Ветряная электростанция часть 1. Практические расчеты

12308897712dxncqeЭнергия ветра издревле служила человечеству как движитель для парусных судов и ветряков, приводивших в действие мельницы, насосы и другие механизмы. Но из-за стабильности, доступности и дешевизны ископаемого топлива ветроэнергетические установки практически не применялись для производства энергии длительное время.

Ситуация стала меняться благодаря давлению общественности из-за загрязнения окружающей среды и потенциальной опасности атомных электростанций.

После Китая и США третье место по суммарной мощности установленных ветровых электростанций занимает Германия. Решение о государственной программе развития ветровой электроэнергетики после аварии на чернобыльской АЭС.

На данный момент ветровые генераторы в Германии вырабатывают около 50 ГВт электроэнергии, что обеспечивает приблизительно 9% энергетических потребностей страны. Цена киловатт-час электричества составляет около 0,083 евро, и тариф уменьшается на 2% каждый год.


Целесообразность использования энергии ветра

Приведенные выше статистические выкладки наглядным образом доказывают, что ветровые электростанции больше не являются экзотикой, и стали вполне конкурентоспособной энергетической отраслью. И сейчас работают целые исследовательские институты, добавляя в систему охлаждения термоэлектрический генераторный модуль, чтобы повысить эффективность ветрогенераторов, а проектные лаборатории определяют места установки ветряков, стараясь свести к минимуму негативные факторы.

В отношении частного дома искать выгодное место для установки ветрового генератора не приходится, поэтому можно лишь рассчитать эффективность производства электроэнергии исходя из средней скорости ветра, дующего в данной местности.

Существуют карты, на которых указана среднегодовая скорость ветра. Очевидно, что в ветреных регионах выработка электроэнергии ветровыми электростанциями (ВЭС) будет больше.

Среднегодовые скорости ветров в разных регионах России

Можно найти более детальные карты ветров для определенной территории, но полагаться на них при расчетах нельзя – нужно учитывать местные условия рельефа и климата. Очевидно, что на возвышенности ветер дует сильнее, чем в долине, а интенсивность ветрового потока может различаться в несколько раз на разных склонах одной горы.

Поэтому, для проведения точных замеров и составления детальной статистики интенсивности ветров используют специальный прибор – анемометр.

Анемометр — прибор, предназначенный для измерения скорости ветра

Несоответствие ожиданий и реалий использования ветроэнергетики

В среднем мощность промышленных ветрогенераторов составляет 7,5 МВт. На постройку одного такого ветряка уходит от двух недель до месяца. Но намного больше времени уходит на согласование документов, и на различные расчеты.

И не менее года при проектировании новой ветряной электростанции уходит на проведение измерений силы дующих ветров. В домашних условиях можно установить анемометр с компьютерным интерфейсом для непрерывной фиксации данных, но большинство владельцев, устанавливающих ветряк для дома, как правило, полагаются на упрощенные расчеты.

Строительство промышленного ветрогенератора мощностью 6 кВт

Часто случаются ситуации, что из-за неправильных представлений о погодных условиях и характеристиках ветрогенератора, ветроэнергетическая установка не оправдывает ожиданий, и собственники частных домов, желающие обеспечить полную автономию, бывают разочарованы непостоянством ветровой энергии.

Доказано, что при самом лучшем ценовом балансе мощности ветрогенератора и емкости аккумуляторных батарей при стабильном типичном потреблении электроэнергии в течение около 5% времени потребуется работа резервного бензинового генератора.

Система энергоснабжения частного дома, включающая альтернативные источники энергии и резервный генератор

Другими словами данный недостаток электроэнергии можно описать так – допустим, ночью, при минимальном энергопотреблении дул сильный ветер, и домашняя ветряная электростанция работала на полную мощность, аккумуляторы зарядились полностью, а излишек энергии ветрового потока пропал впустую.

Днем ветер стих, а энергоснабжение осуществлялось из заряда аккумуляторов, а вечером уже ощущалась нехватка электроэнергии с необходимостью запуска резервного генератора. Очевидно, что полную энергетическую независимость можно осуществить, совмещая другие альтернативные источники энергии, такие как солнечное излучение, биосинтез, пиролиз, генератор термоэлектрический.


Физические факторы использования энергии ветра

Наглядно действие силы ветра можно представить так – молекулы воздуха с определенной массой, движущиеся с некой скоростью обладают кинетической энергией. Ударяясь о препятствие, молекулы отдают часть энергии, создавая механический импульс силы.

Ощутить мощность соударений миллиардов молекул воздуха можно, пытаясь удержать на ветру раскрытый зонт. В математических единицах энергетический потенциал ветрового потока определяется по формуле:

Зависимость мощности ветрогенератора от воздушного потока

Параметр «S» следует понимать как площадь круга, который очерчивает (ометает) лопастной винт ветрогенератора. Плотность воздуха составляет 1,293 кг/м3 при давлении в одну атмосферу (на уровне моря) и температуре 0ºС. На морозе воздух плотнее (1,395 кг/м3при -20ºС), что внесет небольшие коррективы в расчеты мощности ветрогенератора.

В горных регионах плотность воздуха существенно ниже, что с лихвой компенсируется большой скоростью и стабильностью потоков ветра, поэтому ветроэнергетическая установка в горах является более эффективной, чем на равнине.

Ветрогенераторы, установленные в гористой местности, являются наиболее эффективными

Нужно помнить, что недостатки конструкций ветрогенераторов, трение воздуха и механизмов, образование вихрей не позволяют использовать по максимуму энергию ветрового потока.

В настоящее время показатель коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) в 30% считается достаточно хорошим.Теоретически возможно увеличение вплоть до 50% КИЭВ. Данный порог обусловлен потерей энергии ветра на раскручивание воздуха вдоль оси ветрогенератора (завихрение).

Практические расчеты

Можно для понимания процессов округлить начальные величины, применив трехлопастной винт. Допустим V=10 м/с, площадь S=10м² (радиус винта 1,78 м), а плотность ρ принять 1,3кг/м3. Таким образом, N=1,3*10*1000/2=6500 (Вт). Умножаем на 30% (КИЭВ): 6500*30/100=1950 (Вт). При таком раскладе генерацию почти двух киловатт электроэнергии (без учета КПД электрогенератора) можно считать весьма обнадеживающей.

С учетом потерь на электрогенераторе, кабеле, заряде аккумулятора и инвертора можно стабильно рассчитывать на приблизительно 1 кВт электроэнергии на выходе домашней ветряной электростанции, если ветроэнергетическая установка имеет приведенные выше параметры.

Устройство ветрогенератора с трехлопастным винтом

Но, если взять скорость ветра преобладающую в большинстве регионов (4м/с) то полученный результат, с учетом КИЭВ будет: (1,3*10*4*4*4/2)*30/100=124,8 (Вт), и это без учета потерь на остальных компонентах домашней ветровой электростанции.

Такой мощности хватит лишь на стабильную беспрерывную  работу ноутбука и зарядку мобильных телефонов. При снижении скорости ветра до 3м/с результат на выходе и вовсе будет мизерным: (1,3*10*3*3*3/2)*30/100=52,65 (Вт).

Если еще снизить скорость ветрового потока до двух метров в секунду, то выход мощности будет: (1,3*10*2*2*2/2)*30/100=15,6 (Вт). Но, практика показывает, что при скорости ветра 2м/с и ниже,  трехлопастной винт даже не раскрутится. Поэтому при низких скоростях ветра используют тихоходные винты, увеличивая количество лопастей, или применяя роторы других конструкций (Дарье, Ленца, Савониуса), у которых меньше КИЭВ, но они более «восприимчивы» к слабым дуновениям воздуха.

Ветроэнергетические роторные установки различных конструкций

Конструкции ветрогенераторов

Существует ошибочное мнение, что с увеличением у винта количества лопастей растет мощность ветрогенератора, но это в корне не так – ведь вращающиеся лопасти создают вихрь, и чем больше их в ветряке, тем большее количество энергии ветра будет расходоваться на закручивание воздуха вокруг оси винта.

В идеале самым эффективным является однолопастной винт, создающий меньше всего завихрений, при этом обладающий большой быстроходностью и требующий значительных скоростей ветра.

Однолопастной винт ветрогенератора, создающий минимальные завихрения

Поэтому типичный ветряной генератор имеет три лопасти, как наилучший компромисс между тихоходностью и потерей энергии на завихрения.В приведенных выше расчетах использовался гипотетический лопастной винт с размахом (диаметром) 1,78*2=3,56 м.

Это довольно громоздкая конструкция, очень сложная для самостоятельного изготовления и установки. Народные умельцы делают лопастные винты меньшего диаметра из подручных материалов, изготавливая лопасти для ветрогенератора своими руками, например из канализационной ПХВ трубы.



Как видно из видео, подобная ветроэнергетическая установка не в состоянии обеспечить потребности дома в электричестве целиком, но с ее помощью можно достичь значительной экономии электроэнергии. Лопасти данного ветряка не имеют идеального поперечного сечения, из-за чего снижается КИЭВ, но простота конструкции и минимум затрат на изготовление, а также наличие в домашнем хозяйстве лишнего автомобильного генератором делают изготовление подобного самодельного ветрогенератора целиком оправданным.

Для самостоятельного проектирования винтов и лопастей необходимо обладать познаниями в аэродинамике, знать такие понятия как шаг винта, угол атаки лопасти, сопротивление материалов, турбулентность и т. п.

Геометрия лопасти имеет сходство с крылом самолета, но у ветряка угол атаки для максимальной эффективности ветрогенератора должен изменяться по мерее отдаления от оси вращения. Следует детально изучить специальную литературу, а также посоветоваться с умельцами на различных форумах, прежде чем пытаться проектировать и изготовлять лопастные винты.

Поперечные разрезы лопасти винта ветрогенератора

Поэтому многие умельцы обращают внимание на другие конструкции, например, турбины с вертикальной осью, которые более тихоходные с меньшими требованиями к точности расчетов и требований безопасности. Изготовить такой роторный ветрогенератор своими руками можно в домашнем гараже из подручных материалов и большой бочки, как показано в видеоролике ниже:



Большие перспективы имеются у ветряков с более сложной конструкцией, например, ротор Онипко. На видео ниже мастер наглядным образом демонстрирует, что экспериментальная ветроэнергетическая установка является вполне работоспособной, хотя и сделана из обычного картона.

Эксперименты показывают, что данный самодельный и несовершенный ротор Онипко имеет даже лучшие характеристики, чем заводской трехлопастной винт вентилятора такого же диаметра.


Заканчивая короткий и далеко не полный обзор различных ветровых энергоустановок, следует обратить внимание на экзотические роторы, которые помимо генерации небольшого количества электроэнергии могут использоваться как художественные элементы ландшафтного дизайна загородного дома, как показано в красочном видеоролике ниже:


Похожие статьи

Поделитесь статьей с друзьями:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *