Ветрогенераторы в России: как выбрать, смонтировать и избежать разочарования

Возможность получать бесплатную электроэнрегию за счет ветра прельщает многих владельцев отдельных домов, но определенная часть из них терпит неудачу, разочаровывается в этом способе и пишет отрицательные отзывы на различных форумах. А ведь можно избежать ошибок в создании таких установок и получать от них максимум пользы.

Ветрогенератор своей электрической схемой и принципами исполнения напоминает любой другой электрический генератор . Основное отличие заключается в способе раскрутки его ротора за счет кинетической энергии воздушных потоков, улавливаемых аэродинамическими лопастями.

Ориентировочная оценка местных условий

Скорость и мощность ветра должны надежно вращать крыльчатку двигателя, энергия которой потребляется генератором. Если это не будет выполняться, то останетесь без электричества.

Приблизительно оценить вероятность действующего ветра поможет усредненный годовой график распространения ветра. Только учтите, что он рассчитан для высоты 50 метров от поверхности земли. Для реальных условий необходимо вводить поправки.

Усредненный годовой график распределения ветров для территории России, определенный для высот 50 метров (для увеличения нажмите на рисунок):

Более конкретные сведения для каждой территории можно уточнить у сотрудников районной метеостанции, причем учесть планируемую высоту установки конструкции. Запрашивать у них направления ветров не обязательно: ветрогенератор поворачивается автоматически.

Влияние местности и сезона

В зависимости от времени года ветер дует по-разному. В отдельных районах может быть длительное затишье.

К тому же напор ветра резко снижают:

• лес и ближайшие деревья;

• соседние дома и строения;

• расположения конструкции в низине или за возвышением.

Для монтажа ветряных электрических установок лучше всего подходят вершины холмов, которые открыты со всех направлений. Желательно приподнимать ветродвигатель на максимально допустимую высоту. Лучше для этого использовать отдельный прочный фундамент и вышку с надежно закрепленными растяжками, повышающими устойчивость: при мощных напорах ветра могут возникать огромные опрокидывающие усилия.

Отдельные владельцы крепят ветряные электрические установки на крыше или стене дома. Это не лучший вариант. Он применим для маломощных двигателей: конструкция здания будет постоянно расшатываться меняющимися динамическими нагрузками, а шум вращающегося ротора передаваться через строительные элементы в жилые помещения.

Пример: на плоской крыше здания соседнего универмага — двухэтажное сооружение из железобетонных плит два года работала вышка с антенной оператора мобильной связи МТС. После того как между панелями возникли трещины и стала протекать крыша антенну сняли, а здание подвергли капитальному ремонту.

Выбор конструкции ветряного колеса

За всю историю человечества испытано огромное количество устройств, работающих от энергии ветра. Максимальная эффективность (высокий КПД) присущ конструкциям, которые формируют подъемную силу так, как лопасти криволинейной формы винтов авиационных двигателей (вспомните знаменитое выражение «От винта») или лодочных/корабельных моторов, располагаемых под острыми углами к встречным потокам воздуха/жидкости.

Для выбора модели ветряного колеса необходимо не только знать скорость ветра (V), но и определиться с конструкцией лопастей вентилятора. Основной их показатель — площадь ометаемой поверхности (S), на которую воздействует ветряной поток.

Для оценки мощности (N), которую может снять вентилятор, используется формула: N=(SρV ³ )/2.

Величина ρ — это плотность воздушных масс.

Некоторые продавцы заявляют про эффективность работы отдельных ветряных электрических установок при скоростях воздушного потока до 3 м⁄сек или размере лопастей, описывающих при работе круг с радиусом ≤1,3 метра. Подставьте характеристики их аппаратов в приведенную формулу: вы проверите достоверность таких рекламных заявлений по элементарным законам физики.

Ветер со скоростью ≤3м⁄сек не может надежно передавать энергию обычному ветрогенератору. Но для таких условий можно использовать лопасти повышенной площади, которая создается за счет увеличения их габаритов — особенно длины от 2-х метров. Однако такие конструкции благодаря четырехметровому размаху, больше подходят для промышленных установок.

Если вернуться к графику распределения ветров и учесть их конкретное действие на ветряное колесо (не на 50-ти метровой высоте), то при соответствии характеров ветров оранжевой зоне (от 5 м/сек) или выше ВГУ гарантированно оправдает издержки на ее производство и установку.

При больших скоростях ветров величина генерируемой мощности резко возрастает. На такие случаи как раз и настроен любой ветрогенератор. В остальных ситуациях он может не оправдать возложенных надежд.

Знакомство с характеристиками производителя

Испытание и проверка мощности ветрогенератора производятся в заводских условиях: аэродинамическая труба с регулируемым потоком воздуха от стационарных вентиляторов. Так проверяются аэродинамические характеристики самолетов и всех корпусов автомобилей. Но этот способ не отражает реальных условий работы ветряной электрической установки.

В аэротрубе ветер дует в одну сторону с постоянным усилием, а в действительности он всегда несколько меняется как по скорости, так и по направлению. Понаблюдайте за поведением обычного флюгера. А ветрогенератор от него сильно отличается эффектами разгона и торможений.

Чтобы понять это достаточно попробовать раскрутить рукой простой подшипник (лопасти флюгера), а затем ротор электрического генератора (или двигателя), начиненного обмотками в окружении электромагнитных полей. Создаваемое противодействие придется преодолевать даже на холостом ходу. При подключении нагрузки (ради этого все и делается) требуется прикладывать бОльшую силу.

Изменение напора ветра

Незначительные порывы ветра (сильнее/слабее) мало влияют на частоту вращения ротора, а ветровые удары — значительно. Для их противодействия используются различные схемы гашения колебаний, включая торможения и складывания элементов конструкции.

Примером может послужить ветрогенераторы с высоким расположением киля (хвостовое окончание). При штормовом ударе происходит резкое откидывание всей конструкции довольно большого веса назад.

После уменьшения напора происходит возвращение ее на место. За один порыв ветра стойки вышки дважды гасят энергию шторма. А если такой ветрогенератор закреплен на здании, тогда оно воспринимает такие удары. Только как?

Лучше и мягче работает система электромагнитного торможения, осуществляющая замыкания обмоток при критических оборотах. Но она значительно сложнее и дороже.

Изменение направления ветра

Ветер может создавать порывы с разных сторон в горизонтальной плоскости. Многие конструкции ветрогенераторов очень чутко реагируют на такие нагрузки благодаря большой площади ометаемой поверхности рабочих лопастей.

Ветрогенераторы начинает повторять движение ветровой нагрузки, но, обладая значительной массой, по инерции проходит ось направления ветра и уходит на значительно бОльшие углы отклонения.

При существенных порывах ветра может дойти до перпендикулярного направления либо проскочить его и остановиться в противоположном состоянии ветру. Произойдет останов ветроколеса, возвращение в исходное положение и выход на режим работы. При этих ситуациях система успокоения колебаний (если есть) функционирует плохо.

Флюгер тоже не сразу устанавливается по направлению, но его масса значительно меньше, а усилия, затрачиваемые на электромагнитные процессы, не применяются.

Молниезащита

Почему-то о ней забывают или вспоминают в последнюю очередь. А зря. Расположение металлических конструкций на большой высоте, да еще производящих электроэнергию во время грозы создает предпосылки для притягивания потенциалов молнии.

Продумать конструкцию молниезащиты и создать ее вместе с установкой ветрогенератора проще, чем потом заниматься доработками.

Типовая электрическая схема ветряной станции для дома

Определить конечную конструкцию ветрогенератора необходимо с учетом задач потребления электрической энергии. Помочь в этом должна схема подключения нагрузок.

Упрощенная схема домашней электростанции с солнечной батареей и ветрогенератором (для увеличения нажмите на рисунок):

Начинать подбирать ветрогенератор по вырабатываемой мощности следует на тех принципах, которые описаны в статье “Солнечные электростанции для дома” . Прочитайте эту статью, и вы поймете, что ветряные и гелиостанции работают по одинаковым алгоритмам.

Обратите внимание на то, что такие станции могут прекрасно вписываться в общую схему и дополнять друг друга, работать в комплексе на одном энергетическом оборудовании: инвертор , контроллер и аккумуляторы могут работать от любого источника: солнечной батареи, ветра.

При определенных условиях это экономически целесообразно. Хотя можно отказаться от гелиобатареи и работать только от ветрогенератора. Выбор за вами.

Некоторые источники рекомендуют применять ветрогенератор без контроллера и аккумуляторов для питания ТЭНов, обогревающих воду бойлеров, или лампочек накаливания. Зрелое зерно есть в этой идее: схема значительно упрощается. Но нити из нихрома в холодном состоянии имеют малое активное сопротивление, которое просто зашунтирует выходные клеммы генератора. Этот момент следует учитывать при каждом запуске такой схемы: включать устройство предварительного разогрева.

Возможные проблемы

При эксплуатации ветрогенераторной установки может возникнуть:

• нарушение прочности крепления фундамента или механических растяжек. Их следует периодически осматривать;

• обледенение корпуса и лопастей в холодное время приводит к появлению дополнительного веса, создающего увеличенные нагрузки и снижающего эффективность системы;

• ухудшение стабильности работы из-за нарушения частоты вращения (меняющаяся скорость ветра), что наиболее характерно для асинхронных генераторов;

• пожар в электрической схеме при повреждениях изоляции.

Лучшие мировые производители ветрогенераторов

Оборудование этих компаний надежно зарекомендовало себя, поэтому имеет высокую стоимость. Однако на начальном этапе освоения ветроэнергетики можно попытаться своими руками сделать подобную конструкцию. Полученные от ее реализации навыки помогут оценить возможности ветровых нагрузок в вашей местности без больших финансовых затрат.