Вопрос ветроэнергетики в наше инновационное время интересует очень многих. Те, кто хоть раз посещал Европейские страны на своем авто, наверняка видели огромные ветропарки.
Сотни генераторов встречаются по пути.

Наблюдая такую картину, многие начинают верить, что получение эл.энергии при помощи ветра, весьма перспективное и выгодное занятие. Мудрые европейцы ошибаться то не могут.

При этом, почему-то игнорируется факт, что в других местах той же Европы, подобных ветроэлектростанций практически нет. С чего бы это?
Вот именно об этом, когда, где и как ветряки использовать выгодно, а когда нет, и пойдет речь в статье.

Автономность

Наверняка после очередного подорожания электроэнергии, вы задумывались об установке у себя на участке ветрогенератора. Тем самым, обеспечив если не всю, то большую часть своих потребностей в электричестве.

Некоторые даже подумывают таким образом стать независимыми от электросетей. Насколько это реально и возможно? К сожалению, для 90% владельцев частных домов, эти мечты так и останутся мечтами.

И дабы вы не тратили понапрасну свои деньги, расскажем с выкладкой всех цифр, почему это именно так.

Скорость ветра

К сожалению, в нашей стране не так много регионов, где скорость ветра находится хотя бы на уровне 5-7 метров в секунду. Берутся данные в среднем за год. В подавляющем большинстве широт, пригодных для проживания, эта самая скорость равняется максимум 2-4 м/с.

Это говорит о том, что ваша ветроустановка большую часть времени, элементарно не будет работать. Для стабильной выработки электричества, ей нужен ветер около 10 м/с.

Если в вашем районе ветер 7м/с, то генератор будет работать максимум на 50% от своего номинала. А если всего 2м/с, то и вовсе на 5%.

Фактически за час, 2квт генератор подарит вам не более 100Вт.

Еще вы столкнетесь с другой проблемой ветра, о которой умалчивают производители. Около земли, его скорость гораздо меньше чем наверху, там где ставятся промышленные установки высотой 25-30м.

Вы же свой агрегат будете монтировать максимум на десяти метрах. Поэтому даже не ориентируйтесь на таблицы ветров с разных сайтов. Эти данные вам не подходят.

Производители скромно умалчивают, что для их карт ветроресурсов, замеры производятся на высоте от 50 до 70 метров! К тому же там не учтены данные по турбулентности, завихрениям.

Попробуете задрать повыше чем 10м, обязательно задумаетесь о молниезащите. Наэлектризованные трением воздуха лопасти, очень вкусная приманка для разрядов!

К тому же, почему-то все беспокоятся только о таком параметре, как скорость ветра, и при этом забывают про его плотность или давление. А разница для энергетики весьма существенная. Зависимость выработки электроэнергии от давления ветра непропорциональная.

Так, при увеличении давления ветра в два раза, генерируемая мощность возрастает в восемь раз!

Кроме того, есть определенное лукавство в указанных технических характеристиках генераторов.

Верить им конечно можно, но только для идеальных условий. Потому что:

• и в ламинарном потоке при неизменном направлении и повышенной плотности

У вас же на дачном участке скорость ветра может быть такой, что не получится и вал прокрутить, не то что вырабатывать энергию.

И это весной или осенью. Именно в этот период происходят наиболее активные перемещения воздушных масс.

Не забывайте, что ветряк работает не в режиме холостого хода вертушки, а должен раскрутить ротор генератора в окружении неодимовых магнитов.

И это только до тех пор, пока электрический потенциал ветряка ниже напряжения АКБ. При достижении напряжения достаточного для начала заряда, аккумулятор превращается в нагрузку.

Если применить тихоходные конструкции с вертикальной осью вращения, то здесь уже присутствует повышающий редуктор. Вы пытались раскрутить повышающий редуктор? Такая конструкция усложняется, увеличивается вес, парусность, стоимость.

Даже на маяках Северного флота, учитывая там постоянные ветра и полярную ночь, специалисты предпочитают использовать солнечные батареи. На вопрос почему так, отвечают по-простому – проблем меньше!

Аккумуляторные батареи для ветряков

Большие промышленные ветротурбины могут передавать энергию напрямую в сеть, минуя всякие аккумуляторы.

А вот вы без них обойтись никак не сможете. Без АКБ не будет работать ни телевизор, ни холодильник. Даже освещение будет светить урывками, в зависимости от порывов ветра.

При этом за 12-15 лет работы генератора, вы обязаны будете сменить 3-4 комплекта АКБ, тем самым вдвое увеличив свои начальные расходы. Причем мы берем чуть ли не идеальный вариант, когда аккумуляторы будут разряжаться не больше половины от своей емкости.

Конечно вы можете купить дешевые модели АКБ, но затраты от этого не станут меньше. Просто поход в магазин за новыми батареями будет осуществлен не 4 раза, а уже 8.

Где лучше установить

Еще о чем стоит серьезно задуматься - это наличие свободного места. Причем по площади оно может уходить на 100 и более метров в каждую сторону от мачты.

Ветер должен свободно гулять по лопастям, и без помех их достигать со всех сторон. Получается, что вы должны проживать либо в степи, либо возле моря (лучше непосредственно на его берегу).

Идеальное место будет на вершине холма. Где с позиции аэродинамики, воздушный поток уплотняется с соответствующим увеличением скорости и давления ветра.

О соседях рядом забудьте. Их сады и двух-трехэтажные особняки, здорово “попьют вашу кровушку”, каждый раз перекрывая попутный ветерок. Также как и соседние лесопосадки.

Те же самые промышленные ветряки, не располагают непосредственно друг за другом, а монтируют их по диагонали. Каждый последующий, не должен закрывать предыдущий.

Цена за 1квт мощности

4-я причина – высокая цена. Не ведитесь на цены продавцов в прайс листах. В них никогда не показывается реальная стоимость всего необходимого оборудования.
Поэтому цены всегда умножайте на 2, даже при выборе так называемых готовых комплектов.

Но и это еще не все. Не забудьте про эксплуатационные расходы, доходящие до 70% от стоимости ветряков. Попробуйте поремонтировать генератор на высоте, либо каждый раз демонтировать и разбирать-собирать мачту.

Еще не забудьте про периодическую замену АКБ. Поэтому не рассчитывайте, что ветряк может вам обойтись в 1 доллар за 1квт эл.энергии.

Когда вы посчитаете все реальные затраты, окажется что каждый киловатт мощности такого ветрогенератора, обошелся вам минимум в 5 баксов.

Срок окупаемости и расчет экономии

Пятая причина, неразрывно связана с первыми четырьмя. Это срок окупаемости затрат.

Для вашей индивидуальной ветровой установки этот срок – НИКОГДА.

Стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для 2-х киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. И это при хороших погодных условиях.

Даже осадки снижают мощность ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Вот и получается вся ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч.

Но если вспомнить начальные траты в 200тыс., то вернете вы их через тридцать два года!

И все это без учета эксплуатационных затрат. А если прикинуть, что средний срок службы хорошего ветряка – около 20лет, то получается, что он окончательно и безвозвратно поломается еще до того, как выйдет на окупаемость.

При этом, 2-х киловаттный агрегат не будет закрывать на 100% ваши потребности. Максимум на треть! Если захотите целиком все подключить от него, то берите 10-ти киловаттную модель, не меньше. Срок окупаемости от этого не изменится.

Но тут уже будут совсем другие габариты и масса.

И закрепить его просто так на трубе через чердак своей крыши, точно не получится.

Однако некоторые все равно убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, по любому станет выгоден.

Когда стоит покупать ветряк

Безусловно, электроэнергия с каждым годом дорожает. К примеру 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Давайте проведем примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества.

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Как мы уже выяснили ранее, стоимость такой модели около 200тысяч. Но с учетом всех доп.расходов, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэфф. установленной мощности (он для маленьких ветряков не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите 75квт.

Даже если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. Если и предположить что электричество от ТЭС подорожает в 4 раза, то случится такое не завтра, и даже не через 5 лет.

Какие ветряки выбирать

Ну а тем, кто живет далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, стоит приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Так как от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Другая категория потребителей, вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а наоборот, предпочитает самодельные ветряки от мастеров самоучек. Свои выгоды в этом тоже имеются.

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. И практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку, если что-то пошло не так, или ее нужно подремонтировать. С этим проблем уж точно не будет.

У промышленных китайский ветряков, внешний вид конечно посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

Птенцы иногда попадают под раздачу крутящейся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

А закончить хотелось бы мудростью от тех пользователей, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами. Запомните, самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор!

Неуклонное истощение природных ресурсов приводит к тому, что в последнее время человечество занято поиском альтернативных источников энергии. На сегодняшний день известно достаточно большое количество видов альтернативной энергетики, одним из которых является использование силы ветра.

Энергия ветра применялась людьми с древности, например, в работе ветряных мельниц. Самый первый ветрогенератор (ветряная турбина), который служил для производства электричества, был построен в Дании в 1890 г. Такие устройства стали применяться в тех случаях, когда требовалось обеспечить электроэнергией какой-либо труднодоступный район.

Принцип действия ветрогенератора:

• Ветер вращает колесо с лопастями, которое передает крутящий момент на вал генератора через редуктор.
• Инвертор выполняет задачу преобразования полученного постоянного электрического тока в переменный.
• Аккумулятор предусмотрен для подачи в сеть напряжения при отсутствии ветра.

Мощность ВЭУ находится в прямой зависимости от диаметра ветроколеса, высоты мачты и силы ветра. В настоящее время производятся ветрогенераторы, диаметр лопастей которых от 0,75 до 60 м и более. Самая маленькая из всех современных ВЭУ – G-60. Диаметр ротора, имеющего пять лопастей, всего 0,75 м, при скорости ветра 3-10 м/с она может вырабатывать мощность 60 Вт, вес ее составляет 9 кг. Такая установка с успехом применяется для освещения, зарядки батарей и работы средств связи.

Все ветряные генераторы могут быть классифицированы по нескольким принципам:

• Оси вращения.
• Количеству лопастей.
• Материалу, из которого выполнены лопасти.
• Шагу винта.

Классификация по оси вращения:

• Горизонтальные.
• Вертикальные.

Наибольшую популярность получили горизонтальные ветрогенераторы, ось вращения турбины которых расположена параллельно земле. Этот тип получил название «ветряной мельницы», лопасти которой вращаются против ветра. Конструкция горизонтальных ветрогенераторов предусматривает автоматический поворот головной части (в поисках ветра), а также поворот лопастей, для использования ветра небольшой силы.

Вертикальные ветрогенераторы гораздо менее эффективны. Лопасти такой турбины вращаются параллельно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Так как при любом направлении ветра половина лопастей ветроколеса всегда вращается против него, ветряк теряет половину своей мощности, что значительно снижает энергоэффективность установки. Однако ВЭУ такого типа проще в установке и обслуживании, поскольку ее редуктор и генератор размещаются на земле. Недостатками вертикального генератора являются: дорогостоящий монтаж, значительные эксплуатационные затраты, а также то, что для установки такой ВЭУ требуется немало места.

Ветрогенераторы горизонтального типа больше подходят для производства электроэнергии в промышленных масштабах, их используют в случае создания системы ветряных электростанций. Вертикальные часто применяют для потребностей небольших частных хозяйств.

Классификация по количеству лопастей:

• Двухлопастные.
• Трехлопастные.
• Многолопастные (50 и более лопастей).

По количеству лопастей все установки делятся на двух- и трех- и многолопастные (50 и более лопастей). Для выработки необходимого количества электроэнергии требуется не факт вращения, а выход на необходимое количество оборотов.

Каждая лопасть (дополнительная) увеличивает общее сопротивление ветрового колеса, что делает выход на рабочие обороты генератора более сложным. Таким образом, многолопастные установки действительно начинают вращаться при меньших скоростях ветра, однако они применяются в том случае, когда имеет значение сам факт вращения, как, например, при перекачке воды. Для выработки электроэнергии ветрогенераторы с большим количеством лопастей практически не применяются. К тому же на них не рекомендуется установка редуктора, потому что это усложняет конструкцию, а также делает ее менее надежной.

Классификация по материалам лопастей:

• Ветрогенераторы с жесткими лопастями.
• Парусные ветрогенераторы.

Следует отметить, что парусные лопасти значительно проще в изготовлении, а потому менее затратны, нежели жесткие металлические или стеклопластиковые. Однако подобная экономия может обернуться непредвиденными расходами. Если диаметр ветроколеса составляет 3 м, то при оборотах генератора 400-600 об/мин кончик лопасти достигает скорости 500 км/ч. С учетом того обстоятельства, что в воздухе содержится песок и пыль, этот факт является серьезным испытанием даже для жестких лопастей, которые в условиях стабильной эксплуатации требуют ежегодной замены антикоррозийной пленки, нанесенной на концы лопастей. Если не обновлять антикоррозионную пленку, то жесткая лопасть постепенно начнет терять свои рабочие характеристики.

Лопасти парусного типа требуют замены не раз в год, а непосредственно после возникновения первого серьезного ветра. Поэтому автономное электроснабжение, требующее значительной надежности компонентов системы, не рассматривает применение лопастей парусного типа.

Классификация по шагу винта:

• Фиксированный шаг винта.
• Изменяемый шаг винта.

Безусловно, изменяемый шаг винта увеличивает диапазон эффективных рабочих скоростей ветрогенератора. Однако внедрение данного механизма ведет к усложнению лопастной конструкции, к увеличению веса ветрового колеса, а также снижает общую надежность ВЭУ. Следствием этого является необходимость усиления конструкции, что приводит к значительному удорожанию системы не только при приобретении, но и при эксплуатации.

Современные ветрогенераторы представляют собой высокотехнологичные изделия, мощность которых составляет от 100 до 6 МВт. ВЭУ инновационных конструкций позволяют экономически эффективно использовать энергию самого слабого ветра – от 2 м/с. При помощи ветрогенераторов сегодня можно с успехом решать задачи по электроснабжению островных или локальных объектов любой мощности.

Ветровые турбины

Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения . В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них – высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух – четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра – всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра – диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) – механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре – снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления – почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом – противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт – ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный – около 52 %. Мощность промышленного аппарата – 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора – от 30 до 50 Дб).

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость – 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость – 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея – сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект – ветрогенератор Mobile Wind Turbine – разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) . Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Типы ветродвигателей

Региональный центр энергоэффективности Крымского федерального университета имени В.И.Вернадского. Центр компетенций в области энергосбережения

Для привода ветрового генератора изготовлена турбина роторного типа с вертикальной осью вращения. Этот тип ротора очень прочен и долговечен, имеет относительно небольшую скорость вращения и легко может быть изготовлен в домашних условиях, без канители с аэродинамическим профилем крыла и другими проблемами, связанными с изготовлением рабочего винта для ветрогенератора с горизонтальной осью вращения. Более того, такая турбина работает практически бесшумно и вне зависимости от того, куда дует ветер. Работа практически не зависит от турбулентности и частой смены силы и направления ветра. Для турбины характерны высокие пусковые крутящие моменты, работа при относительно низких скоростях. Эффективность этой турбины небольшая, но для питания устройств небольшой мощности этого достаточно, все окупается простотой и надежностью конструкции.

Электрогенератор

В качестве генератора используется доработанный компактный автомобильный стартер на постоянных магнитах. Выходные данные генератора: переменный ток мощностью 1,0…6,5 вт (в зависимости от скорости ветра).
Вариант переделки стартера в генератор описан в статье:

Изготовление турбины ветрогенератора

Эта ветровая турбина практически ничего не стоит и проста в изготовлении.
Конструкция турбины состоит из двух или более полуцилиндров установленных на вертикальном валу. Ротор вращается за счет различного сопротивления ветру каждой из лопастей, повернутых к ветру с различной кривизной. Эффективность ротора несколько повышается за счет центрального зазора между лопастями, так как некоторое количество воздуха дополнительно воздействует на вторую лопасть при выходе из первой.

Генератор закрепляется на стойке за выходной вал, через который выходит провод с полученным током. Такая конструкция позволяет исключить скользящий контакт для съема тока. Ротор турбины устанавливается на корпус генератора и фиксируется на свободные концы монтажных шпилек.

Из алюминиевого листа толщиной 1,5 мм вырезается диск диаметром 280…330 мм или квадратная пластина, вписанная в этот диаметр.

Относительно центра диска размечаются и сверлятся пять отверстий (одно в центре и 4 по углам пластины) для установки лопастей и два отверстия (симметричные центральному) для закрепления турбины на генератор.

В отверстия, расположенные по углам пластины, устанавливаются небольшие уголки из алюминия, толщиной 1,0…1,5 мм, для закрепления лопастей.

Лопасти турбины изготовим из консервной банки диаметром 160 мм и высотой 160 мм. Банка разрезается вдоль оси пополам, в результате чего получаются две одинаковые лопасти. Края банки после разреза, на ширине 3…5 мм, загнуты на 180 градусов и обжаты для усиления края и исключения острых режущих кромок.

Обе лопасти турбины, со стороны открытой части банки, соединены между собой П-образной перемычкой с отверстием посередине. Перемычка образует зазор шириной 32 мм, между центральной частью лопастей, для повышения эффективности работы ротора.

С противоположной стороны банки (у дна), лопасти соединены между собой перемычкой минимальной длины. При этом зазор шириной 32 мм сохраняется на всей длине лопасти.

Собранный блок лопастей устанавливается и крепится на диск в трех точках - за центральное отверстие перемычки и установленные ранее алюминиевые уголки. Лопасти турбины закрепляются на пластине строго одна против другой.

Для соединения всех деталей можно использовать заклепки, саморезы, винтовое соединение М3 или М4, уголки или применить другие способы.

В отверстия, с другой стороны диска, устанавливается генератор и фиксируется гайками на свободные концы монтажных шпилек.

Для надежного самозапуска ветрогенератора необходимо добавить в турбину второй аналогичный ярус лопастей. При этом лопасти второго яруса смещаются по оси относительно лопастей первого яруса на угол 90 градусов. В итоге получится четырехлопастной ротор. Это гарантирует, что всегда есть, по крайней мере, одна лопасть, которая в состоянии поймать ветер и дать турбине толчок для вращения.

Для уменьшения размеров ветрогенератора, второй ярус лопастей турбины можно изготовить и закрепить вокруг генератора. Изготовим две лопасти шириной 100 мм (высота генератора), длиной 240 мм (аналогично длине лопасти первого яруса) из алюминиевого листа толщиной 1,0 мм. Лопасти изогнем по радиусу 80 мм, аналогично лопастей первого яруса.

Каждая лопасть второго (нижнего) яруса закрепляется с помощью двух уголков.
Один установлен в свободное отверстие на периферии диска, аналогично креплению лопастей верхнего яруса, но со сдвигом на угол 90 градусов. Второй уголок закрепляется на шпильку устанавливаемого генератора. На фото, для наглядности крепления лопастей нижнего яруса, генератор снят.

Если в настоящее время существует множество более продвинутых способов получения энергии, то раньше практически всюду использовались ветровые турбины. Конечно, они используются и сейчас, но число значительно сократилось. Чтобы понять принцип их работы, важно знать, что ветер - это форма солнечной энергии.

Общее описание

Ветровые турбины работают, используя потоки ветра. Но почему именно ветер способен дать электроэнергию? Это явление возникает из-за того, что происходит неравномерный нагрев атмосферы земли, структура поверхности планеты нерегулярна, а также потому, что она вращается. Ветровые турбины, или ветрогенераторы, способны преобразовать кинетическую механическую, которую впоследствии можно использовать для некоторых других задач.

Как именно эти устройства производят электрическую энергию, используя обычный ветер? На самом деле все довольно просто. Принцип работы такой турбины прямо противоположен работе вентилятора. Под действием силы ветра, у ветровой турбины поворачиваются лопасти, которые, в свою очередь, заставляют вращаться вал, соединенный с генератором, производящим электрическую энергию.

Типы турбин

Существует несколько типов разнообразных турбин. Инженеры выделяют две основные категории, использующиеся в данное время. Первая категория - горизонтально-осевые, а вторая категория - вертикально-осевые. Первый вид ветровых турбин имеет самую обычную конструкцию, включающую в себя две или три лопасти. Агрегаты с тремя лопастями работают по принципу "против ветра". Сами же элементы установлены так, что смотрят на ветер.

Одна из наиболее крупных турбин во всем мире - это GE Wind Energy. Мощность этого устройства - 3,6 мегаватта. Тут стоит отметить, что чем больше турбина, тем она эффективнее. К тому же соотношение пользы и цены также улучшается с увеличением размера агрегата.

Общие показатели турбин

Первый показатель, по которому выбирается устройство, - это мощность. Если брать "сервисные" турбины, то их мощность может начинаться от 100 кВт и достигать нескольких мВт. Также важно отметить, что и вертикальные ветровые турбины, и горизонтальные могут быть собраны в группы. Такие группы чаще всего называют ветряными фермами. Предназначение таких участков - это оптовая поставка электроэнергии к нужному объекту.

Если говорить о небольших одиночных турбинах, мощность которых ниже чем 100 кВт, то используются они чаще всего для снабжения электричеством частных домов, телекоммуникационных антенн или же для подачи энергии на водоперекачивающие насосы. Стоит отметить, что небольшие по своим размерам турбины также могут использоваться в комплекте с аккумуляторами или солнечными батареями. Такая система получила название гибридной. Используются они в тех местах, где нет другой возможности для подключения к электрической сети.

Преимущества вертикальных турбин

В настоящее время намного чаще используется именно вертикальный тип устройств. Это обосновано тем, что вертикальный тип обладает рядом преимуществ перед горизонтальными.

На вышки вертикального типа нагрузка будет действовать более равномерно, что дает такую возможность, как более простое создание большей, по своим габаритам, конструкции. К тому же для установки ротора на такой тип турбины нет необходимости в дополнительном оборудовании. Важным преимуществом, повышающим эффективность работы, стало то, что лопасти вертикальных турбин можно сделать закрученными - в виде спирали. Это очень важно, так как в этом случае энергия ветра будет воздействовать на них и на входе, и на выходе, что, конечно же, увеличивает эффективность установки.

Одним из важнейших преимуществ вертикальных турбин стало то, что при их установке нет смысла в настройке оси на поток ветра. Такой тип устройств будет работать при потоке ветра, дующем с любой из сторон.

Ветровая роторная турбина Болотова

Данная установка выделяется на фоне остальных устройств. Для нормальной работы турбины нет нужды в приспособлении ее к разного рода погодным условиям. Ветросиловой элемент этой конструкции способен воспринимать ветер с любой из сторон, без проведения каких-либо настроечных операций. К тому же такой тип станции не требует поворота башни при изменении направления ветра. Еще одно преимущество вертикальных ветровых турбин (VAWT - ветроэлектростанция с вертикально расположенным валом генератора) в том, что они обладают специальной конструкцией, позволяющей работать с ветряными потоками любой мощности. Возможна работа даже при штормовых порывах. Есть возможность выбора количества установочных модулей. От их количества будет зависеть выходная мощность турбины. То есть, изменяя количество модулей, можно изменять мощность агрегата, что очень удобно. Еще одно из преимуществ заключается в том, что ветросиловой элемент конструкции собран таким образом, что позволяет проводить преобразование с высоким КПД кинетической энергии в механическую.

Размеры ветровой турбины Бирюкова и Блинова

Данное устройство обладает двухэтажным ротором с диаметром 0,75 м. Высота этого элемента - 2 м. При действии свежего ветра, такой ротор был способен полностью раскрутить ротор асинхронного вала с мощностью до 1,2 кВт. Турбина могла выдерживать силу ветра без поломок до 30 м/с.

Стоит рассказать о том, почему ветровая установка считается достижением двух ученых. Все дело в том, что в 60-х гг. в СССР ученый Бирюков запатентовал карусельный с КИЭВ 46%. Однако несколько позже инженер Блинов смог использовать ту же самую конструкцию, но уже с показателем 58% КИЭВ.

Турбины гиперболоидного вида

В основу ветровых турбин гиперболоидного типа легли идеи такого инженера, как Шухов Владимир Григорьевич.

К особенностям этого типа турбины можно отнести то, что она обладает большей рабочей зоной ветрового потока. Если сравнивать этот показатель с другими категориями устройств, то гиперболоидный тип показывает результаты на 7-8% лучше, если считать от ометаемой площади. Этот показатель справедлив для тех типов, у которых рабочая зона ветрового потока крыльчатая. Если сравнивать такой тип, к примеру, с турбинами Дарье и Савониуса, то разница будет в 40-45%.

К особым свойствам этой категории агрегатов также стоит отнести и то, что они способны работать и с восходящими потоками воздуха. Это очень продуктивно, если установить генератор возле озера, болота, на склоне холма и т. д.

К плюсам таких турбин относится и то, что линия контакта активного слоя воздуха, который омывает гиперболоид, будет длиннее в 1,6 раза, чем у аналогичного цилиндра, вращающегося как ветрогенератор роторного типа. Естественно, отсюда вывод, что коэффициент полезного действия будет больше во столько же раз.

Недостатки

Несмотря на множество плюсов и особенностей этих турбин, у них имеется и ряд некоторых недостатков.

К отрицательным факторам стоит отнести то, что при вращении лопастей генератора против ветряных потоков, этот тип генератора будет нести существенные потери, что, в свою очередь, приведет к снижению эффективности работы примерно в два раза. Снижение этого показателя очень заметно, если сравнивать вертикальные турбины с горизонтальными, которые таких потерь не имеют.

Еще одним недостатком станет и то, что вертикальный ветрогенератор должен быть очень длинным. Если расположить его близко к земле, где скорость ветра значительно ниже, чем на большой высоте, то могут быть проблемы с запуском ротора, которому нужен толчок для начала работы. Сам по себе он никак не запускается. Можно, конечно, устанавливать специальные башни, чтобы поднять лопасти выше, однако нижняя часть ротора все равно будет находиться слишком низко.

К другим недостаткам можно отнести то, что зимой на лопастях ветрогенераторов будут образовываться сосульки. Также стоит отметить большое количество шума, который издают турбины при работе. Некоторые из установок даже способны производить при своей работе вредный инфразвук. Он вызывает вибрацию, из-за чего могут дребезжать стекла, окна, посуда.

Интересный факт: ветровые турбины в RimWorld использовались как источник энергии.

Полезные ископаемые, добываемые из недр земли и используемые человечеством в качестве энергоресурсов, к сожалению, не безграничны. С каждым годом их стоимость увеличивается, что объясняется сокращением уровня добычи. Альтернативным и набирающим обороты вариантом энергоснабжения выступают ветряные электростанции для дома. Они позволяют преобразовывать энергию ветра в переменный ток , что дает возможность обеспечивать все потребности в электричестве любых бытовых приборов. Главное преимущество таких генераторов – это абсолютная экологичность, а также бесплатное пользование электричеством неограниченное количество лет. Какие еще преимущества имеет ветрогенератор для дома, а также особенности его эксплуатации, разберем далее.

Еще древние люди заметили, что ветер может стать отличным помощником в осуществлении множества работ. Ветряные мельницы, позволявшие превращать зерно в муку, не затрачивая собственных сил, стали родоначальниками первых ветрогенераторов.

Ветряные электростанции состоят из определенного количества генераторов, способных получать, преобразовывать и накапливать энергию ветра в переменный ток. Они вполне могут обеспечить целый дом электроэнергией, которая берется из ниоткуда.

Однако, нужно сказать, что затраты на оборудование и их обслуживание не всегда дешевле , нежели стоимость центральных электросетей.

Преимущества и недостатки

Итак, прежде чем присоединиться к сторонникам бесплатной энергии, нужно осознать, что ветряные электростанции имеют не только преимущества, но и определенные недостатки. Из положительных сторон использования энергии ветра в быту можно выделить следующие:

• способ абсолютно экологически чистый и не вредит окружающей среды;
• простота конструкции;
• легкость эксплуатации;
• независимость от электросетей.

Домашние мини-генераторы могут, как частично обеспечивать электричеством, так и стать полноценным его заменителем, преобразуясь в электростанции.

Однако не нужно забывать про недостатки , которыми являются:

• высокая стоимость оборудования;
• окупаемость наступает не ранее чем через 5-6 лет использования;
• относительно небольшие коэффициенты полезного действия, отчего страдает мощность;
• требует наличия дорогостоящего оборудования: аккумулятор и генератор, без которого невозможна работа станции в безветренные дни.

Чтобы не потратить уйму денег впустую, перед покупкой всего необходимого оборудования, следует оценить рентабельность электростанции. Для этого высчитывают среднюю мощность дома (сюда входят мощности всех используемых электроприборов), количество ветреных дней в году, а также оценивают местность, где будут располагаться ветряки.

Основные конструктивные элементы

Простота возведения электростанции объясняется примитивностью конструктивных элементов.

Чтобы пользоваться энергией ветра, потребуются такие детали :

• ветряные лопасти – захватывают поток ветра, передавая импульс ветрогенератору;
• ветрогенератор и контроллер – способствуют преобразованию импульса в постоянный ток;
• аккумулятор – накапливает энергию;
• инвертор – помогает преобразовывать постоянный ток в переменный.