Ветряные электростанции: какие бывают и как выбрать для частного дома

Ветряные электростанции: какие бывают и как выбрать для частного дома

Первые подобные устройства стали появляться в конце 19 века, а к сегодняшнему дню они приобрели особую актуальность. Ветряные электростанции (ВЭС) становятся перспективным источником возобновляемой энергии, без них не обойтись в отдаленных и труднодоступных районах, а также там, где поблизости нет магистральных сетей. Разбираемся, как устроен ветряк, как работает ВЭС и какие ограничения работы существуют, стоит ли приобретать ветряную электростанцию для частного хозяйства.

Как работают ветрогенераторы

Человечество использовало энергию ветра тысячелетиями, сооружая ветряные мельницы. ВЭС работает по тому же принципу; только устройство выполняет не механическую работу, а служит для выработки электричества. Следует различать ветрогенератор или ветряк – это ветроэлектрическая установка, одиночное устройство, и ветряную электростанцию, множество ветряков, объединенных в единую сеть.

Основными компонентами конструкции являются следующие элементы:

• Ротор с лопастями аэродинамической формы.
• Коробка передач (редуктор), которая служит передаточным звеном между ротором и генератором.
• Корпус, служащий защитой для механических и электрических и электронных компонентов системы ВЭС.

Когда ветер приводит в движение лопасти, закрепленные на опоре; они начинают вращается, и раскручивают ротор генератора. Выработанное таким образом электричество сначала поступает в инвертор, где ток преобразуется из постоянного в переменный, затем подается в аккумулятор, где становится доступным для потребителя.

Разновидности ВЭС

Современные ветряки для выработки электроэнергии разнообразны по устройству, размерам, типу и модификациям. Их можно классифицировать по следующим качествам:

• Тип ветротурбин. Он определяется направлением оси вращения, вертикальной или горизонтальной. Более распространены устройства с горизонтальной осью вращения, как более производительные. У вертикальных аналогов выработка электроэнергии несколько меньше, зато они более устойчивы в критических погодных условиях.
• Количество лопастей. Вращение совершает лопастной винт, устройство с двумя, тремя и более лопастями.
• Технические характеристики винта (способ управления лопастями). Основной параметр – это шаг винта; он зависит от угла установки лопастей по отношению к плоскости вращения. Шаг лопастей бывает фиксированным или изменяемым. Первый вариант более практичен: устройство проще в эксплуатации и менее подвержено поломкам.

• Материал изготовления лопастей. Жесткие рабочие лопасти изготавливают из полимерных композитов. Парусные – из нетканых слоистых материалов, а также из парусины или брезента. Парусные лопасти способны менять площадь рабочей поверхности; они стоят дешевле, но и прочностью уступают полимерным изделиям.

Что качается размеров, то ветряные станции можно условно разделить на три группы:

• Высота промышленных установок, образующих наземные, прибрежные или шельфовые электростанции, доходит до 200 м (размах лопастей до 120 м). Подобные ветряные фермы, известные по впечатляющим фотографиям и съемкам, вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, достаточные для обеспечения потребностей сотен домов.
• Средние ветряки рассчитаны на обеспечение небольших объектов: ферм, частных домов. Они производят не более 100 кВт электроэнергии, которая может использоваться как дополнительный, резервный так и основной источник питания.
• У самых маленьких устройств мощность не превышает 20-300 Вт. Компактные ветряные электростанции удобны для подзарядки аккумуляторов; везде, где электричество используется периодически и в небольшом количестве.

Смотрите также:
Каталог компаний, что специализируются на электротехнических работах любой сложности

ВЭС для частного дома: о чем надо подумать перед покупкой

Идея использования чистой энергии буквально из воздуха привлекательна для владельцев частных наделов и подсобных хозяйств. Однако небольшие воздушные электростанции далеко не всегда оказываются эффективными, и важно заранее понять, оправдает ли такая установка затраты на приобретение. Компактная ВЭС станет экономически эффективной лишь в регионах с определенной ветровой нагрузкой. Кроме того, должны выполняться некоторые другие условия.

Ветреные перспективы: выбор места

Мечты о небольшой станции, способной обеспечить дом или усадьбу, могут так и остаться мечтами, если ветреные дни в данной местности случаются не часто. Приемлемую экономическую эффективность обеспечивают следующие условия:

• Ветер дует в течение многих дней. Если вы не уверены в погодных условиях своей местности, сомнения поможет снять карта ветровых нагрузок. Она показывает, где более-менее стабильно дуют ветры, а где регионы безветренные. Кроме карты ветров за информацией можно обратиться к архивам местной метеорологической станции.

• Качество ветра. В целом, чтобы ветровая станция стала экономически выгодной, минимальная среднегодовая скорость ветра должна начинаться от 4-4,5 м/с (14,4-16,2 км/ч).
• Стабильность ветра. Даже при стабильно ветреной погоде электроэнергии не всегда будет вырабатываться достаточно. Продуктивность сильно зависит от изменений скорости ветра. Если ветер порывистый, и его сила меняется в пределах 10%, то выработка электричества будет колебаться уже в пределах 25%.

Место для установки ветрогенератора также должно удовлетворять определенным условиям; важны следующие факторы:

• Открытое пространство. Ветер развивает максимальную скорость в степи, у береговой линии, на возвышенности (например, на вершине холма).
• Отсутствие препятствий. Отдача от ВЭС снижается, если установить ее недалеко от строений и деревьев. Думайте на перспективу: молодые невысокие деревья вырастут, а ветряк – нет.

Об установке ветряной электростанции для частного дома задумываются владельцы, чьи затраты на электричество неприлично высоки, или электрическая линия находится далеко. Даже если есть желание инвестировать деньги в ветрогенератор (а это дорогая инвестиция с низкой скоростью окупаемости), нужно убедиться в выполнимости следующих условий:

• Для установки ветряка хватит места.
• Местная администрация разрешает установку бытовых ВЭС.
• У вас не будет проблем с соседями.

Ветряк придется ставить подальше от соседей, а их придется заранее информировать о своих планах, чтобы избежать ссор и судебных разбирательств в будущем. Дело не только в безопасности, но и в шуме, который издает работающее оборудование.

Стандартная (большая) установка при полной загруженности генерирует шум мощностью 34-45 дБ, что эквивалентно шуму мчащегося по шоссе автомобиля. Компактное устройство шумит не больше, чем кондиционер. Рекомендованное расстояние от крупного ветряка до жилых домов составляет 30-40 м, тогда шум не будет доставлять дискомфорт.

Читайте также:
Длина лопасти ветрогенератора

Размер и мощность: как сравнивать разные ветроустановки

Вопрос размера ветряной электростанции крайне важен для будущего владельца, так как он тесно связан с мощностью ветряка. Строго говоря, сначала необходимо определиться, насколько мощная установка вам нужна, чтобы не переплачивать за лишнюю мощность (если только вы не собираетесь продавать электроэнергию).

Для начала необходимо выяснить, сколько энергии потребляет ваше домохозяйство в год. Можно взять расход за последний год или вычислить среднее за несколько последних лет. Как вариант, можно взять расход за один месяц и умножить на 12. Полученное число можно использовать при выборе подходящей модели ветротурбины.

Затем нужно приблизительно оценить, сколько электроэнергии можно получить в действительности от той или иной модели ветреного генератора. Существует некоторая путаница в понятиях, описывающих работу устройства. Например, номинальная мощность – та, которую развивает установка (лопасти). Это значение часто (и ошибочно) используют, сравнивая разные модели.

Ошибка заключается в том, что реальная мощность, которая попадает потребителю – это мощность инвертора (преобразователя); именно он получает энергию от ветроустановки и аккумуляторной батареи. Реальная мощность не совпадает с номинальной, а меняется в режиме реального времени, вслед за изменением скорости ветра.

Проблема связана с тем, что в отрасли отсутствует единый стандарт измерения выходной мощности. Это приводит к тому, что фирмы-производители указывают выходную мощность при разных скоростях ветра.

Видео описание

О том, как работает ветряная электростанция, в следующем видео:

Диаметр ветроустановки, рабочая площадь лопастей и мощность – взаимосвязанные параметры. Рабочая площадь пропорциональна квадрату диаметра, а мощность (а, значит, и выработка энергии) пропорциональна, в свою очередь, рабочей площади. Поскольку зависимость нелинейная, то при сравнении энергетических возможностей разных моделей ВЭС это надо учитывать. Например, если диаметры двух ветряков отличаются в 1,5 раза, то мощность – уже в 2,25 раза (1,5х1,5).

Поэтому корректными будут следующие способы сравнения двух ветряков:

• Если сравнивается номинальная мощность, то берутся значения при равных расчетных скоростях ветра.

• Чтобы оценить реальные возможности, проще проводить оценку по диаметру ветротурбины и выработке энергии.

Также важно понимать, что установка в среднем будет работать на треть рассчитанной мощности, в чем будет виноват слабый ветер или его отсутствие. То есть, если для беспроблемного функционирования частного дома нужен источник электроэнергии мощностью 2-3 кВт, то потребуется ВЭС мощностью 5-6 кВт.

Чтобы избежать ненужных потерь мощности, стоит внимательно относиться к выбору места и размера опоры. Желательно, чтобы конструкция, на которой монтируют ветрогенератор, была на два-три метра выше, чем окружающие преграды в радиусе 200 (а лучше больше) метров.

Видео описание

Об эффективности ветроустановок в следующем видео:

Читайте также:
Альтернативные источники энергии и что можно использовать для частного дома

Цены ВЭС для частного дома

Производством промышленных, коммерческих и бытовых ветрогенераторов заняты компании по всему миру; крупнейшие производители – родом из Дании, Китая, США, Германии, Индии, Испании. На стоимость ветрового генератора влияет место его изготовления и мощность.

Установки мощностью менее 100 кВт относятся к малой ветроэнергетике. Если мощность не превышает 1 кВт, то это микро-ветровое устройство, которое можно использовать, например, на яхте или для водоснабжения фермерского хозяйства. Для частного хозяйства или в качестве ветрогенератора для дачи подходят следующие разновидности ВЭС:

• Устройство мощностью порядка 3 кВт (48V). Ветрогенератор стоимостью 150-160 тыс. руб. способен обеспечивать энергией коттедж на постоянной основе, или в качестве дополнительного источника. Обычно цена включает мачту и контроллер.
• Устройство на 5 кВт (120V). Подходит для регионов со стабильными ветрами и уверенно обеспечивает большой дом, наполненный бытовыми электроприборами. Ценник находится в диапазоне 320-360 тыс. руб.
• Устройство на 10 кВт (240V). Ценник начинается от 600-670 тыс. руб., устройство обеспечит электроэнергией нескольких загородных домов или ферму. Энергии хватит не только для бытовых нужд, но и для использования строительных инструментов.

Видео описание

О ветряке для дома на 2,5 кВт в следующем видео:

Читайте также:
Автономное энергоснабжение: виды и основные характеристики

Коротко о главном

Приобретение ветрогенератора для дачи, фермы или частного дома станет хорошим решением, если у вас нет возможности подключиться к централизованной ЛЭП, или, если вы хотите иметь резервный источник электроэнергии. Устройство будет полезным (эффективным) в регионах со стабильно дующими ветрами.

При сравнении разных моделей ВЭС необходимо опираться на корректные параметры: оценивать не номинальную, а реальную мощность. Перед покупкой важно убедиться, что у вас есть подходящее место для ветровой установки, и соседи не будут против ветроустановки.

Ветряки растут в сторону проектов сталинских времен: хорошо это или плохо?

В 2020 году ветряки в ЕС выработали столько же электричества, сколько угольные станции. Однако главные их достижения в последние годы не в количестве, а в качестве: меняется сам облик ветровой турбины. Существующие ветряки оснащают более длинными лопастями, а высота самых крупных превысила четверть километра. Между тем все это в истории уже было: именно так развивалась ветроэнергетика в СССР 1930-х. В 1937 году предполагалось строительство ветряка, чья мощность была бы рекордной даже сегодня. Разумен ли новый виток гигантомании в эоловой энергетике или речь идет просто о моде?

©Wikimedia Commons

Сегодня ветровая энергетика – безусловно, признанный игрок мирового масштаба. Она дает около 7% всего вырабатываемого на планете электричества, и темп роста мощностей ветряков вновь превысил 10% в год. Вполне вероятно, что к 2030-му доля ВЭС в мировой генерации составит одну седьмую – даже несмотря на протесты европейских бюргеров, практически заморозившие рост эоловой энергетики на, например, землях Германии.

Это быстрое развитие серьезно расходится с теми представлениями о ветряках, что все еще встречаются в России: мол, их энергия дорогая, а земли для ветряков в той же Европе почти не осталось. На деле мы находимся все еще в начале роста этого сектора, и вряд ли место для него закончится в обозримом будущем.. Попробуем разобраться почему.

Выше, быстрее, мощнее

Ключевое направление развития современных ветряков – их рост ввысь. Средний ветряк 1999 года был всего 40 метров в высоту при размахе лопастей в 24 метра. Средний ветряк постройки 2016-го достигал высоты 128 метров при размахе лопастей в 109 метров. Рост размаха лопастей в 4,5 раза привел к увеличению ометаемой ими площади в 20 раз, а мощность при этом подскочила в 57 раз. Но следует понимать, что средние цифры скрывают от нас результаты самых прогрессивных конструкций.

Cегодня одним из таких ветряков признан Haliade-X от General Energy. Размах его лопастей – 220 метров, общая высота – 260 метров, то есть от нижнего края нижней лопасти до земли остается 40 метров. Мощность достигает 13 мегаватт, а коэффициент использования – 60-64% (в условиях Северного моря). Следовательно, годовая выработка равна такой, которую ветряк может дать при работе на полную мощность 60-64% от всего времени. Для обычных офшорных ветряков выдающийся результат — 45%; Haliade-X превосходит их за счет много больших высоты и размаха, стабилизирующих выработку. Ветер на большой высоте более устойчивый, что и обеспечивает столь значительную разницу.

Может показаться, что вся эта гигантомания не нужна и даже вредна. Лопасти длиннее 100 метров исключительно тяжело перевозить. Строительство башни высотой с пирамиду Хеопса – тоже не самое легкое дело. Почему бы не создать больше ветряков куда меньшей мощности?

От главшишки – к мегаветрякам

На этот вопрос ответили почти век назад еще в СССР. Тогда наша страна оказалась в уникальной ситуации: множество специалистов из промышленности и энергетики покинули ее. Подготовить новые кадры оказалось чрезвычайно сложно: школы и вузы пали жертвой непрерывного реформирования, в процессе которого упразднили (до сталинских тридцатых) систему уроков и другие «устаревшие» концепции. Вдобавок Советский Союз был в серьезной блокаде: наиболее продвинутые технологии того времени, в том числе энергетические турбины, не получалось импортировать.

Ситуация была крайне тяжелой: без инженеров добыча угля резко упала, и восстановить ее на дореволюционный уровень не удавалось до 1928 года. Власти стали искать альтернативы такой сложной технологии, как добыча угля. Владимир Ленин считал ею торф и одно время даже шишки, которыми предполагали топить паровозы («Главшишка»). Как легко догадаться из общефизических соображений, торф и шишки закрыть вопрос не могли – поэтому поиски альтернатив продолжались.

Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) к 1931 году создал и развернул в Крыму первый на планете ветряк мощностью 100 киловатт. Судя по картинке выше, эта установка была крупнее типичного ветряка 1999 года. При этом она имела вполне современную компоновку: три лопасти с горизонтальной осью вращения, автоматически ориентировавшиеся по ветру. Центр ее ротора закрыли аэродинамически эффективным обтекателем (на тот момент – редкое явление), что снижало турбулентность рядом с лопастями, заметно сокращавшую отдачу ветряков того времени.

На Западе лидерами ветровой энергетики тогда были Германия и Дания, но крупнейшие местные ветряки имели лишь 50-70 киловатт при размахе лопастей до 24 метров – и эффективных обтекателей на центральной части ротора у них не было.

Однако ветряк ЦАГИ должен был стать только началом. Известный пионер космонавтики Юрий Кондратюк создал проект куда большего масштаба. На плато Бедене-Кыр (Перепелиная гора, 1300 метров) в Крыму предполагали построить 165-метровую монолитную железобетонную башню. На ней смонтировали два набора лопастей диаметром 80 метров каждый – и верхний край верхней лопасти по высоте заходил за 200 метров. Над уровнем моря, благодаря горе, он возвышался на полтора километра, что должно было дать высокую среднюю скорость ветра. Мощность колоссального мегаветряка оценивали в 10-12 мегаватт. Иными словами, это был аналог Haliade-X от General Energy – только не в 2020 году, а в 1930-х.

Стоит отметить, что необычную конструкцию породил и необычный человек. Юрий Кондратюк – легальное имя белого офицера, которого на деле звали Александр Шаргей (документы на Кондратюка он похитил неизвестным образом в неразберихе Гражданской войны). Вообще, он увлекался в основном космонавтикой, но работа в «летающих» областях сделала бы его биографию предметом проверки соответствующих органов. Поэтому Кондратюк занимался менее «звездными» вопросами и пытался избежать ареста.

Космический размах проекта имел огромное экономическое значение. В сравнении со 100-киловаттным ветряком ЦАГИ новый ветряк-небоскреб был как минимум в 100 раз мощнее, а стоил лишь на порядок больше. Это значило, что электроэнергия от него должна была быть куда дешевле – на уровне тепловых электростанций. И это крайне важно, поскольку к 1930-м СССР уже не только вернул в школы уроки, но и в целом наладил энергетическое машиностроение, а также восстановил добычу угля. То есть ветроэнергетика могла быть только экономически осмысленной – и ее ветряки должны были стать гигантскими.
Увы, самоубийство Серго Орджоникидзе, наркома тяжелой промышленности, в 1937 году положило конец проекту: «двигал» идею лже-Кондратюка именно он.

И очень жаль: проект мегаветряка был хорошо проработан. Как легко видеть на иллюстрации, ее разрабатывал В. Н. Никитин, позднее участвовавший в проектировании Останкинской телебашни, с которой у проекта ветряка 1930-х есть некоторое сходство и во внутренней конструкции, и во внешнем облике.

Забавно, с современной точки зрения, выглядели тезисы тех, кто закрывал проект после смерти Орджоникидзе. «Это стремление к гигантомании!» – безапелляционно характеризовал проект один оратор, разрубая рукой воздух. «Подобных разработок нет даже за рубежом!» – вторил ему другой. Теперь такие проекты за границей есть, и стремление к огромным размерам турбин – единственный способ обеспечить низкую стоимость их энергии. Более того, России снова приходится осваивать гигантские ветряки сегодня, но уже, конечно, импортные.

Назад в 2020-е

Идея, стоящая за современной гигантоманией в области ветряков, принципиально та же, что в 1930-х: чем выше ветряк, тем он дешевле. Строить сооружения высотой до 370 метров люди научились еще в 1920-х, и цена их уже тогда не была запредельной. Между тем удвоение размеров ветряка наращивает его стоимость лишь вдвое, а мощность и выработку – сразу в четыре раза.

Из этого очевидно, что уровень проекта Шаргея (10-12 мегаватт, аналогичный по мощности крупнейшему ветряку современности) превзойдут уже в этом десятилетии. Сегодня обсуждают проектирование 16-мегаваттных гигантов, чья высота достигнет 300 метров, и это явно не предел.

Разумеется, такие системы почти невозможно создавать на суше: перевозить лопасти в 150 метров по автодорогам непрактично, а гигантских дирижаблей в стиле 1930-х на планете просто нет. Однако в море все иначе: там длина лопастей никого не ограничивает. К тому же на море за год ветряк выработает в полтора раза больше энергии, чем на суше. Если для сухопутной ветротурбины коэффициент использования установленной мощности – лишь 30%, то для современной морской 45% – вполне достижимый результат.

До недавних пор развитие оффшорной ветроэнергетики тормозилось тем, что на Земле не везде много мелководного шельфа. Однако уже построили первую плавающую ветроэлектростанцию – Hywind Scotland, состоящую из ветряков на шесть мегаватт, плавающих на крупном погруженном буе. Он весит десять тысяч тонн для каждой турбины, но, как ни странно, по цене мало отличается от башен оффшорных ветряков, строящихся на мелководье. Все дело в том, что плавучие конструкции возводят целиком на верфях, а это обнуляет стоимость работ по установке неизбежных при строительстве опор башен на мелком шельфе. Теперь плавучие турбины можно устанавливать на глубинах до 800 метров – но дальше требуются слишком большие якоря.

За счет «отвязки» от мелководий энергетический потенциал ветряков-оффшорников резко вырос. Только основная часть США (без Аляски) может установить на удалении до 370 километров от берега достаточно плавучих ветряков, чтобы вырабатывать по 7,2 триллиона киловатт-часов в год. Это почти вдвое больше того, что потребляют Штаты сегодня.

В среднем на один квадратный километр морской поверхности компании, работающие в ветроэнергетике, планируют устанавливать примерно по три мегаватта мощности ветряка, а выработка со все той же единицы площади будет по 10 миллионов киловатт-часов в год. Значит, для удовлетворения всего потребления современного человечества оффшорными плавающими ветряками достаточно покрыть 2,5 миллиона квадратных километров. Цифра кажется огромной, но это менее одного процента общей площади морей Земли – и менее 10% площади всех прибрежных морей.

Кстати, сегодня стоимость электричества от новых оффшорников находится вполне на уровне угольных ТЭС – несмотря на длинные кабели, уходящие в море, и прочую непростую инфраструктуру нового источника энергии.
Но и это далеко не все: «гигантомания» начинает постепенно затрагивать и те ветряки, что давно построили, причем даже на суше. В США идет массовая кампания не просто строительства более крупных ветряков, но и переоснащения старых более длинными лопастями. За один 2019 год в Штатах переоснастили 1800 старых ветротурбин, поставив на них более длинные лопасти – но не меняя генераторы.

Казалось бы, зачем, если максимальную мощность ветряка так не поднять? Однако смысл есть – и большой. Во-первых, более длинные лопасти захватывают больше ветра и за счет этого могут работать большее количество часов в году. Во-вторых, масса лопастей современного ветряка порой достигает 100 тонн на одну установку. Чем длиннее лопасти, тем они тяжелее и тем больше их инерция. Когда ветер дует порывами, ветряк с менее крупными лопастями зачастую способен давать перебои в поставках энергии. Лопасти покрупнее работают еще чем-то типа механического аккумулятора энергии, «выравнивая» подачу от ВЭС в сеть.

Тренд на увеличение размеров уже привел к росту коэффициента установленной мощности новых ветряков. В Штатах в 2004-2012 годах новая ветротурбина имела такой коэффициент всего в 31% (при работе на полную мощность на протяжении 31% от всего времени в году – то есть 2716 из 8760 часов). Уже в 2014-2018-х показатель вырос до 41%: следовательно, отдача с киловатта мощности подскочила на целую треть.

Возобновляемая энергетика: фундамент для цивилизационной катастрофы?

Десятилетний юбилей аварии на Фукусиме породил в западной прессе единодушно бодрые комментарии: ветровая и солнечная энергия стали дешевле атомной, поэтому те страны, что все еще развивают АЭС, пос.

Источник https://m-strana.ru/articles/vetryanye-elektrostantsii/

Источник https://naked-science.ru/article/nakedscience/megawind