Ветрогенераторы в домашней энергетике

Тема альтернативной энергетики не теряет актуальности более 30 лет – в числе основных причин:

• глобальное потепление, в результате влияния парниковых газов на атмосферу;
• растущая стоимость углеводородов;
• загрязнение окружающей среды в процессе эксплуатации тепловых и гидроэлектростанций.

Сегодня, технологии альтернативной генерации электроэнергии для бизнеса и бытовых нужд получили широкое применение. К наиболее доступным «зелёным» источникам, относится энергия ветра. Если для обеспечения электричеством инфраструктурных объектов необходимы промышленные ветряные установки, вырабатывающие до 7 МВт энергии, то для дачи или коттеджа достаточно выработки 1,5 – 5 кВт.

Многие, трактуют необходимость установки ветряка как панацею от энергетической зависимости и источника бесплатной электроэнергии. Для объективной оценки всех «за» и «против» необходимо изучить принцип действия, конструкцию, возможность применения заводского или самодельного ветрогенератора.

Принцип работы ветрогенератора

В основе процесса получения энергии лежит принцип преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию вращающегося ротора, а затем в электрическую энергию, возникающую на обмотках статора генератора.

Вырабатываемая мощность зависит от ряда факторов:

• силы и постоянства ветра;
• высоты установки ветряка;
• размаха и количества лопастей пропеллера;
• конструкции механической части передающей вращение;
• конструкции ротора и статора генератора.

Производители оборудования используемого для питания дома от альтернативных источников учитывают множество дополнительных причин снижающих эффективность преобразования и передачи энергии, поэтому горизонтальные установки, изготовленные в заводских условиях, имеют полезный КПД на уровне 40%.

Самодельные ветроэлектростанции менее эффективны за счёт неточностей:

• в сопряжении механических частей передающих вращение;
• в изготовлении крыльчатки пропеллера и других элементов, взаимодействующих с ветровыми потоками;
• в расчетах и определении характеристик будущего генератора;
• в использовании деталей и комплектующих.

Перед тем как принять решение «купить» или «сделать самому» необходимо изучить конструктивные особенности и условия эксплуатации.

Конструкция ветрогенераторов

Инженеры разработали множество видов ветрогенераторов, различающихся по:

• расположению оси вращения относительно горизонтальной плоскости;
• конструкции лопастей;
• исполнению механического устройства передающего вращение;
• схеме передачи и преобразования электроэнергии.

Наибольшее применение получили два типа ветрогенераторов:

• с горизонтальной осью и пропеллером, состоящим из трёх жёстких лопастей — получил наиболее широкое распространение, как в малой, так и в промышленной ветрогенерации;
• с вертикальной осью и ротором Дарье или ротором Савониуса – чаще всего используется для бытовых нужд, т.к. способен генерировать напряжение даже при минимальных потоках ветра и не требует значительной высоты для монтажа.

Ветряки с горизонтальной осью

Конструктивное исполнение установки зависит от мощности генерации. Простой ветрогенератор состоит из следующих узлов.

Более сложные установки оснащаются дополнительными узлами для управления скоростью вращения вала генератора и минимизации риска аварий:

• тормозным механизмом для стабилизации скорости вращения вала, при переменной скорости ветра;
• промежуточным редуктором, расположенном на мачте, между валом шкива и валом ротора;
• промежуточным редуктором с конической передачей, в случае наземного расположения генератора – такая конструкция исключит поломку электрогенератора в случае урагана.

Для малых установок, доминирующим фактором обеспечивающим надёжность, является простота конструкции.

Ветряки с вертикальной осью

Конструктивное исполнение лопастей роторных ветроэлектростанций отличается разнообразием.

Это обусловлено поиском наиболее рациональной формы лопатки, использующей максимальную энергию ветра.

Кроме формы лопастей и ориентации вала ротора, вертикальные ветряки мало чем отличаются от горизонтальных. До недавних пор, они в КПД, передавая потребителю 35% энергии ветра. 

Подключение установки к потребителю

Подключение ветрогенератора связано с необходимостью преобразования энергии, перед подачей потребителю.

1. Выработанная электроэнергия подаётся на контроллер.
2. Контроллер изменяет характеристики напряжения и подаёт его на аккумулятор.
3. Аккумулятор заряжается и накапливает энергию.
4. Контролер забирает часть энергии и подаёт её на инвертор.
5. Инвертор, преобразует постоянное напряжение в переменное и подаёт в сеть электропитания объекта.

Перед тем как купить ветрогенератор или решиться изготовить ветряную электростанцию самостоятельно необходимо оценить условия эксплуатации установки.

Условия эффективного преобразование энергии в ветрогенераторе

Основными условиями генерации электроэнергии с использованием ветряка являются постоянство и сила ветра в регионе предполагаемой эксплуатации. Но, на эффективность работы установки, влияет ряд дополнительных факторов, среди которых:

• ландшафт местности – наличие поблизости холмов, оврагов, водоёмов, лесов;
• застроенность территории;
• наличие инфраструктурных объектов: мостов, промпредприятий.

Эти и другие локальные причины влияют на стабильность и направление ветра, даже если регион располагает к установке ветряка. Практика показывает, что любые препятствия расположенные в радиусе 250 м. будут негативно влиять на работу установки.

Избежать отрицательного воздействия местных факторов можно, установив генератор на высоте более 5 м. над ближайшим объектом, это касается и крон деревьев.

Для стабильной работы оборудования, среднегодовая скорость ветра в данной местности должна быть не ниже 4,5 – 5 м/с. Данные показатели можно узнать из карты розы ветров. Информация доступна на специализированных ресурсах в интернете.

Наилучший результат получается, если установить ветрогенератор на мачте с растяжками, высотой около 15 м.

Необходимые условия для монтажа и эксплуатации, а также характеристики установки изготовленной в заводских условиях указаны в паспорте (руководстве по эксплуатации) оборудования.

Узнать сколько вырабатывает ветрогенератор изготовленный в условиях мастерской, можно сделав приблизительные расчеты. 

Самодельный ветрогенератор

Прежде чем приступить к расчетам, необходимо определиться с наличием и возможностью приобретения необходимых деталей и материалов для изготовления ветряка.

Самым простым вариантом, является использование автомобильного генератора и аккумуляторной батареи, а также пропеллера от бытового вентилятора – хотя такой примитивный ветряк не выработает достаточно электричества для покрытия бытовых нужд, но для локального освещения хозяйственных построек вполне подойдёт.

При первоначальном положительном опыте, изучив дополнительно: из чего делают лопасти ветрогенератора, как самостоятельно изготовить ротор и намотать статор, какие компоненты использовать в электрической схеме — можно масштабировать проект, не допуская ошибок.

При сборке вертикального ветряка в условиях мастерской, изготовить ротор Савониуса из стальной бочки, не составит труда.

При использовании ненужной металлической тары, важно не ошибиться с геометрической формой и размерами.

Способы расчёта характеристик генератора и конструктивных элементов установки зависят от конкретных условий и технической возможности реализовать задуманное. Но первое, что необходимо посчитать – это мощность воздушного потока, которая будет передана на вал генератора.

P_в=0,5SrV³

P_в – мощность потока воздуха (Вт);

S – площадь круга вращения лопастей (м²);

r – плотность воздуха (кг/м³);

V – скорость ветра (м/с).

Необходимо учитывать, что КПД самодельного ветрогенератора равен приблизительно 15-20%, отсюда следует, что можно рассчитывать на мощность, предназначенную для потребления на уровне:

Р_потр=0,2Р_в

Несмотря на всевозможные «за» и «против» ветровые электростанции находят всё большее применение в частных домашних хозяйствах.