Расчет ветроустановки. Правильный расчет ветрогенератора: что нужно учитывать при подсчете мощности ветроколеса? Ветрогенераторы большой мощности: обзор, плюсы и минусы, нюансы

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя эффект бывает и кратковременным. Причина – при сборке не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Согласитесь, не хотелось бы потратив время и средства на реализацию проекта, получить малоэффективную установку. Поэтому важно понять, как произвести расчет ветрогенератора, и по каким параметрам подобрать основные рабочие узлы ветряка.

Решению этих вопросов и посвящена статья. Теоретическая часть материала дополнена наглядными примерами и практичными рекомендациями по сборке ветрогенераторной установки.

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами.

Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как вычислить мощность ветряка

Ветрогенераторам бытового назначения, тем более сделанным своими руками, удивлять народ высокими мощностями ещё не приходилось. Оно и понятно. Стоит лишь представить массивную мачту высотой 8-10 м, оснащённую генератором с размахом лопастей винта более 3 м. И это не самая мощная установка. Всего-то около 2 кВт.

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер.

На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 м. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт.

Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек (+)

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V 3 /2,

• p – плотность воздушных масс;
• S – общая обдуваемая площадь лопастей винта;
• V – скорость воздушного потока;
• N – мощность потока воздуха.

Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, то реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

• крыльчатые – вращение в горизонтальной плоскости;
• ротор Савониуса, ротор Дарье – вращение в вертикальной плоскости.

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

• Z – степень быстроходности (тихоходности) винта;
• L – размер длины описываемой лопастями окружности;
• W – скорость (частота) вращения винта;
• V – скорость потока воздуха.

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения.

Такой выглядит конструкция винта под названием «Ротор Дарье». Этот вариант пропеллера считается эффективным при изготовлении ветрогенераторов небольшой мощности и размеров. Расчёт винта имеет некоторые особенности

А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг.

Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α ,

• 2π – константа (2*3.14);
• R – радиус, описываемый лопастью;
• tg α – угол сечения.

Дополнительная информация о выборе формы и количества лопастей, а также инструкция по их изготовлению приведена в .

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор.

Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. При скорости ветра 8 м/с. мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Для изготовления ветряка можно или собрать .

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы.

Из тих параметров основными являются:

• номинальное и максимальное напряжение генератора;
• максимально возможная мощность генератора;
• максимально возможный ток заряда АКБ;
• напряжение на АКБ;
• температура окружающего воздуха;
• уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся своими руками или подбор готового устройства.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Конечно, желательно подбирать (или собирать) устройство, схема которого обеспечивала бы функцию лёгкого старта в условиях течения слабых потоков воздуха. Контроллер, рассчитанный под эксплуатацию с батареями разного напряжения (12, 24, 48 вольт) тоже лишь приветствуется.

Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Подбор аккумуляторной батареи для системы

На практике используются аккумуляторы разного типа и почти все вполне пригодны для использования в составе ветряной энергетической системы. Но конкретный выбор придётся делать в любом случае. В зависимости от параметров системы ветряка, подбор аккумулятора ведётся по напряжению, ёмкости, условиям заряда.

Традиционными комплектующими для домашних ветряков считаются классические кислотно-свинцовые аккумуляторы. Они показали неплохие результаты в практическом смысле. К тому же стоимость этого типа батарей более приемлема по сравнению с другими видами.

Свинцово-кислотные АКБ особо неприхотливы к условиям заряда/разряда, но включать их в систему без контроллера недопустимо.

Блок аккумуляторов домашнего ветрогенератора. Не самый лучший вариант эксплуатации, учитывая хаос из проводов и требования к хранению. При таком состоянии накопителей энергии рассчитывать на их долгосрочное действие не приходится

При наличии в составе ветрогенераторной установи профессионально выполненного контроллера заряда, имеющего полноценную систему автоматики, рациональным видится применение аккумуляторов типа AGM или гелиевых.

Оба вида накопителей энергии характеризуются большей эффективностью и долгим сроком службы, но предъявляют высокие требования к условиям заряда.

То же самое относится к так называемым панцирным АКБ гелиевого типа. Но выбор этих аккумуляторов для бытового ветряка значительно ограничивается ценой. Однако срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по отношению ко всем другим видам.

Эти аккумуляторы выделяются также более значительным циклом заряда/разряда, но при условии применения к ним качественного зарядного устройства.

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 Вт на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть.

1. Суммировать мощность всех потребителей.
2. Определить время потребления.
3. Определить пиковую нагрузку.

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт.

Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка (+)

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.

Предварительный расчет ветряка пригодится не только для его самостоятельной сборки. Определиться с оптимальными параметрами необходимо и при .

Выводы и полезное видео по теме

Как происходит анализ исходных данных и как применяются формулы, представлено на видео:

Пользоваться расчётными данными необходимо в любом случае. Будь то промышленная энергетическая установка или изготовленная под бытовые условия, расчёт каждого узла всегда несёт за собой максимум эффективности устройства и главное – безопасность эксплуатации.

Предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.

Имеете опыт в решении подобных задач? Или остались вопросы по теме? Пожалуйста, поделитесь своими навыками расчета и проектирования ветрогенератора. Оставлять комментарии и задавать вопросы можно в форме, расположенной ниже.

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:

P = V 3 ρ S

Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

P = V 3 ρ S = 5 3 1,25 12,5 = 1953,125

Где,
V - скорость ветра, единица измерения - м/с

S - площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения - м2

Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген

Где,
ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R - радиус ротора, единица измерения - м
V - скорость воздушного потока, единица измерения - м / с
ρ - плотность воздуха, единица измерения - кг/м3
ηред - КПД редуктора, единица измерения - проценты
ηген - КПД генератора, единица измерения - проценты

Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Рассчитываем:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген = 0,45 π 2 2 0,5 5 3 1,25 0,9 0,85

Ветроэнергетика на практике

Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:

По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.

Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:

Где,
В - полная стоимость ВЭС, единица измерения - грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ - эксплуатационные расходы за год, единица измерения - (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р - количество произведенной энергии за год, единица измерения - кВт время
Т - срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)

Ориентирование в потребностях

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить.Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно.Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии.В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна.Подготовка к выбору ВЭС... правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов:1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки - это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача - выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу.2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках.3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + ДизельКомбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Запасы энергии ветра рассчитаны в сумме 170 трлн кВт ч в год. Ветроэнергетика уже настолько исследована, что каждый дом может себе позволить установить ветряк небольшой мощности для собственных нужд.

Однако энергия ветра имеет ряд недостатков. Среди них можно выделить рассеяность в пространстве, колебания скорости ветра. Ветряки отражают радиоволны, мешают полетам птиц и насекомых.

В настоящее время разработаны ветряки, способные работать при самом слабом ветре. Шаг лопасти винта автоматически регулируется таким образом, чтобы постоянно обеспечивалось максимально возможное использование энергии ветра, а при слишком большой скорости ветра лопасть столь же автоматически переводится во флюгерное положение, так что авария исключается. Помимо этого активно применяются циклонные электростанции мощностью до ста тысяч киловатт, где теплый воздух, поднимаясь в специальной 15-метровой башне и смешиваясь с циркулирующим воздушным потоком, создает искусственный циклон, который тем временем турбину. Такие установки намного эффективнее и солнечных батарей и обычных ветряков.

Ветрогенераторы

Ветрогенераторы являются единственными производителями электроэнергии из энергии ветра. Они представляют собой башню с корпусом на конце и вращающимися лопастями (рис. 3). Внутри корпуса находятся преобразователи энергии от каждой лопасти. Число лопастей может быть самое разное, однако большинство потребителей предпочитают ветрогенераторы с тремя лопастями. Высота штифта может быть самой разной вплоть до 5-7 метров в высоту.

Принцип действия и виды ветрогенераторов

Лопасти ротора ветротурбины получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, и ветер налегает на них с той же силой. Сила напора используется в самых ранних ветряках. Лопасти с горизонтальной осью не могут двигаться по направлению ветра, таким образом они не могут получить никакой пользы от силы напора. Вместо этого они используют подъемную силу.

Ветрогенераторы различаются по следующим основным признакам:

Количеству лопастей;

Материалам изготовления лопастей;

Расположению оси вращения по отношению к земле;

Шаговому признаку винта.

По числу лопастей они бывают одного-двух-трех и многолопастные. Последние начинают свое вращение при малейшем движении воздуха, но применимы лишь для таких целей, где важен сам факт вращения, а не вырабатываемая электроэнергия. То есть, они незаменимы, скажем, при перекачке воды из глубоких колодцев.

По материалам, из чего сделаны лопасти, различают жёсткие и парусные ветрогенераторы. Парусные намного дешевле жёстких, сделанных из стеклопластика, или из металла..

По расположению оси вращения к поверхности почвы различают горизонтальные ветрогенераторы и вертикальные. Их отличия настолько деликатны, что при разных условиях они меняются местами в своём превосходстве. С вертикальной осью ветряки сразу схватывают малейшие дуновения ветерка, не требуют флюгера, но они менее мощные, чем горизонтальные.

По шаговому признаку винта ветрогенераторы бывают с изменяемым и фиксированным шагом. Изменяемый шаг, бесспорно, даёт возможность увеличить скорость вращения, но конструкция сложна. Она увеличивает вес ветряка, то есть, требует лишних затрат. Куда более прост и надёжен фиксированный шаг.

Расчет ветрогенератора

При расчете лопасти необходимо определить ширину хорды и угол установки лопасти в нескольких сечениях по длине лопасти. В каждом сечении необходимо определить правильную форму лопасти, чтобы получить лучшее усилие (подъемную силу) от каждой порции ветра, с которой это сечение будет иметь дело.

Процесс вычисления наилучшей нагрузки и соответствующего ей наилучшего профиля, известный как метод конечных элементов, рассматривает лопасть как совокупность отдельных элементов.

Рассчитаем мощность ветряного потока по формуле:

где V - скорость ветра, м/с; с - плотность воздуха, кг/м 3 ; S - площадь воздействия воздушного потока, м 2 .

В связи с технологическими особенностями большинства ветрогенераторов расчет мощности производится по более точной формуле:

где о - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум о max = 0,4 ч 0,5), безмерная величина; R - радиус ротора, м; V - скорость воздушного потока, м/с; с - плотность воздуха, кг/м 3 ; з р - КПД редуктора, %; з г - КПД генератора, %.

Для примера расчета примем следующие значения:

с = 1,25 кг/м 3 ;

В итоге, согласно формуле (3.2), получаем следующее значение:

Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии произведенной ветрогенератором возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кмнетическая энергия выработанная ротором увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность ветрогенератора.

Для выбора места установки ветрогенератора наиболее подойдет участок с минимальным количеством преград для ветра (большие деревья, постройки) на расстоянии не менее 25-30 м. Высота ветровой электростанции должна быть не менее 3-5 м высоты ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут холмы или горные хребты с открытым ландшафтом.

Популярные статьи:

Ветрогенератор в автономной системе очень нужен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи, в наших широтах, хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. В этой статье мы рассматриваем малые ветроэнергетические установки (ВЭУ) т.е. установки мощностью от 40 Вт до 20 кВт.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5 метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов (и это на высоте 10 м от поверхности земли, стандартная высота расположения анемометра на метеостанциях). Но данные усреднены, поэтому следует изучить энергопотенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор может быть эффективен.

Основная проблема ветровых станций заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: стартовая скорость большинства современных ВЭУ располагаться в пределах 3 - 4 м/с. Но необходимо, чтоб ветровой поток продержался на этом уровне не наименее 10 мин, лишь тогда автоматика даст позволение на запуск ВЭУ. При этом более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7 метрах в секунду, а ВЭУ, трудящаяся при средней скорости 6 м/с, генерирует емкость на 44 % большую, чем при скорости 5 м/с…

Многие хотят уменьшить начальную скорость ветра при котором начинается вращаться турбина до 1-2 м/с - мол слабый ветер бывает всегда и пусть в аккумуляторы всегда что-то "капает". Однако, при такой скорости ветер имеет ОЧЕНЬ мало энергии. Если ветрогенератор и вся система рассчитаны на 3-5кВт, то 5-10 Вт не решат никаких проблем.

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой "ветряком" от скорости ветра.

Из формулы P=(η*КИЭВ* ρ*V 3 *π*D 2)/8 видно, что мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра колеса турбины. Это означает, что при увеличении скорости ветра вдвое, мощность потока возрастет в 8 раз, а при увеличении длины лопастей вдвое, мощность ветрогенератора возрастет в 4 раза.

В таблице приведены величины мощности ветровой турбины, в зависимости от скорости ветра и диаметра колеса турбины. Коэффициент эффективности турбины k = 0,25.

Вы видите, как сильно возрастает величина мощности ветрового потока при увеличении скорости ветра только на 1 м/с.

Прежде чем звонить в компанию занимающуюся продажей ветрогенераторных установок надо узнать две цифры:

1) Потребление электроэнергии в месяц в киловатт-часах - все платят за электричество в квартирах или домах ежемесячно и эта цифра поможет оценить Ваши потребности.

1. Лампочка (сразу лучше меняйте на энергосберегающие или LED) - 20Вт - эквивалент 100Вт обычной (1кВт - это 1000Вт, то есть 20Вт - это 0,02кВт) горит 5 часов в день, поэтому мощность в кВт умножаем на часы работы в месяц - 0,02 * 5 * 30(дней в месяце) = 3кВт*часа в месяц.

2. Холодильник 300Вт, работает примерно 30% времени, то есть 8 часов в сутки - 0,3 * 8 * 30 = 72кВт*часа в месяц.

3. Электрочайник 1,5 кВт, работает 0,5 часа в день - 1,5 * 0,5 *30 = 22,5кВт*часа в месяц

Потом всё суммируете - 3 + 72 + 22,5 = 97,5кВт*час в месяц.

Это и есть месячное потребление - примерно 100кВт*час в месяц в данном примере.

2) Среднегодовая скорость ветра в предполагаемом месте установки - её можно приблизительно узнать в ближайшей метеостанции.

Для выбора инвертора надо знать максимальную (пиковую) мощность потребления электроприборов с небольшим запасом - по ней выбирается его мощность. При наличии этих показателей можно быстро и грамотно подобрать необходимое оборудование, обратившись к продающей его организации.

При выборе оборудования не стоит опираться на мощность ветрогенератора - она сильно зависит от скорости ветра. Это только в бензогенераторе она соответствует указанной в паспорте. 5кВт ветрогенератор при слабом ветре (3-4м/с) выдаёт всего 0,1-0,2 кВт.

Очень часто покупатель ориентируется на максимальную (пиковую) мощность своего потребления и просит постоянно эту мощность - например 5кВт, как в бензогенераторе, например - начинаем разбираться, считать - и оказывается, что для лампочек, холодильника, телевизора и насоса вполне хватает 0,5кВт постоянной мощности - а это две большие разницы. Оценивать своё электропотребление нужно только по киловатт - часам в месяц.

Но и не стоит определять среднюю выдаваемую ветрогенератором мощность по среднегодовой скорости ветра - это будет намного заниженная цифра.

Существует атлас ветров России, в котором есть данные по ветру в 332 метеостанциях. "Роза ветров" так часто употребляемая обывателем в данной теме к ней относится "поскольку-постольку" - это статистика по направлениям ветра, а ветрогенератору всё равно - как часто с какой стороны дует. А вот при определении места установки ветрогенератора "Розу ветров" лучше учитывать, чтобы на направлении основных ветров не оказались высокие строения, деревья и прочие препятствия.

Выбор мачты

Какую мачту выбрать - с растяжками или без?

Если место позволяет, то лучше ставить мачту с растяжками - она будет стоить в 3-5 раз дешевле мачты без растяжек. В настоящее время накоплен уже довольно богатый опыт установки мачт для ветрогенераторов на территории РФ и он позволяет утверждать об этом однозначно.

Иногда предлагают телескопические мачты - они удобны при частых подъёмах и опусканиях, в чём нет особой необходимости при использовании с ветрогенератором. Мощный ветряк на неё не поставишь - не более 1-2кВт, зато стоить она будет намного дороже.

Какой высоты должна быть мачта?

При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.

Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.

Конечно, чем выше мачта, тем лучше (чем больше высота - тем сильнее ветер, прямая зависимость), но не всегда более высокая мачта технически или экономически оправдывает себя. Посоветуйтесь со специалистом - обычно простого описания по телефону будет достаточно для определения оптимальной высоты мачты. При выборе высоты мачты учитывается рельеф, растительность (близость леса и отдельно стоящие деревья) и застроенность местности. Обычно это от 10 до 20 метров.

• Если местность открытая - практически на поле, например, то вполне хватит мачты высотой и 10м.
• Если местность застроена одноэтажными домиками и имеет небольшие деревья - больше подойдёт 15м мачта.
• Если же рядом двухэтажные дома и высокие деревья или лес - то лучше ставить мачту высотой 20м.

Высота мачты практически не зависит от мощности ветрогенератора (от 1 до 10кВт). Для ветрогенераторов 1-4кВт мы предлагаем 8 и 12м мачты, поскольку более высокие стоят достаточно дорого для данного класса оборудования.

Все вышесказанное относится к мачтам для ветровых генераторов с горизонтальной осью вращения. Для ветровых генераторов с вертикальной осью вращения при выборе мачты существуют свои резоны, в данной статье не рассматриваемые.

1. Расчет выработки энергии ветрогенераторной станцией

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:

P = V 3 ρ S

Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

P = V 3 ρ S = 5 3 1,25 12,5 = 1953,125

Где,
V - скорость ветра, единица измерения - м/с

S - площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения - м2

Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген

Где,
ξ - коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R - радиус ротора, единица измерения - м
V - скорость воздушного потока, единица измерения - м / с
ρ - плотность воздуха, единица измерения - кг/м3
ηред - КПД редуктора, единица измерения - проценты
ηген - КПД генератора, единица измерения - проценты

Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Рассчитываем:

P = ξ π R 2 0,5 V 3 ρ ηред ηген = 0,45 π 2 2 0,5 5 3 1,25 0,9 0,85

Ветроэнергетика на практике

Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:

По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.

Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:

Где,
В - полная стоимость ВЭС, единица измерения - грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ - эксплуатационные расходы за год, единица измерения - (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р - количество произведенной энергии за год, единица измерения - кВт время
Т - срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)

Ориентирование в потребностях

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить.Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно.Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии.В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна.Подготовка к выбору ВЭС... правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов:1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки - это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача - выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу.2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках.3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + ДизельКомбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.