Ветрогенераторы для дома
Еще во времена Священной Римской Империи античные инженеры предложили использовать силы природы для нужд человечества. Прошли сотни лет, но идея получения бесплатной энергии естественного происхождения не покидала умы ученых. Сейчас человечество способно полезно использовать силу ветра и тепло солнца, мощь океана и стремительное течение рек, даже скрытая от глаз энергия земли теперь «одомашнена» и наполняет радиаторы отопления современных домов и коттеджей.
Зависимость вырабатываемой на нашей планете энергии от углеводородного сырья и других, не возобновляемых ресурсов, рано или поздно приведет к кризису и существенному росту цен на тепло и электричество. К счастью, современная наука предлагает целый ряд простых и экологичных решений, направленных на повышения энергоэффективности отдельно взятого частного или многоквартирного дома. Одной из важных составляющих таких систем вырабатывающей электрическую энергию без потребления углеводородов или другого топлива являются ветряные генераторы. Для их устойчивой работы необходимо лишь перемещение воздушных масс. Ветряки подразделяются по плоскости установки на вертикальные и горизонтальные, и по мощности на бытовые (до 100 кВт) и промышленные (более 100 кВт).
Горизонтальные осевые вентиляторы находят более широкое применение, по сравнению со своими вертикальными коллегами. Это связано в первую очередь с большей максимально возможной мощностью устройств и высоким коэффициентом полезного действия. К плюсам вертикальных ветряков можно отнести отсутствие необходимости ориентировать их по направлению ветра и малые гироскопические нагрузки на вращающиеся элементы конструкции.
Казалось бы, ветроэлектрическая установка (ВЭУ) может стать настоящей панацеей от всех проблем человечества, ведь используемый в ней природный ресурс вечен, как сама планета. Однако существует ряд проблем, которые существенно ограничивают диапазон применения ветряных генераторов, вытекающих из конструктивных особенностей устройств и характера работы всей установки в целом.
Устройство горизонтальной ВЭУ малой мощности
Любая ветроэлектрическая установка, в том числе бытовая, должна быть укомплектована шестью основными составляющими: турбиной, генератором, монтажной мачтой с подвижной платформой, блоком аккумуляторов, силовым инвертором, системой автоматического управления и комплексом защит.
Ветровая турбина – это устройство, которое приводится во вращения потоками воздушных масс. Его основным компонентом являются лопасти, закрепленные на валу ротора. Форма, размер и количество лопастей, наряду со скоростью ветра определяют мощность всей ВЭУ в целом. Чтобы установка всегда работала с максимально возможным КПД, ее ротор должен быть сориентирован против ветра. Для этих целей основание турбины оснащено специальным поворотным механизмом. Непосредственно вырабатывает электрическую энергию генератор постоянного тока (напряжением кратным 12 В), который соединен с турбиной при помощи редуктора и установлен на одной с ней платформе. Само подвижное основание смонтировано на мачте (железобетонной или металлической), удерживающейся в вертикальном положении стальными растяжками.
Оставшиеся компоненты ветроэлектрической установки обычно располагаются непосредственно в доме или отдельно стоящем бытовом помещении. Выработанная генератором электрическая энергия накапливается в блоке аккумуляторов и преобразуется в удобное для потребления напряжение 220 Вольт частотой 50 Герц посредствам силового инвертора. Система автоматического управления, реализованная на программируемом логическом контроллере, получает данные о направлении и скорости ветра, величине потребляемого тока и напряжении на клеммах аккумуляторной батареи и в зависимости от этих параметров регулирует работу всего ВЭУ.
Условия бесперебойной работы ветрогенератора
Природа непрерывно перемещают воздушные массы, поэтому сила ветра в конкретной географической местности регулярно меняется по величине и направлению, кроме того существуют периоды полного застоя – штиль. Потребитель также не может обеспечить равномерное потребление электрической энергии в течение суток. Именно такое двойное непостоянство обуславливает сложность конструкции ВЭУ и необходимость использования блока аккумуляторов и силового инвертора. Ветрогенератор вырабатывает электроэнергию в зависимости от скорости ветра, но небольшими партиями, батарея накапливает ее, а жители дома потребляют тогда когда им это нужно. Конечно, можно установить генератор без дополнительного оборудования, ориентируясь только на пиковое значение потребляемой зданием мощности. В этом случае большую часть времени установка будет работать практически без нагрузки, а при резком падении скорости ветра (штиль), вообще оставит без электроэнергии весь дом.
Отдельно стоит рассказать об устройствах защиты и автоматики ветроэлектрической установки. От их надежной работы зависит бесперебойность снабжение всего здания. Во-первых, каждая ВЭУ должна быть оснащена комплексом молниезащиты, так как представляет собой достаточно высокую конструкцию (порядка 50 м) выполненную из токопроводящих материалов.
Другим опасным для ВЭУ фактором, особенно в зимний период эксплуатации, является образование снежной корки на лопастях турбины. Такой эффект приводит к их утяжелению и деформации подшипников вала ротора. Соответственно каждый ветряк, эксплуатируемый в умеренных и северных широтах, должен быть укомплектован защитой от обледенения. Обычно она выполняется в виде открытого проводника малого сечения, закрепленного на поверхности лопасти, по которому пропускается постоянный ток.
Вне зависимости от причины возникновения пожара на платформе ветроэлектрической установки (попадание молнии, короткое замыкание в генераторе, утечка масла из подшипников турбины или др.) ликвидировать его достаточно сложно ввиду недоступности очага возгорания. Поэтому в целях безопасности на ВЭУ любой мощности устанавливаются автоматизированные системы пожаротушения.
Набегающий на лопасти поток воздуха большой скорости может повредить как редуктор системы, так и сам электрогенератор. Кроме того, при работе с повышенной частотой вращения турбины коэффициент полезного действия ВЭУ значительно падает. С целью обеспечения исправного функционирования установки при любых порывах ветра применяют автоматическую тормозную систему. При увеличении скорости ветра выше номинальной угол атаки лопастей изменяется таким образом, чтобы затормозить вращение ротора. В случае если этого оказывается недостаточно, в действие приводится механический дисковый тормоз, расположенный на валу турбины перед редуктором.
Выбор элементов ВЭУ
Весь изложенный выше материал, необходим не только с познавательной точки зрения. Вооружившись знаниями о принципах работы самой установки, потребителю будет гораздо легче выбрать все ее компоненты в соответствии со своими собственными требованиями.
Для предварительной оценки параметров оборудования проектируемой ВЭУ необходимо знать всего три величины. Первая — среднесуточную скорость ветра для района установки ветряка, причем оптимально будет получить эти данные для каждого дня в году. Здесь может помочь либо «всемирная паутина» и сайты с метеорологическими данными, либо (более предпочтительно) собственный цифровой анемометр. Второй исходной величиной станет значение ежесуточного потребления электрической энергии жилым строением, для которого проектируется ВЭУ. Получить эти данные очень просто, при помощи обязательного установленного в каждом доме счетчика. Последним необходимым параметром, является максимальная пиковая нагрузка потребителя. Приближенно рассчитать эту величину можно просуммировав все номинальные мощности электроприборов, которые могут быть одновременно включены в электрическую сеть.
Среднесуточное потребление будет ключевым во всех смыслах параметром. От его значение в первую очередь зависит емкость блока аккумуляторных батарей, а это самый дорогостоящий элемент всей системы (особенно у бытовых ВЭУ). Опираясь на необходимое каждый день количество электрической энергии и ветровую нагрузку, можно без труда определить номинальную мощность ВЭУ по эмпирическим данным (либо графическим зависимостям), приведенным в техническом описании на устройство. Пиковое потребление всего строения определяет лишь число киловатт, которые одномоментно может преобразовать выбираемый силовой инвертор. То есть чем выше разовый максимальный ток нагрузки, тем большей мощности необходимо приобрести инвертор.
Идеал достижим
Капитальные вложения даже в бытовую ветрогенераторную установку очень велики. Количество финансовых средств, необходимое для постройки ВЭУ под ключ складывается из цен на отдельные устройства и виды работ.
Чтобы пример был как можно более наглядным, скажем, что средняя стоимость бытовой ветрогенераторной установки мощностью 10 кВт, на сегодняшний день составляет примерно 1,5 миллиона рублей. Эксплуатационный затраты на ветряк близки к нулю, но даже этот факт не перекрывает основного недостатка использования таких систем – зависимость величины вырабатываемой электроэнергии от скорости ветра. Конечно, можно до бесконечности увеличивать емкость аккумуляторных блоков, что позволит продержаться во время штиля два, а может и три дня. Однако это экономически нецелесообразно, а не высокий процент разряда мощных батарей при стабильной ветровой нагрузке на турбину существенно сократит общий срок службы дорогостоящего оборудования.
Одним из возможных способов нивелировать указанный недостаток является применение совместно с ВЭУ системы солнечных батарей. Такое решение позволит:
- приобрести ветрогенератор меньшей мощности, так как в дневное время суток он будет функционировать совместно с гелиосистемой;
- обеспечить часть необходимого аккумуляторным блокам заряда, даже в безветренные дни, что позволит системе автономно работать без увеличения емкости батарей;
- создать полностью автономную систему электроснабжения дома.
Есть более кардинальный способ превратить недостатки ВЭУ в неоспоримые достоинства – использовать выработанную ветрогенартором энергию для подогрева сетевой воды. Существует ряд проектных решений, в которых все созданное ветряком электричество расходуется на подогрев больших объемов жидкости (возможно использование и ряда антифризов). Она аккумулируется в специальных теплоизолированных баках и впоследствии используется для отопления жилого дома. Такой способ обогрева помещений в сочетании с качественно выполненной теплоизоляцией здания очень эффективен.
Во-первых, снижается стоимость всей ветроэлектрической установки, так как из ее состава исключается дорогостоящая аккумуляторная батарея и силовой инвертор, а цена теплоизолированных баков под жидкость относительно мала. Во-вторых, сама система становится менее инерционной, потому что остывание нагретого антифриза происходит очень медленно. При этом объемы его могут быть настолько велики, что даже при полном отсутствии ветра в течение пары дней, обитатели дома не почувствуют перебоев с отоплением.
Когда окупятся труды?
Рядовому потребителю можно очень долго рассказывать о пользе применения ВЭУ для нашей планеты, об экономии углеводородного сырья, об отсутствие загрязнений атмосферы. Но как бы не любил владелец небольшого имения в Подмосковье природу, гораздо интереснее ему узнать, когда вернутся немалые финансовые вложения.
Произведенные целым рядом независимых компаний расчеты показали, что ветряк используемый для выработки электрической энергии без вспомогательных гелио систем будет окупаться практически весь срок своей технической жизни. Отечественные производители устанавливают период безаварийной работы ветроэлектрической установки в пятнадцать лет, зарубежные – в двадцать-двадцать пять. Учитывая, что «наши» ВЭУ стоят на порядок дешевле, то принципиальной разницы для потребителя между ними нет.
Исключения составляют ветряки, смонтированные в прибрежных областях. Высокая скорость движения воздушных масс в этих районах снижает срок окупаемости ВЭУ почти в два раза. Для континентальных регионов страны уменьшить этот показатель помогут лишь комбинированные ветро-геливые электростанции.
Онлайн-видео о ветрогенераторах для дома