Андрей Смирнов
Время чтения: ~16 мин.
Просмотров: 0

Ветроэнергетика в мире и её развитие

Особенности выбора

Основным критерием, которым руководствуются покупатели, являются размеры ветряной установки. Чем больше ее размер, тем выше вырабатываемая мощность. Поэтому, выбирая ветряные электростанции для дома, нужно заранее рассчитать месячное энергопотребление. Полученный результат умножается на 12 месяцев.

Далее расчеты для частного дома ведутся при помощи формулы: AEO = 1.64 х D х D х V х V х V, в которой АЕО является электроэнергией, потребляемой за год, D – диаметр ротора в метрах, V – среднегодовая скорость ветра в м/с. Подставив нужные значения, можно легко рассчитать размеры требуемой установки.

Приобретая электростанцию, следует заранее продумать о месте ее расположения. В этом случае учитываются следующие факторы:

  • Территория возле генератора должна быть свободной от построек, сооружений, деревьев и других факторов, снижающих продуктивность установки. Имеющиеся помехи располагаются на расстоянии не ближе 200 метров от места установки.
  • Высота конструкции для монтажа генератора должна быть как минимум на 2-3 метра выше помех, имеющихся на прилегающей территории.
  • Расстояние от жилых домов – не менее 30-40 м, поскольку при вращении лопастей создается некоторый шум, вызывающий у окружающих определенный дискомфорт.
  • Следует учитывать среднегодовые изменения погодных условий, когда в одном и том же месте в течение года будет вырабатываться разное количество электроэнергии.

Особенности применения ветрогенераторов

Чтобы устройство работало на полную мощность и сумело превзойти свои номинальные характеристики, его рекомендуется устанавливать на большой высоте – около 30-40 м, где порывы ветра сильнее, чем у поверхности земли.

В условиях плотной застройки выполнение данного требования проблематично. Поэтому расчет высоты нужно делать, добавляя около 4-5 м от уровня поверхности самого высокого здания возле площадки под генератор. Оптимальное же место его монтажа – степь или участок без растительности радиусом около 200 м относительно точки установки.

Учитывая непостоянный характер ветров, ветрогенератор лучше использовать для питания приборов и техники, которая не предъявляет особых требований к качеству энергоснабжения. А вот подключать к устройству напрямую чувствительные приборы категорически не рекомендуется.

Вследствие частых скачков напряжения они быстро выйдут из строя. Решением проблемы может стать использование выпрямителя электроэнергии, выбор и монтаж которого следует выполнять с учетом рекомендаций производителя.

Разработчики альтернативных источников энергоснабжения настоятельно советуют использовать возможности системы бесперебойного питания. В ее функции будет входить накопление запасов «лишней» электроэнергии и ее подача в дом во время продолжительного безветрия, когда генератор находится в режиме вынужденного простоя.

Основа системы – аккумуляторная батарея, для своевременной подзарядки которой необходимо подключить в сеть выпрямитель. Он выровняет показатели получаемой энергии и снизит риск перезарядки в случае резкого скачка напряжения при увеличении силы ветра. А чтобы превратить постоянный ток от генератора в переменный, подходящий для питания бытовых устройств, в систему монтируют инвертор.

Если для региона характерны многодневные периоды безветрия, в систему бесперебойного питания рекомендуется подключить бензиновый или дизельный генератор. В случае полной разрядки аккумулятора и временного бездействия ветряка устройство обеспечит подачу в дом требуемого количества электроэнергии, и перебоев с электроснабжением удастся избежать.

Недостатки ветряных электростанций

Недостатков немного, но противники строительства ветряков их активно муссируют в прессе. Но все эти недостатки скорее всего представляют собой трудности при ведении этого бизнеса, которые можно минимизировать.

Высокий входной барьер в бизнес. Для того, чтобы начать получать ветровую энергию, надо построить ветряную ферму. Предстоят затраты на высокоточные расчеты для определения местности постройки, также надо будет вложить деньги в покупку оборудования и его монтаж на выбранной территории. Именно стоимость ветряной электростанции, стоимость оборудования являются основной строкой затрат, но здесь можно воспользоваться услугами инвесторов, банковским кредитованием и пр.

Весьма существенный недостаток ветряной станции – невозможность точного прогноза, сколько электроэнергии будет получено в определенный отрезок времени. Предугадать, насколько сильным будет ветер, и будет ли он дуть вообще, невозможно. Поэтому при ведении данного вида бизнеса существуют существенные риски. Но минимизировать их можно, если тщательно выверить координаты расположения станции на стадии ее планирования. Такой анализ основывается на многолетних показаниях скорости ветра.

Многие противники ветряных станций утверждают, что лопасти издают сильный шум, который негативно влияет на окружающую среду. Но современные технологии позволили измерить уровень шума и изучить его воздействие. Оказалось, громкий звук от работы лопастей действительно присутствует, но уже на расстоянии 30 метров от источника он слышен только на уровне фона. Для сведения: фон – это уровень шума естественной окружающей среды.

Защитники птиц выступают активно против строительства ветряных станций. В этом случае аргументы также легко разбиваются об анализ вреда, наносимого другими техногенными объектами птицам. Подсчет показал, что количество птиц, попадающих под лопасти ветряков, ничем не отличается от числа пернатых, которые погибают в других местах, к примеру, на высоковольтных линиях передач.

Еще одна весьма сомнительная гипотеза противников ветряной энергии – искажение телевизионного сигнала вблизи от фермы. В современном мире все большую популярность приобретает спутниковое ТВ, цифровое ТВ, эфирного телевидения остается все меньше и меньше, поэтому приему сигнала в квартирах и домах ничто помешать не может.

Ветряные электростанции делают жизнь немцев невыносимой :

Что такое энергия ветра?

Энергию ветра можно охарактеризовать следующим образом:

  • Энергия ветра — Солнце нагревает неровную поверхность земли, что вызывает движение воздуха. Горячий и холодный воздух меняются местами, в результате чего возникает поток воздуха. Поскольку он имеет силу с движением, он несет кинетическую энергию. Это называется ветровой энергией.
  • Энергия

    Возобновляемая энергия — энергия, получаемая из природных ресурсов, которые пополняются естественным образом.

    — косвенно наблюдаемая величина, часто понимаемая как способность физической системы работать с другими физическими системами.

  • Природный ресурс

    Возобновляемый ресурс — природный ресурс, способный воспроизводиться посредством биологических или естественных процессов и пополняемый с течением времени.

    — материалы и компоненты (то, что можно использовать), которые можно найти в окружающей среде. Каждый продукт, созданный руками человека, состоит из природных ресурсов (на фундаментальном уровне). Природный ресурс может существовать как отдельный объект, такой как пресная вода и воздух, а также как живой организм, такой как рыба, или он может существовать в альтернативной форме, которая должна быть обработана для получения ресурса, такого как металлические руды, нефть. , и большинство форм энергии.

Целесообразность покупки для дома

Как видим, ветровой генератор – достаточно дорогое удовольствие. Его стоит устанавливать только в том случае, когда:

  • имеется подходящая местность;
  • в регионе преобладают сильные ветра;
  • нет другого альтернативного источника электричества.

В других случаях ветряные электростанции не дадут желаемого результата, став лишней тратой немалых денег. Наиболее оптимальным считается вариант комплиментации генераторов. К примеру, их использование является единственным источником энергии в регионе, а продолжительность ветренных дней минимальна. Для этого используют дизельные или бензиновые генераторы в качестве основного источника электричества, а ветряными пользуются только тогда, когда это позволяет стихия (в качестве переменного источника питания). Солнечные батареи также идеальны для тандема получения электричества альтернативным способом.

Также ветрогенераторам можно выделить определенную роль, к примеру, выполнять функцию отопления. Накопленная незначительная мощность вполне способна нагреть батареи, экономя при этом деньги.

Выбор размера ветряка

Подбирать размер этой установки нужно исходя из желаемого количества электроэнергии и скорости ветра, а также его плотности, в вашем регионе. Сразу нужно уточнить что расчет мощности будет производится для ветрогенератора заводского изготовления, не сделанного своими руками из подручных деталей.

Количество необходимой электроэнергии вы можете постучать по счетам за последний год или взять произвольное (желаемое) количество.

Скорость и плотность ветра можно найти в сети, например на сайте метеослужбы. Указывать какие то цифры в этой статье я не будут, так как регионов много и климат очень быстро меняется в последние годы.

Существует несколько формул

1. Самая простая и понятная среднестатистическому человеку, однако полученные данные могут иметь определенную погрешность. По ней можно рассчитать кинетический ветрогенератор с горизонтальным валом:

AEO = 1.64 * D*D * V*V*V

Где:

  • AEO — электроэнергия, которую вы хотите получить за год.
  • D — диаметр ротора, который обозначается в метрах.
  • V — среднегодовая скорость ветра, обозначается в м/сек.

2. Более сложная формула, которую используют для своих расчетов компании, занимающиеся продажей и установкой такого оборудования на профессиональном уровне.

P = V3 * ρ * S

Где:

  • V – скорость ветра в метрах в секунду.
  • ρ – плотность воздуха, единица измерения – кг/м3
  • S – площадь лопастей, на которую дует воздушный поток, единица измерения – м2 (нужно смотреть по тех. описанию производителя).
  • P – Количество кВт, которое можно получить.

Пример расчета P = 53 * 1,25 * 33 = 5156 Вт

Эффективность выработки электроэнергии напрямую зависит от диаметра лопастей ротора, посмотреть примерную производительность можно по таблице ниже.

В этой таблице указаны примерные данные, которые можно получить в зависимости от диаметра ротора, высоты установки ветрогенератора и скорости ветра.

Максимальная вырабатываемая мощность, кВтДиаметр ротора, мВысота мачты, мСкорость ветра м/с
0,552,568
2,63,299
6,56,41210
11,281210
22101812

3. В случаи с вертикальным ротором (осью) расчеты необходимо производить по другой формуле.

P=0.6*S*V^3

Где:

  • P– мощность Ватт
  • S– рабочая площадь лопастей кв.м.
  • V^3– Скорость ветра в кубе м/с

Более сложная, но более точная формула

P*= krV 3S/2, .

Где:

  • r — плотность воздуха,
  • V — скорость потока в м/с.
  • S — площадь потока в квадратных метрах
  • k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

При выборе ветряки необходимо смотреть на рекомендуемую производителем скорость ветра. Как правило, установки для частного использования, имеют такой диапазон: 2-11 М в секунду.

Способы преобразования энергии

Исследование инновационных технологий в области авиационных ветряных турбин показывает, что наиболее распространенный тип AWT типа «воздушный змей» имеет широкие возможности для развития в будущем; на его долю приходилось около 44% всей переносимой по воздуху энергии ветра в 2008–2012 гг. AWT типа воздушного змея извлекают энергию с помощью ветряных турбин, подвешенных на большой высоте, с помощью воздушных змеев, таких как многосвязный воздушный змей, воздушный змей и круговой вентилятор двойного назначения, воздушные змеи с поворотным крылом и т.

Положение электрогенератора в системе HAWP

Производство электроэнергии — это лишь один из вариантов получения механической энергии; однако этот вариант преобладает в центре внимания профессионалов, стремящихся поставлять большие объемы энергии для коммерческих и коммунальных предприятий. Длинный набор дополнительных опций включает буксировку водяных турбин , откачку воды или сжатие воздуха или водорода. Расположение электрогенератора — отличительная черта среди систем. Управлять генератором в воздухе можно разными способами. Размещение генератора в районе швартовки — еще один крупный вариант дизайна. Вариант в одной системе с генератором на высоте и на наземной станции использовался, когда небольшой генератор управляет электронными устройствами на высоте, в то время как наземный генератор является большим рабочим, производящим электричество для значительных нагрузок.

Генератор карусели

Конфигурация «Карусель»: несколько воздушных змеев летают на постоянной высоте и на большей высоте, приводя во вращение генератор, который движется по широкой круговой направляющей. Для большой карусельной системы полученная мощность может быть рассчитана порядка ГВт, используя закон, который рассматривает достижимую мощность как функцию диаметра, возведенного в пятую степень, в то время как приращение стоимости генератора является линейным.

HAWP на базе аэростата

Один из методов поддержания работоспособности систем HAWP в воздухе — это использование плавучих аэростатов, независимо от того, поднимается ли электрический генератор или остается на земле. Аэростаты обычно, но не всегда, имеют форму, обеспечивающую эффект кайтинга. Пополнение утечки подъемного газа требует различных решений. В случае продуктивного ветра аэростаты обычно сдуваются аэродинамическим сопротивлением, прилагаемым к широкой и неизбежной поверхности Рейнольдса, что исключает их де-факто из категории HAWP.

  • Аэростат Magenn представляет собой ветряную турбину с вертикальной осью, которая удерживается горизонтальной осью за счет ограничения поперечного сечения оси ветру, так что подъемная сила с эффектом Магнуса получается во время авторотации; электричество вырабатывается с помощью генераторов конечных узлов.
  • LTA Windpower PowerShip использует подъемную силу как от аэростата, так и от крыльев. Он имеет плавучесть, близкую к нейтральной, и не требует лебедки. Мощность вырабатывается турбинами с пропеллерами на задней кромке крыльев. Система предназначена для взлета и посадки без присмотра.
  • Airbine предлагает поднимать ветряные турбины в воздух с помощью аэростатов; электричество вернется к заземляющим нагрузкам посредством проводящего троса.
  • Силовая турбина дирижабля, созданная Уильямом Дж. Мутоном-младшим и Дэвидом Ф. Томпсоном. Их система интегрировала турбину в центральную часть почти тороидального аэростата, как если бы турбина была помещена в отверстие аэростата.
  • Система HAWE разработана на основе идеи Тьяго Пардала. Эта система состоит из цикла откачки, аналогичного таковому в кайт-системах. В фазе генерации тяговое усилие увеличивается в 5–10 раз за счет эффекта Магнуса вращающегося цилиндра (воздушной платформы). Как и в случае с воздушным змеем, тяговое усилие, создаваемое воздушной платформой, разматывает кабель и вырабатывает электричество на земле. На этапе восстановления он перематывает кабель без эффекта Магнуса на подъемной платформе.

Работа системы торможения

При высокой скорости воздушного потока ветровые электростанции могут выйти из строя. Чтобы этого не случилось, в конструкции применяется тормозная система. В ней используется сила действия вращающихся магнитов ротора. Они не только индуцируют ток в обмотках статора, но и в определенной ситуации замедляют движение вала. С этой целью требуется создать короткое замыкание, вызывающее противодействие и замедляющее вращение.

Автоматическое торможение наступает при скорости ветра свыше 50 км/ч. Если скорость возрастает до 80 км/ч, в этом случае происходит полная остановка лопастей. Конструкция турбины позволяет максимально эффективно использовать энергию ветра и путем двойного преобразования энергии получать электрический ток. Наличие аккумуляторной батареи дает возможность использовать электроприборы при полном отсутствии ветра.

Некоторые конструкции установок оборудованы ветровым датчиком, собирающим информацию о параметрах воздушного потока. В конечном итоге мощность ветровой установки на выходе будет зависеть от мощности подключенного инвертора. Исходя из этого показателя определяется и максимально возможное количество подключаемых приборов. С целью увеличения выходной мощности установки, рекомендуется параллельное подключение сразу нескольких инверторов. В трехфазных системах на каждую фазу устанавливается собственный инвертор.

Как работает ветрогенератор?

При прохождении ветра через турбину, лопасти за счет кинетической энергии ветра начинают вращаться. Это приводит во вращение внутренний вал, который соединен с редуктором, увеличивающим скорость вращения и подключенным к генератору, который осуществляет выработку электроэнергии. Чаще всего ветряные турбины состоят из стальной полой мачты, высота которой может достигать 100 м, ротора турбины, лопастей, оси генератора, редуктора, генератора, инвертора и аккумулятора. Часто ветрогенераторы оснащаются оборудованием оценки и автоматического поворота в направлении ветра, а также могут изменять угол или «шаг» лопастей для оптимизации использования энергии.

Типы ветрогенераторов

Современные ветровые турбины делятся на две основные группы;

  • с горизонтальной осью вращения, как в традиционных ветряных мельницах, используемых для откачки воды;
  • с вертикальной осью вращения, это роторные и лопастные конструкции Дарье.

Большинство современных ветрогенераторов имеют горизонтальную ось вращения турбины.

Обычно они состоят из:

  • мачты полой внутри, сделанной из металла или бетона;
  • гондолы, которая крепится наверху мачты и в которой находятся валы, редуктор, генератор, котроллер и тормоз;
  • ротора, в который входят лопасти и ступица;
  • низкоскоростного вала, который приводится в движение ротором;
  • высокоскоростного вала, который подсоединен к генератору;
  • редуктора, которые механически соединяет низкоскоростной и высокоскоростной вал, увеличивая скорость вращения последнего;
  • генератора, который вырабатывает электроэнергию;
  • контроллера, который управляет работой ветрогенератора;
  • флюгера, который определяет направление ветра и ориентирует турбину в необходимом направлении;
  • анемометра, который определяет скорость ветра и передает данные контроллеру;
  • тормоза, для остановки ротора в критических ситуациях.

Производители

Отечественные производители ветрогенераторов, которые закрепились на рынке и зарекомендовали себя с лучшей стороны:

  • «Ветро-Свет»;
  • «Rkraft»;
  • «СКБ Искра»;
  • «Сапсан-Энергия»;
  • «Ветроэнергетика».

Эти организации не только производят изготовление по индивидуальному заказу, но и предоставляют услуги по расчету и проектированию ветровых электростанций на любой вкус, выбрать наиболее подходящее оборудование, основываясь на личных замерах, расчетах и показателях желаемой мощности.

Среди зарубежных производителей особой популярностью пользуются модели следующих производителей:

  • Китай: Ming Yang, Sinovel, Goldwind;
  • Дания: Vestas;
  • Испания: Gamesa;
  • Индия: Suzion;
  • США: GE Energy;
  • Германия: Siemens, Enercon.

Зарубежные производители отличаются повышенным уровнем качества, который достигается за счет наличия высокотехнологического оборудования. Однако, установка таких электростанций предполагает наличие дорогостоящего ремонта, запчастей для которого в отечественных магазинах не найти.

Интересное мнение: профессор Довиденко рассказывает, почему в России не торопятся строить ветрогенераторы

https://youtube.com/watch?v=YWvLebcdP28

Расчёт и эффективность ветрогенератора

Ветер – это штука непостоянная и сильно зависит от окружающей среды. Один день может быть ураган, а в другой затишье. Так, что перед покупкой ветрогенератора для дачи или дома нужно тщательно изучить среднегодовую скорость ветра в своём регионе. Примерно эту величину можно посмотреть на карте ниже.

Среднегодовая скорость ветра в России

Если значение среднегодовой скорости ветра в вашей местности менее 4 метров в секунду, то не имеет смысла приобретать ветряную установку. Она не окупится. Если ветер достаточен для развёртывания ветрогенератора, то далее нужно подобрать мощность генератора. Для начала нужно определить среднее потребление электричества на одну семью. Обычно это значение лежит в пределах 100-300 кВт за месяц. Если в вашем регионе среднегодовая скорость ветра 5-8 метров в секунду, то это потребление может компенсировать ветрогенератор мощностью до 3 киловатт. Зимой ветер сильнее, а значит, и выработка электричества в этот период будет выше. Цена ветряной установки изменяется в широких пределах и сильно зависит от конструкции ветрогенератора и используемых дополнительных компонентов системы.

Если ветряк мощный, то потребуется монтаж с использованием крана. Поэтому, когда планируется ветрогенератор для дома, возведения мачты стараются избегать. При ограниченном бюджете выбор делается в пользу устройство с вертикальным расположением оси ротора. Такие модели работают на небольшой высоте без мачты при небольшой скорости ветра. В настоящее время специалисты ещё не делают однозначных выводов об их эффективности, поскольку они появились не так давно. С уверенностью можно сказать только о том, что вертикальные ветрогенераторы стоят дешевле, издают меньше шума, но вырабатывают меньше электричества.

Вертикальный ветрогенератор

Инвертор может быть расположен в помещении. Там же ставятся аккумуляторы, автоматические переключатели и другое оборудование, необходимое для перераспределения электрической энергии от ветряного генератора.

Как можно оценить электроэнергию, которую вырабатывает ветрогенератор в течение года. Есть эмпирическая формула для устройств с горизонтальным ротором:

E = 1.64 * D2 * V3

В этой формуле:

E — это годовая выработка электроэнергии в кВт;

D — диаметр лопастей ротора, метры;

V — среднегодовая скорость ветра, метров в секунду.

Примерный срок службы ветрогенератора равен 25-30 лет. Подставляя в эту формулу требуемую для вашего дома выработку электроэнергии и среднегодовую скорость ветра в вашем регионе, вы сможете вычислить диаметр лопастей ротора.

В принципе мачту для ветряка можно изготовить своими руками. А вот электрооборудование лучше приобретать фабричного производства. Но многие умельцы самостоятельно собирают ветряные установки их отработавшей техники. Для этого в ход идут автомобильные генераторы, различные промышленные электродвигатели и т. п. Также своими руками изготавливают оперение «хвостовика» и лопасти для ротора. Сейчас на эту тему в интернете можно найти большое количество инструкций и схем. В результате можно сэкономить на сборке ветрогенератора. Однако нужно понимать, что самодельная установка всегда будет менее надёжна, чем фабричная. И КПД также будет меньше заводской.

Горизонтальный ветрогенератор

Стоит также отметить, что при увеличении диаметра лопастей и мощности генератора растёт выработка электроэнергии. Но при этом также возрастает стоимость оборудования. Поэтому нужно планировать установку под требуемую вам генерируемую мощность, чтобы не переплачивать. По различным оценкам цена ветрогенератора обходится примерно в 2-8 тысяч американских долларов за 1 киловатт электричества. В тех домах или на дачах, где не подключено электричество, такая ветряная установка выглядит оправданно. Она обойдётся дешевле, чем подключение энергоснабжения. По эксплуатационным расходам «ветряк» выглядит лучше, чем дизельный или бензиновый генератор.

В некоторых промышленных ветрогенераторах большой мощности вырабатываемое электричество стоит дешевле, чем на ТЭС. Если ветрогенератор небольшой мощности, то себестоимость киловатта электроэнергии на нём выше, чем в случае традиционных источников энергии.

[su_youtube url=»https://www.youtube.com/embed/eCUZv67ofuY»]

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации