 м/сек;
• Башня. Она используется для установки ветрогенератора на высоте. Высота современных машин достигает 60─100 метров;
• Трансформатор. Он предназначен для преобразования напряжения, требуемого для электрической сети. Как правило, он находится у основания башни или встроен в неё.

Виды ветровых электростанций

• Прибрежные. Такие электростанции построены на небольшом расстоянии от береговой линии. Со стороны моря или океана на побережье идёт бриз. Он обусловлен неравномерным прогрева воды и суши. Днём ветер движется со стороны водоёма на берег, а ночью, наоборот, с побережья в сторону воды.
• Наземные. Это наиболее распространённый вид ветровых электростанций, в которых ветрогенераторы установлены на различных возвышенностях. Причём строительство ветрогенератора на заранее подготовленные площадки занимает примерно 2 недели. Значительно большее время уходит на согласование строительство со стороны контролирующих органов. Строительство таких электростанций сильно удалённых районах затруднено, поскольку для их установки требуется тяжёлая подъёмная техника. А это значит, что требуется подъездные пути. К тому же электростанцию нужно подключить кабелем к электрическим сетям;
• Шельфовые. Эти ветровые электростанции построены на расстоянии нескольких десятков километров от берега. Их плюсы заключаются в том, что они не занимают место на суше, их не слышно и их эффективность выше. Этот вид электростанций возводится в тех местах, где небольшая глубина. Их устанавливают на фундаменты, который изготавливают из свай забитых в морской грунт. Для передачи электроэнергии в электросети используются подводные кабели. Этот тип ветровых электростанций обходится дороже, чем наземный вариант. Для них требуется более мощные фундаменты, а морская вода часто приводит к ускоренной коррозии металлоконструкций. При строительстве этого вида электростанции применяют самоподъемные суда;
• Парящие. Это редкий тип ветровых электростанций. Концепция в своё время была разработана советским инженером Егоровым (1930). Высота установки подобных ветрогенераторов составляет несколько сотен метров над землёй. Мощность подобных турбин составляет 30─40 киловатт. Для того чтобы поднять ветрогенератор на такую высоту, используется надувная невоспламеняемая оболочка, которую наполняют гелием. В качестве проводника получаемого электричества используются канаты повышенной прочности;
• Плавающие. Плавающие ветровые генераторы появились относительно недавно. Конструктивно они представляют собой большие платформы с башней, уходящей под воду на несколько десятков метров. И примерно настолько же башня возвышается над водой. Чтобы стабилизировать на воде подобную систему, используется балласт из камней и гравия. Чтобы башня не дрейфовала, используются якоря. На берег электроэнергия передаётся с помощью подводного кабеля;
• Горные. По большому счёту это те же самые наземные ветровые электростанции, но только построенные в горах. В горах ветер дует значительно интенсивнее. За счёт этого такие станции более эффективны.