Устройство промышленных ветрогенераторов большой мощности: размеры ветряка, сравнительные характеристики и промышленное применение. Что такое ветрогенератор Какие бывают ветрогенераторы

В двадцатые годы двадцатого века об электрификации всей страны в Стране Советов только мечтали. Мечта, в общем, стала явью. Однако есть еще и на территории постсоветского пространства, и во всем мире места, не опутанные проводами ЛЭП. Вот и вынуждены фермеры, рабочие в тайге, полярники искать альтернативные источники энергии. Об одном из них, ветрогенераторах, и пойдет речь в статье.

Нужен ли вам ветрогенератор?

Итак, что же такое ветрогенератор или в просторечии ветряк? Кому и зачем он может быть полезен?

Даже если вы не проводите исследований во льдах Антарктиды и не разводите коров на ферме, не валите лес в тайге и не занимаетесь разработками различных месторождений в местах, где не ступала нога человека, не спешите отвечать отрицательно на вопрос:”Нужен ли вам ветрогенератор?”. Давайте сначала выясним, что это такое и каковы его возможности.

Как уже было сказано выше, ветряк - это альтернативный источник энергии. Если говорить конкретнее, это устройство, превращающее энергию ветра в электричество.

Может ли такое устройство быть полезным не в экстремальных условиях, а в обычной жизни? Конечно, может. На дачных участках, где нет электричества, в населенных пунктах, где оно есть, но вырабатывается с большими перебоями и часто отключается, ветряк, несомненно, пригодится.

В последнее время наметилась тенденция оснащать коттеджи автономным источником энергии. Ветрогенератор в таком случае - один из наиболее популярных вариантов, ведь он экологически чистый, не требует сырья и не образует отходов.

Как работает ветрогенератор?

Для ответа на этот вопрос сначала рассмотрим его устройство.

В любой ветроустановке обязательно должны быть:

Схему работы устройства в самом упрощенном виде можно представить так: ветер вращает лопасти, которые, в свою очередь, приводят в движение ротор. Далее происходит превращение механической энергии в электрическую.

Вращаясь, ротор генератора вырабатывает трехфазный переменный ток, от которого электроприборы работать не могут, поэтому его нужно преобразовать.

С этой целью в конструкции ветряка предусмотрены контроллер. Он превратит ток, идущий с генератора, в постоянный. От последнего заряжаются аккумуляторные батареи. Проходя через них, ток поступает на инвертор, где и приобретает характеристики, приемлемые для работы наших электроприборов. Из постоянного он вновь становится переменным, но с уже привычными нам показателями: однофазным, с напряжением в 220 В и частотой в 50 Гц.

Все ли ветрогенераторы одинаковы?

Несмотря на то, что принцип работы всех ветряков примерно одинаков, существует множество классификаций этих источников энергии. Если рассматривать именно устройства для дома, то наибольшее значение имеют материалы, используемые для изготовления лопастей, их количество, направление оси вращения по отношению к земной поверхности, а также шаговый признак винта. Рассмотрим коротко каждый из видов.

Большинство существующих на сегодняшний день ВЭУ (ветроэнергетическая установка) можно отнести к одно-, двух-, трех- или многолопастными. Небольшая часть наиболее современных устройств лопастей не содержит вообще, а ветер в них улавливает так называемый «парус», с виду напоминающий тарелку. За ним располагаются поршни, приводящие в работу гидросистему, а уже она и вырабатывает электрический ток. КПД таких установок выше, чем у всех остальных. В отношении лопастных систем тенденция такова: чем меньше лопастей, тем больше энергии вырабатывает генератор.

Разновидности ветрогенераторов

Ветрогенераторы, как уже отмечалось выше, могут отличаться не только количеством лопастей, но и материалами, которые применяются для их изготовления. Лопастная система может быть жесткой, изготовленной из металлов или стеклопластика, а может - парусной, более дешевой, но менее практичной.

Если сравнивать ВЭУ по шаговому признаку винта, то более надежными являются устройства, у которых шаг фиксирован. Существуют ветряки и с изменяемым шагом, способные менять скорость вращения, но их громоздкая конструкция влечет за собой дополнительные расходы на установку и обслуживание такой системы.

Наиболее разнообразны конструкции ветряков, если рассматривать их с точки зрения направления оси вращения относительно земли.

Устройства, лопасти которых вращаются относительно вертикальной оси, в свою очередь, можно разделить на несколько типов.

1. Ветрогенераторы Савониуса представляют собой несколько половинок полых внутри цилиндров, посаженных на вертикальную ось. Основное их преимущество - способность вращаться независимо от скорости и направления ветра. Существенный недостаток заключается в способности использовать энергию ветра лишь на треть.
2. Ротор Дарье - это система из двух или более лопастей, представляющих собой плоские пластины. Такое устройство несложно изготовить, но получить много энергии с его помощью не получится. Кроме того, для запуска такого ротора нужен дополнительный механизм.
3. Геликоидный ротор, благодаря специально закрученным лопастям, обладает равномерным вращением. Устройство долговечно, но, в силу сложности конструкции, дорого.
4. Многолопастные ветрогенераторы с вертикальной осью вращения - самый эффективный вариант в своей группе.

Ветряки с горизонтальной осью вращения также имеют свои достоинства и недостатки. Главный их плюс - высокий КПД. Среди недостатков таких конструкций стоит отметить необходимость улавливать направление ветра при помощи флюгера и изменение эффективности в зависимости от направления ветра. В связи с этим горизонтальные установки наиболее уместны на открытой местности. Там же, где лопасти будут заслонены от ветра строениями, деревьями или, например, холмами, лучше установить ВЭУ другой конструкции.

К тому же, такой ветрогенератор дорог, а появление его в окрестностях точно не вызовет большого восторга у ваших соседей. Лопасти его запросто могут сбить летящую птицу и сильно шумят.

Какие еще бывают ветроэнергетические установки? Ну конечно же, наши, отечественные и импортные. Среди последних лидируют европейские, китайские и североамериканские агрегаты. Вместе с тем, наличие на рынке отечественных ветрогенераторов не может не радовать.

Цена таких устройств определяется, в первую очередь, их мощностью и наличием дополнительных элементов, например, солнечных батарей и колеблется в очень широких пределах - от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч рублей.

Конструируем ветрогенератор самостоятельно

Конечно, такая цена делает ветрогенераторы доступными далеко не для всех. Если вы решили, что ветряк вам просто необходим, но купить его вы не имеете возможности, или не желаете тратить деньги на его установку, можно попробовать изготовить такой источник энергии самостоятельно. Для этого вам понадобится схема устройства, чертеж и, конечно же, набор необходимых деталей.

Описание работы со всеми схемами, чертежами и пошаговыми инструкциями (иногда даже с фото) вам выдаст любая поисковая система. Однако не спешите приступать к работе по первой же попавшейся инструкции. Лучше сначала детально изучить принцип действия и процесс сборки нескольких конструкций, выбрать ту, которая подходит вам по мощности, доступности деталей и сложности изготовления, и только потом приступать к работе.

Итак, в каждом самодельном ветряке должны быть:

• лопасти;
• генератор;
• мачта;
• а также установка, преобразующая электрический ток.

Каждую из этих деталей можно изготовить самостоятельно или переделать из уже существующей. Так, например, для изготовления лопастей подойдут трубы из ПВХ или алюминия. Есть также схемы изготовления их из дерева или стеклопластика. Все эти способы изготовления лопастей подходят для горизонтальных ветряков, которые рекомендуют специалисты для самодельного домашнего или дачного ветряка. Лопасти же вертикального устройства легко изготовить из пластиковой или металлической бочки.

Способов изготовления генератора тоже существует немало. Один из самых распространенных - это самостоятельно собранный на основе неодимовых магнитов дисковый генератор. Его недостаток - это высокая цена магнитов и их большое количество, достоинством же является простота сборки.

Еще один способ - переделать готовый генератор асинхронного электродвигателя. В этом случае достаточно переточить ротор и перемотать катушки статора. Последнее - самая сложная часть процесса. Тем не менее, и она вполне осуществима в домашних условиях.

Готовые автомобильные или велосипедные генераторы тоже подойдут.

В качестве мачты послужит стальная труба длиной не менее пяти с половиной метров.

Сборка деталей в единую конструкцию осуществляется по схеме, найти которую нетрудно при помощи поисковиков. Главное, суметь в ней разобраться.

Конечно, собрать ветрогенератор своими руками - задача, которая под силу не каждому. Кому-то купить его гораздо проще, чем разбираться в процессе наклеивания неодимовых магнитов или перемотке катушек статора.

Как сделать правильный выбор?

Так на что же обратить внимание при выборе ВЭУ?

Не стоит считать, что самый дорогой и импортный ветрогенератор будет самым лучшим. Исходить, в первую очередь, нужно не из цены, а из ваших потребностей. Перед тем, как сделать покупку, посчитайте, сколько электроэнергии вы планируете расходовать.

Понятно, что выбирать нужно ту модель, которая способна вырабатывать нужное вам количество энергии. Однако будьте внимательны. Каждый ветрогенератор рассчитан на определенную скорость ветра. Это означает, что заявленную производителем мощность он способен выдавать именной при той скорости, которая указана в инструкции к нему.

Если максимальную мощность ВЭУ развивает при скорости ветра 10 -12 м/с, а в вашей местности средний показатель не превышает 4−5 м/с, то не стоит ожидать, что устройство будет вырабатывать заявленное количество электроэнергии. В итоге вы заплатите лишние деньги за то, чего не получите.

Мощность ветрогенератора находится в прямой зависимости от диаметра колеса, образованного лопастями. С погрешностью 20% ее можно рассчитать по формуле: квадрат диаметра помножить на куб средней скорости ветра и разделить полученное значение на 7000. То есть при диаметре колеса, равном двум метрам и средней скорости ветра в вашей местности 3 м/с вы получите около 0,015 кВт электроэнергии. Если же диаметр увеличить в два раза, то ветрогенератор при той же скорости ветра будет выдавать в 4 раза больше электроэнергии - 0,6 кВт. Таким образом, при прочих одинаковых характеристиках, более производителен ветряк с большим размером лопастей.

Не менее важно при выборе ветрогенератора обращать внимание на ёмкость аккумулятора. Если вы живете не в прибрежной зоне, то штиль в вашей местности - явление нередкое. В этом случае система будет работать именно от аккумулятора. А он имеет свойство разряжаться. Поэтому желательно, чтобы помимо него имелся резервный источник энергии.

С этой целью можно приобрести установку сразу с солнечными батареями, или же подключить ветряк к сети. В этом случае он будет лишь компенсировать недостаток электроэнергии в случае необходимости.

Сколько же энергии нужно среднестатистической семье?

1. В городской квартире будет достаточно 0,5 кВт. Чтобы было понятнее, счетчик в этом случае будет показывать 360 кВт ч.
2. Ветряк мощностью 5 кВт может обеспечить такое количество энергии даже в том случае, если скорость ветра невелика.
3. Если же в квартире постоянно работает какой-либо отопительный прибор, то тот же ветрогенератор сможет обеспечить его работу только при такой скорости ветра, которая возможна лишь у береговой линии.

Какое место выбрать для установки ветрогенератора?

Разумеется, устанавливать ветряк нужно в местах, максимально открытых для ветра. Наиболее подходят для этих целей возвышенности, прибрежные зоны, степи, открытые пространства в удалении от зданий. Не стоит располагать ветроэнергетическую станцию и там, где поблизости есть даже невысокие деревья. Пользоваться ветряком вы будете долго, за это время деревья успеют вырасти и будут создавать помехи.

Немаловажный фактор в выборе места для установки такого устройства - наличие соседей рядом. Дело в том, что ветрогенераторы - устройства отнюдь не бесшумные. Кроме того, об их лопасти, как уже говорилось выше, иногда разбиваются птицы. Не каждый сосед готов терпеть такие неудобства. В связи с этим ветряки лучше устанавливать на расстоянии не менее 250 метров от ближайших жилых домов.

В целом, ветряк - наиболее экологически чистый источник энергии, в отличие, например, от дизельной станции. По сравнению с солнечными батареями, также не выделяющими отходов в окружающую среду, он более доступен по цене. Кроме того, ветер дует и днем, и ночью.

Однако, цена ветрогенератора все же велика, поэтому установка его должна быть целесообразной. Если приобрести такую установку из соображений только охраны окружающей среды или в надежде сэкономить сумасшедшие деньги, ничего, кроме разочарования вам это устройство не принесет. Однако, ветрогенератор станет для вас лучшим выходом из положения, если:

• ветер в местности, где вы планируете установить ветряк, дует много дней в году со скоростью не менее 4 м/с;
• ваш дом не подключен к электросети или расходы на электроэнергию очень высоки;
• на вашем участке достаточно места, чтобы установить такое громоздкое устройство;
• факт установки ветрогенератора согласован с соседями;
• вы обладаете достаточным количеством средств на приобретение и обслуживание ветроэнергетического устройства.

Пользоваться ли электроэнергией от обычной сети, приобретать автономный источник или попытаться его изготовить самостоятельно - выбор остается за вами. Если вы делаете выбор в пользу ветрогенератора, помните, что это решение должно быть продиктовано необходимостью, а не быть просто модной тенденцией. Только тщательно продумав все до мелочей, взвесив все «за» и «против», можно приобрести наиболее выгодный источник альтернативной энергии.

Успешно используются в странах Запада, США, Китае. Для использования таких устройств требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам.

Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?

Существующие ныне мощные ветрогенераторы имеют практически одинаковую конструкцию. За основу взят горизонтальный ротор с крыльчаткой. Большие размеры лопастей создают высокую площадь сопротивления потоку ветра, поэтому обычно устанавливается по три . Масса таких установок очень велика - одна из величайших установок Enercon E-126 весит 6000 т. При таких параметрах требуется достаточно сильный и ровный ветер.

Для старта вращения используются специальные электродвигатели. Большинство моделей не имеет устройства наведения, обходятся установкой на преобладающем направлении потока. Обычное место использования - степные или пустынные регионы, прибрежные или шельфовые районы с постоянными и ровными ветрами.

Конструкция мощного ветрогенератора состоит из следующих элементов:

• опорная башня. У образцов меньших размеров это мачта. Башня имеет коническую форму, способствующую большей устойчивости и равномерному распределению нагрузок. Изготавливается на месте путем последовательной заливки бетоном соответствующей опалубки. В основании имеется мощная бетонная площадка, являющая цоколем фундамента, обеспечивающего неподвижность и устойчивость
• гондола. Это камера, внутри которой расположены генераторный отсек, устройства передачи вращения. К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб - это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.
• генератор турбины представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.

Лопасти изготавливаются из специального композитного волокна с включениями стали. В зависимости от размеров они изготавливаются целиком или набираются из отдельных частей. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.

В зависимости от размеров, фирмы-изготовителя и назначения ветряка, могут иметься какие-либо изменения в конструкции, дополнения или иные особенности, присущие только данной модели.

Размеры ветряка

Промышленные ветрогенераторы большой мощности обладают впечатляющими габаритами. Так, уже упоминавшийся Enercon E-126 имеет полную высоту 198 м при размахе лопастей 128 м. Площадь, которую ометают такие лопасти, составляет 12668 м 2 .

Размеры других ветряков соответствуют вырабатываемой мощности. Существуют более крупные или мелкие модели, но все они велики и обладают большим весом. При этом, поверхность земли занимает только основание мачты, вся остальная площадь пригодна для использования под сельское хозяйство.

Примечательно, что мощные ветряки нерентабельны по отдельности . Они используются чаще всего в составе больших ветроэлектростанций, занимающих достаточно большие площади. В составе комплексов насчитываются десятки и даже сотни отдельных установок, объединенных в единую систему и выдающие суммарную мощность в несколько мВт. Они создаются в местах с оптимальными ветровыми условиями, способными обеспечить равномерную нагрузку и стабильную производительность оборудования.

Большие размеры означают высокие цены на оборудование. Так, стоимость турбины Enercon E-126 составляет 11 млн евро. Можно примерно подсчитать стоимость целой ветроэлектростанции, эксплуатационные расходы и затраты на доставку и монтаж таких гигантов. Соответственно, себестоимость энергии достаточно высока, а срок службы относительно низок - около 20 лет.

Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика

Параметры мощных ветряков напрямую зависят от их мощности. Тип конструкции у всех моделей практически одинаков, так как аэродинамика лопастей, оптимальным образом подходящая для установок высокой мощности, должна соответствовать именно такой конфигурации. Поэтому сравнивать можно только пропорции крыльчатки того или иного устройства. Гораздо проще рассматривать мощность установок, поскольку она важнее для любых расчетов и может сказать гораздо больше для потенциального пользователя.

Флагманами в этом направлении являются известные фирмы Siemens, Enercon, Vestas и многие другие. Конкуренция между ними весьма жесткая, так как спрос ограничен, ошибки недопустимы. Отсюда высочайшее качество оборудования, отлаженный механизм работы всех узлов и агрегатов. Примечательно, что спрос на крупные устройства намного ниже, чем на менее производительные. Цена оборудования не позволяет широко распространять его повсеместно, выбор делается в сторону меньших расходов.

Промышленные ветровые электростанции

Функционирование нескольких сотен крупных ветряков способно создавать большие мощности. Создание ветровых электростанций позволило решить проблемы с электроснабжением регионов, не имеющих возможности строительства ГЭС или АЭС.

Примечательно, что запрет на строительство АЭС в ряде регионов мира и отсутствие других возможностей явились причинами возникновения множества ВЭС, хотя эксплуатационные и экономические параметры ветряков уступают более традиционным вариантам выработки энергии. Кроме того, ветроэнергетика признана экологически чистым направлением, что также сыграло немалую роль в развитии отрасли.

В последнее время наблюдаются две параллельные тенденции:

• рост числа мощных установок, объединенных в большие станции
• возрастание интереса к частным источникам, дающим возможность автономного существования без использования сетевых ресурсов

Возникает конкурентная ситуация, когда большие вложения в огромные комплексы перестают покрываться доходами от них, а небольшие установки становятся все более выгодными и удобными. Будущее покажет, какая система станет наиболее распространенной и эффективной.

Ветроэнергетика, использующая ветроколеса и ветрокарусели, возрождается сейчас, прежде всего, в наземных установках.
Ветер дует везде - на суше и на море. Человек не сразу понял, что перемещение воздушных масс связано с неравномерным изменением температуры и вращением земли, но это не помешало нашим предкам использовать ветер для мореплавания.
В глубине материка нет постоянного направления ветра. Так как разные участки суши в разное время года нагреваются по-разному можно говорить только о преимущественном сезонном направлении ветра. Кроме того, на разной высоте ветер ведет себя по-разному, а для высот до 50 метров характерны рыскающие потоки.
Для приземного слоя толщиной в 500 метров энергия ветра, превращающаяся в тепло, составляет примерно 82 триллиона киловатт-часов в год. Конечно, всю ее использовать невозможно, в частности, по той причине, что часто поставленные ветряки будут затенять друг друга. В то же время отобранная у ветра энергия, в конечном счете, вновь превратится в тепло.
Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с. Если выйти на высоту в 100 метров, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат.

Упряжь для ветра

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу или электрогенератору. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает агрегат.
Принципиальная простота дает здесь исключительный простор для конструкторского творчества, но только неопытному взгляду ветроагрегат представляется простой конструкцией.
Традиционная компоновка ветряков - с горизонтальной осью вращения - неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей.
Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью создают шум. Однако главное препятствие на пути использовании энергии ветра все же экономическая - мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. В итоге себестоимость энергии не позволяет ветрякам с горизонтальной осью оказывать реальную конкуренцию традиционным источникам энергии.
По прогнозам фирмы Боинг (США) - длина лопастей крыльчатых ветродвигателей не превысит 60 метров, что позволит создать ветроагрегаты традиционной компоновки мощностью 7 МВт. Сегодня самые крупные из них - вдвое "слабее". В большой ветроэнергетике только при массовом строительстве можно рассчитывать на то, что цена киловатт-часа снизится до десяти центов.
Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более дорогую. Для сравнения отметим, что серийно выпускавшийся в 1991 году НПО "Ветроэн" крыльчатый ветродвигатель, имел размах лопастей 6 метров и мощность 4 кВт.
Его киловатт-час обходился в 8...10 копеек.

Типы ветродвигателей

Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей. Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рисунке. Они
делятся на две группы:
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);
ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Крыльчатые

Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор. Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра (см. рис.) у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных.
В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения.
Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Карусельные

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преимущество в сравнении с традиционными ветряками. При увеличении скорости ветра они быстро наращивают силу тяги,
после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые
электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. multiplicator
умножающий] -- повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.
Еще более важным преимуществом карусельной конструкции стала ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем "откуда дует ветер", что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагрузки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

Ортогональные

Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики. Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определенные трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолете (см. рис. (6)).
Самолет, прежде чем "опереться" на подъемную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой. Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определенных аэродинамических параметров, а уже потом она сама перейдет из режима двигателя в режим генератора.
Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14...16 м/с.
Предварительные расчеты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт. В реалистичной установке мощностью 2000 кВт диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.
У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером. Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами. В этом случае повышается надежность и живучесть ветроустановки.

Неожиданные применения ветроустановок

Реально работающие ветроагрегаты обнаружили ряд отрицательных явлений. Например, распространение ветрогенераторов может затруднить прием телепередач и создавать мощные звуковые колебания.
Ветродвигатели могут не только вырабатывать энергию.
Способность привлекать внимание вращением без расходования энергии используется для рекламы. Наиболее простой - однолопастный карусельный ветродвигатель представляет собой прямоугольную пластинку с отогнутыми краями.
Закрепленный на стене он начинает вращаться даже при незначительном ветре.
На большой площади крыльев карусельный трех-четырех лопастный ветродвигатель может вращать рекламные плакаты и небольшой генератор. Запасенная в аккумуляторе электроэнергия может освещать крылья с рекламой в ночное время, а в безветренную погоду и вращать их.

Опишем некоторые ветряные генератрорные установки

В состав многих ветровых установок входят такие необходимые элементы как разборная мачта, блок управления, нагреватель, соединительные кабели. Кроме того, дополнительно могут предлагаться солнечные батареи, аккумуляторы, инверторы. Однако, указанные элементы, как правило, гораздо дешевле можно приобрести в других местах. Так в частности, предлагаются инверторы типа АКСИОМ или ТРАНСВАТТ (Германия) - с трапециевидной формой тока 1,5 кВт за 1738 $ или типа ГЛОБАЛ (Германия) - с синусоидальной формой тока 1 кВт за 1711 $. В тоже время, аналогичный по мощности инвертор (с функцией UPS) МАП "Энергия" (см. www.invertor.ru) стоит порядка 250 - 300(!) $. Это отечественная разработка (заявка на патент №2001125519), на основе новейших импортных комплектующих.
Для справки: инвертором называется электронное устройство преобразующее постоянное напряжение (например, аккумуляторов) в переменное (в нашем случае - в 220 В).

ГОСУДАРСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ КБ "РАДУГА"

Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 1 кВт "Радуга-001"

Мощность генератора номинальная - 1,0 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,6:25 м/с

Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу однофазного переменного тока частотой 50 Гц, а также выход с аккумуляторной батареи 12 В и 24 В постоянного тока. В безветренную погоду система аккумулирования обеспечивает электроэнергией в течение 4-х суток при экономном режиме потребления. Предусмотрена возможность комплектации ВЭУ панелями солнечных батарей.

Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 8 кВт "Радуга-008"

Мощность генератора номинальная - 8,0 кВт

В установке имеется система автоматического управления, обеспечивающая автоматические запуск и управление ВЭУ в рабочем диапазоне скоростей ветра, автоматические или по командам перевод ВЭУ в режим холостого хода при скорости ветра, превышающей границу рабочего диапазона, или при возникновении аварийной ситуации. При проектировании установки учтены условия эксплуатации в районах Крайнего Севера. Агрегаты и узлы установки испытаны на соответствующие температуры эксплуатации в термобарокамерах.

Сетевая ветроэнергетическая установка мощностью 1000 кВт "Радуга-1"

Мощность генератора номинальная - 1000 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 5:25 м/с

Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу электрической энергии промышленной частоты 50 Гц и сопряжение ВЭУ с энергосистемой. Система выполнена по схеме: синхронный генератор - выпрямительно-инверторный преобразователь - согласующий силовой трансформатор.

В ВЭУ имеется система автоматического управления, обеспечивающая ориентацию ветрового колеса, автоматический пуск и торможение установки, управление углом поворота лопастей, выработку команд для работы в энергосети, диагностирование технического состояния агрегатов ВЭУ, отработку команды дистанционного управления от диспетчерского пункта, обеспечение, при необходимости, ручного управления ВЭУ с терминала местного управления. При проектировании установки учтены условия эксплуатации в районах Крайнего Севера.

Автономная ветроэнергетическая установка мощностью 16 кВт "Радуга-016"

Мощность генератора номинальная - 16,0 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4,5:25 м/с

Система генерирования электрической энергии обеспечивает выдачу 3-х фазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380/220 В, секционированное подключение потребителей (три канала по 2-3 кВт с возможностью их независимого включения). Предусмотрена возможность комплектации ВЭУ панелями солнечных батарей, аккумуляторами, дизель-электрической установкой. В штиль аппарат бесперебойного питания обеспечит электроэнергией мощностью до 500 Вт.

ЦНИИ "ЭЛЕКТРОПРИБОР"

Ветроэлектрическая установка УВЭ-500

Предназначена для автономного снабжения электроэнергией индивидуальных потребителей.

Номинальная мощность - 500 Вт

Выходное напряжение - постоянное 12, 24 В, переменное (с инвертором) - 220 В.

Описание разработки
Установка обеспечивает использование осветительных приборов, электроинструментов, бытовых электроприборов, теле- и радиоаппаратуры, зарядку аккумуляторов. Автономно вырабатывает при работе в буферном режиме с аккумуляторной батареей следующие виды электропитания:
- напряжение постоянного тока 24 В;
- переменное напряжение 220 В 50 Гц (в комплекте с инвертором).
Состав установки: ветроколесо, генератор с поворотным устройством, разборная мачта, блок управления, нагреватель, соединительные кабели. Масса установки без инвертора - 60 кг.
Емкость подключаемой потребителем кислотной или щелочной аккумуляторной батареи - не менее 190 Ач. Установка может работать в комплексе с солнечной батареей мощностью до 300 Вт, а также в режиме без аккумулятора для питания нагрузки, не требующей стабилизации напряжения.
Предусмотрены: индикация состояния аккумулятора, защита аккумулятора от перезаряда и переразряда, автоматическая защита ветроагрегата от механических повреждений при скорости ветра, превышающей 12 м/с. Мощность по постоянному току - до 500 Вт при скорости ветра 10 м/с. Рабочий диапазон скоростей ветра - 3-25 м/с. Диаметр ветроколеса - 2,2 м. Высота мачты - 4,5 м.

Ветроэлектрическая установка УВЭ-1000

Номинальная мощность - 1000 Вт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 2,5:25 м/с

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ КОМПАНИЯ "ВЕТРОТОК"

Ветроэлектрическая установка мощностью 16 кВт

Установка разработана для генерирования электроэнергии в районах с повышенной ветровой активностью, со среднегодовой скоростью ветра 5-6 м/с и более. К таким районам на территории СНГ относятся практически весь Дальний Восток, большинство районов Севера России, Казахстан. В этих местах использование ветро-энергетических установок наиболее целесообразно и экономически обоснованно.

Установка ВЭУ-16 развивает электрическую мощность 16 кВт при расчётной скорости ветра 17,5 м/с. Установки предназначены для снабжения фермерских хозяйств, небольших поселков, производственного оборудования ограниченной мощности. ВЭУ предназначены для работы в автоматическом режиме и не требуют постоянного контроля оператора. Установки могут работать параллельно с сетью или с дизель-генератором. Возможно накопление электроэнергии в аккумуляторах с дальнейшим инвертированием в переменный ток 220 В, 50 Гц. Произведены испытания установки на метеостанции "Тагонай гора" в г. Златаусте, Челябинской области.

Ветроэлектрическая установка с генератором постоянного тока ВЭУ-5-4

Ветроэлектрическая установка ВЭУ-5-4 предназначена для преобразования энергии ветра в электрическую энергию. ВЭУ способна удовлетворить потребность в электроэнергии метеостанций, геологических партий, лесопунктов, фермерских хозяйств, котеджей, небольших населённых пунктов, где нет линий электропередач.

Номинальная мощность генератора - 4,2 кВт

Выходное напряжение (постоянный ток) - 24 В

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:25 м/с

РЫБИНСКИЙ ЗАВОД ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Ветроэнергетическая установка "ВЕТЭН-0,16"

Позволяет получать электроэнергию постоянного тока напряжением 12 В и переменного тока напряжением 220 В, 50 Гц путём преобразования энергии ветра.

Мощность генератора 160 Вт

Ветроэнергетическая установка "ВТН8-8"

Ветроагрегат предназначен для преобразования энергии ветра в электрическую энергию переменного трёхфазного тока напряжением 230/400 В частотой 50 Гц.

Область применения - в составе ветроэлектрических установок (отопительных, зарядных, водоподъёмных, катодной защиты и т.п.).

Мощность генератора - 8000 Вт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,5:25 м/с

Нижнее значение температуры - 40°С

Ветронасосная установка "Водолей"

Предназначена для подъёма воды из источников с помощью энергии ветра.

Производительность при скорости ветра 5 м/с и общей высоте подъёма воды 10 м не менее 300 л/час

Максимальная высота подъёма воды 9,6 м

Ветронасосная установка "Водолей-2"

Предназначена для подъёма воды из скважин и колодцев с помощью энергии ветра.

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3:25 м/с

Производительность при скорости ветра 5 м/с и общей высоте подъёма воды 10 м не менее 200 л/час

Максимальная высота подъёма воды - 30 м

Установка ветроэлектрическая "Шексна-1"

Применяется на объектах, удалённых от энергосистем и расположенных в различных климатических районах с благоприятными ветровыми условиями. Преимущественная область использования - отопление, освещение, питание бытовых электроприборов, систем автоматики и сигнализации и т.д.

Номинальная мощность - 0,5 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3:30 м/с

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАКЕТНЫЙ ЦЕНТР "КБ ИМЕНИ. АКАДЕМИКА В.П.МАКЕЕВА"

Ветроэнергетическая установка ВА05

Номинальная мощность - 30 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:30 м/с

Ветроустановка HR-40

Совместно с фирмой "Magnet Motors" (г. Штарнберг, ФРГ) ведутся разработки ветроустановок мощностью 10, 40, 300 кВт на базе серийно выпускаемых немецкой стороной установок HR-1, HR-40, YR-300.

Без мультипликатора, генератор бегущей волны с непосредственным приводом, возбуждаемый от постоянных магнитов.

Номинальная мощность - 40 кВт.

Рабочий диапазон скоростей ветра - 3,5:26 м/с.

Ветродизельная электростанция ВДЭС-100

Мощность ВЭУ - 100 кВт.

Мощность двух дизель-электрических станций - 60+30=90 кВт.

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4:25 м/с.

АО "ВЕТРОЭНЕРГОМАШ"

Агрегат ветроэлектрический АВЭУ6-4М

Номинальная мощность генератора - 4 кВт

Рабочий диапазон скоростей ветра - 4,5:40 м/с.

Номинальное напряжение - 400/230 В.

Указанными выше изделиями (бензо/дизельгенераторами, солнечными батареями, ветрогенераторами) фирма "МикроАрт" не торгует. Здесь приводятся лишь общие сведения, в качестве справочной информации. Мы предлагаем автономные преобразователи напряжения (источники бесперебойного питания), которые могут работать как совместно с бензо/дизельгенераторами, солнечными батареями и ветрякам, так и независимо от них.

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 . 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.

Ротор савониуса

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.

Летающий ветрогенератор

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).

Beluga SkySails

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).

Windtronics

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.

Optiwind 300

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.

GEDAYC

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.

Honeywell

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.

Maglev Turbine

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ

Ветрогенератор - это устройство для преобразования энергии ветра в электро-энергию, или в механическую для привода в движение механических устройств (например насос на воду). Прародителями современных ветрогенераторов были ветряные мельницы, и с развитием технологий и прихода эры электричества ветряные мельницы уже не только растирали зёрна в муку, или качали воду, но и вращали генераторы вырабатывающие электро-энергию.

Ветрогенераторы бывают промышленные, такие ветряки устанавливает государство или большие энергетические корпорации для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Промышленные ветровые турбины самые большие и мощные на сегодняшний день, мощность отдельных ветрогенераторов исчисляется мегаваттами, но такие ветряки не ставят по одному, а строят огромные ветропарки в местах где ветер наиболее подходящий для стабильной выработки электро-энергии, например на побережьях, или на открытых возвышенностях. Энергия от ветрогенераторов поступает напрямую в электросети, а стабильность и частоту вращения генераторов обеспечивают различные механизмы, например системы регулирования углов установки лопастей относительно набегающего потока ветра, так чтобы обороты ветроколеса, а значит и генератора были стабильными.

Ветропарк в море - промышленные ветрогенераторы

Так-же существуют и коммерческие ветрогенераторы, которые устанавливают с целью продажи электро-энергии, или обеспечения энергией различных производств в тех местах где не хватает собственных мощностей, или электросети отсутствую вовсе. Такие ветро-электро-станции тоже состоят из множества ветрогенераторов различной мощности. Энергия от таких ветрогенераторов может поступать напрямую в электросеть если они вырабатывают стабильное переменное напряжение 220/380 вольт или белее. Или ветрогенераторы используются для зарядки большого массива аккумуляторов, с которого потом энергия преобразуется в переменное напряжение и подаётся в электросеть.

Существуют и обычные бытовые ветряки малой мощности для частного использования, для установки которых не требуется никаких разрешений если высота мачты не превышает 25 метров и ветрогенератор не является помехой для воздушных судов. Такие ветрогенераторы низковольтные и их основная задача заряжать аккумуляторы с напряжением 12/24/48 вольт, а уже из аккумуляторов берётся энергия, которая преобразуется в 220 вольт 50 Гц как в обычной розетке. Ветряки небольшой мощности часто ставят для обеспечения энергией своих частных домов, дач, подсобных хозяйств, или для питания небольших удаленных объектов.

Устройство и конструкции ветрогенераторов

К примеру на ветрогенератор с диаметром ветроколеса 3 метра при скорости ветра 10м/с приходится 5.6 кВт ветровой энергии, но в механическую энергию вращения может преобразоваться максимум 49% энергии, для горизонтальных ветрогенераторов средний коэффициент преобразования энергии ветра 0.4, для вертикальных существенно ниже, для ветряков типа "Савониус" 0.1-0.25, а для ортогональных до 0.4.

Генератор с ветроколесом может быть соединён напрямую и тогда обороты ветро-колеса и генератора будут одинаковые, или может быть установлен редуктор для повышения оборотов генератора. В конструкциях больших ветрогенераторов, которые ставятся в местах со стабильным и мощным вытровым потоком для поддержания стабильных оборотов генераторв используют систему регулировки положения лопастей. Когда ветер усиливается, то лопасти поворачиваются в одну сторону увеличивая угол атаки набегающего потока ветра и ветро-колесо не набирает обороты, а когда ветер ослабевает, то наоборот чтобы ветряк не снизил обороты лопасти поворачиваются на большую быстроходность. Так-же обороты могут поддерживаться увеличением или уменьшением нагрузки на генератор, или тормозной системой. Таким образом генератор работает на одних и тех-же оборотах и даёт стабильное напряжение и частоту переменного тока, например 220 вольт 50 Гц, хотя может выдавать и тысячи вольт.

В небольших ветряках обороты генератора не стабилизируют так-как это очень сложно, да и такие ветряки ставят на небольшую высоту в различных районах где ветер может периодически совсем пропадать и быть очень не стабильным. Для стабильности работы ветро-электро-станции используют аккумуляторы, генератор заряжает аккумуляторы когда есть ветер, а брать энергию с них можно всегда, даже при полном штиле. А для защиты от ураганов применяют систему с уводом ветроколеса от ветра методом складывания хвоста, или тормозят ветро-колесо электро-тормозом.

Для зарядки аккумуляторов между ветряком и АКБ ставится контроллер, который следит за зарядкой АКБ, и при полном заряде чтобы не испортить аккумуляторы контроллер или тормозит винт закорачивая обмотки генератора, или сбрасывает лишнюю энергию на балласт, в качестве которого могут быть установлены тэнны для отопления, или просто большой резистор. Ветрогенератор с контроллером выступает в роли зарядного устройства для блока аккумуляторов, а сама энергия берётся именно из аккумуляторов, а не от ветряка.

Но в аккумуляторах постоянное низкое напряжение, которое бывает 12/24/48 вольт, а для обеспечения дома нужны 230 вольт, по-этому устанавливается инвертор , который преобразует постоянное напряжение в переменное 220 вольт. Но можно обойтись и без инвертора если все потребители рассчитаны на питания от низкого напряжения. Например если массив АКБ на 12 вольт, то можно использовать любые электро-приборы на 12 вольт, автомобильные зарядные устройства, телевизоры, светодиодные ленты и лампочки на 12 вольт, авто-чайники, авто-холодильники и многое другое.

Ветрогенератор - ветряная электростанция

Классический ветрогенератор

Вертикальные ветряки типа "Савониус" или "Бочка" самые низко-оборотистые и малоэффективные ветряки, по-этому чтобы добиться той-же мощности что у горизонтального, такой ветряк придётся делать намного больше по размерам, ставить очень низко-оборотный генератор или мультипликатор, и так-как такую тяжёлую конструкцию не представляется возможным поднять на высокую мачту, то ветряк должен в общем по размерам в два раза больше чем горизонтальный, а генератор в пять-семь раз больше. От этого стоимость таких ветрогенераторов возрастает в пять раз в сравнении с классическими.

По этому ветряки типа "Савониус" не популярны и встречаются довольно редко, хотя в интернете довольно популярны из-за мифов о их эффективности, бесшумности и простоты. На самом деле КИЭВ таких ветряков всего 0.1-0.2 против 0.4 у классических ветяков, бесшумность тоже относительна так-как на ветрах от 7м/с шумит всё, даже деревья. Да и на счёт простоты тоже миф, намного проще на генератор поставить три лёгких и простых лопасти, чем ставить огромный ротор, который от урагана не защитить, и по этому нужна большая прочность конструкции. Пример такого самодельного генератора описан в этой статье - Вертикальный ветрогенератор своими руками

Вертикальный ветрогенератор

Так-же есть и другие типы вертикальных ветрогенераторов, например "Ротор Дарье", он имеет немного болший КИЭВ в сравнении с ветряком типа бочка, но у него очень низкий стартовый момент, и если лопастей всего две, то стартовать он сам не может, по-этому часто делают гибридный ротор Савониус+Дарье. Есть и другие виды со всякими изогнутыми лопастями, много-этажными полу-бочками, но на практике они не далеко ушли от обычной разрезанной бочки.

Вертикальные ветрогенераторы

Генераторы

Генераторы для ветрогенераторов

Для повышения оборотов часто используют мультипликатор, который повышает обороты и тем самым можно получить или больше мощности с имеющегося генератора, или использовать генератор меньших размеров и стоимости. Часто мультипликаторы применяют в вертикальных ветрогенераторах так-как ветроколесо у них вращается значительно медленнее чем у горизонтальных классических ветряков.

Генератор самая дорогая часть ветрогенератора если не считать мачту, которая может быть очень дорогой. По-этому обороты ветрогеннраторов стараются сделать как можно выше чтобы ставить генераторы поменьше. Собственно по этому горизонтальные трёх-лопастные ветрогенераторы получили такое распространение. Там высокие обороты и не требуется мультипликатор для поднятия оборотов генератора, это намного удешевляет и упрощает конструкцию, и при этом у неё самый высокий КПД.

Генератор можно изготовить и самому, да и сделать полностью ветрогенератор своими руками, на страницах сайта есть вся информация по расчёту генераторов и ветряков в целом. Генераторы изготавливают из асинхронных двигателей, из авто-генераторов, а так-же очень популярны так называемые дисковые аксиальные генераторы. Про ветряки на таких генераторах можно почитать в этом разделе Дисковые аксиальные ветряки

Цены на ветрогенераторы и применение

Ветрогенераторы мощностью 300 ватт очень слабые и надо понимать что свои заявленные 300 ватт в час они вырабатывают при номинальном ветре 10-12м/с, а когда ветер 4-5м/с, то выработка составит всего 30-50ватт*ч. Такие ветряки вырабатывают очень мало энергии, которой хватит к примеру на питание мелкой электроники, экономного светодиодного освещения. Не стоит рассчитывать что такой ветряк сможет обеспечить энергией холодильник, телевизор и свет во всём доме. Выработка энергии напрямую зависит от наличия ветра в месте установки ветряка.

Скажем при среднегодовой скорости ветра 3м/с выработка 300 ватт ветряка составит всего около 3-6 кВт в месяц, ну а если ветер будет дуть каждый день со средней скоростью 5м/с, то выработка составит 15-20 кВт, но такие ветреные места бывают не везде.

Цены небольших ветровых турбин начинаются от 15 000 рублей за ветрогенератор с контроллером без аккумуляторов и мачты. А полный комплект состоящий из ветрогенератора, контроллера, аккумуляторов, мачты, инвертора обойдётся от 50 000 рублей и выше.

Для обеспечения энергией небольшого дома или дачи ветрогенератор понадобится мощностью от 1кВт , выработка энергии опять-же зависит от наличия ветра в вашей местности, она может составить 30-100 кВт в месяц. Такого ветрогенератора в принципе хватит на освещение, телевизор, компьютер, насос, а вот с круглосуточной работой большого холодильника ветрогенератор может не справится. Вообще когда ветрогенератор устанавливается для постоянного обеспечения энергией жилого помещения, где энергия требуется каждый день, то дополнительно устанавливают бензиновый или дизельный генератор, который в периоды длительного отсутствия ветра заряжает аккумуляторы. Генератор это необходимое устройство чтобы обеспечить полную бесперебойность автономной ветряной электростанции.

Стоимость полного комплекта от 150 000 рублей, и может доходить до 300-400 т.рублей. Чем больше ёмкость аккумуляторов тем больше времени можно питаться от АКБ при отсутствии хорошего ветра. Так-же аккумуляторы нельзя разряжать глубоко, от этого сильно сокращается срок службы. По этому если к примеру в сутки тратится 2 кВт энергии, то энергии а аккумуляторах должно помещаться как минимум 10 кВт.

Если планируется обеспечить энергией свой частный дом или небольшое хозяйство, то ветряк понадобится мощностью 3-5 кВт . Стоимость полного комплекта от 300 000 рублей и до 1-го миллиона рублей. Здесь уже серьёзная мощность и потребление, по-этому кроме цены ветряка дорогой получается мачта, контроллер, мощный инвертор, и аккумуляторов нужно много чтобы стабильно обеспечивать энергией всю домашнюю бытовую технику.

Если хочется чтобы ветрогенератор ещё отапливал дом, то нужно смотреть на мощности от 10 кВт . Вообще чтобы автономная электростанция была оптимальна по выработке электо-энергии, то просто одного ветрогенератора будет не достаточно. В системе должны быть и солнечные батареи, и бензо-генератор на случай когда совсем нет ни солнца ни ветра. Контроллер должен управлять и ветрогенератором, и солнечными панелями, и заводить бензо-генератор когда энергия на исходе. Всё это оборудование стоит дорого, но если нет возможности подключится к электросетям, то выход вкладывать деньги в ветро-солнечную электростанцию.

Пример использования ветрогенераторов и солнечных батарей для обеспечения электро-энергией частного дома

Ветро-солнечная электростанция

Ветро-солнечная электростанция обеспечивает электроэнергией все потребности частного дома, а это около 300 кВт*ч в месяц. В системе два ветрогенератора общей номинальной мощностью 3кВт, и солнечные панели номинальной мощностью 1,8кВт. Стоимость этой электростанции обошлась в 350 000 рублей. Подробнее в статье