Ветрогенераторы и их секреты
Вопрос целесообразности установки ветрогенераторов решается средней скоростью ветра в рассматриваемой местности. Начиная со скорости ветра 4 м/с установка ветрогенератора уже считается целесообразной, а при 9-12 м/с - ветрогенератор работает с максимальным КПД.
Финансовые затраты на установку, вырабатывающую 1 кВт электричества от энергии ветра либо солнца, примерно одинаковы. Но если в южных областях, где количество солнечных дней высоко, выгоднее устанавливать гелиосистемы, то в северных широтах, особенно в прибрежных регионах, использование ветрогенераторов вне конкуренции.
Принцип действия любого ветрогенератора, независимо от его размеров:
- напор ветра приводит во вращение колесо с лопастями;
- крутящий момент посредством редуктора передается к валу генератора ВЭУ;
- вал с ротором ветрогенератора, вращаясь в его статоре, вырабатывает постоянный электрический ток;
- аккумуляторные батареи накапливают неиспользуемую на текущий момент электроэнергию;
- инвертор преобразует постоянный электрический ток в переменный, с напряжением 220В и частотой 50Гц.
Ветрогенераторы классифицируются по следующим критериям:
- По оси вращения (горизонтальные или вертикальные);
- По количеству лопастей (двух- и трёхлопастные, многолопастные);
- По материалу лопастей (жёсткие лопасти, парусные ветрогенераторы);
- По шагу винта (фиксированный, изменяемый).
Рассмотрим указанные виды ветрогенераторов подробнее:
Горизонтально-осевые ветрогенераторы - характеризуются высокой скоростью вращения и, соответственно, достаточно высоким КПД. Большинство ветроэнергетических установок используют ветрогенераторы именно с горизонтальной осью вращения.
В конструкции любого горизонтально-осевого ветряка предусмотрена возможность автоматического поворота головной части в поисках оптимального потока ветра. Все оборудование ветрогенератора так же расположено в головной части, которая под час находится очень далеко от земли. Огромные мощные промышленные ветроустановки обслуживаются даже с привлечением вертолетов.
Вертикально-осевые ветрогенераторы - не зависят от направления ветра и начинают свою работу даже при малейшем ветерке. К тому же они гораздо проще в обслуживании из-за расположения основного оборудования на земле..
Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения выпускаются с различными роторами:
- роторы Савониуса имеют по горизонтали имеют S-образную форму, характеризуются небольшой скоростью и большим крутящим моментом.
- роторы Дарье - несколько узких лопастей полукруглой или треугольной формы с профилем крыла; роторы Дарье характеризуются малым моментом вращения в начале движения, что компенсируется большой скоростью.
- роторы Магнуса (разновидности - роторы Флетшера и Мадараса), принцип действия - при обтекании цилиндра потоком воздуха и его вращении возникает сила, перпендикулярная направлению потока.
- многолопастные роторные ветрогенераторы с направляющим аппаратом - снаружи их установлены несколько поворачивающихся плоскостей, направляющих поток воздуха на вращающиеся лопасти; поскольку поток воздуха подается под самым оптимальным углом, энергоэффективность такого устройства повышается в разы.
Однолопастные ветрогенераторы – вместо второй лопасти в них установлен небольшой обтекаемый противовес. Однолопастные ветрогенераторы развивают высокую скорость, за счет чего можно уменьшить вес и габариты ветроустановки.
Двухлопастные ветрогенераторы – отличаются от однолопастных наличием полноценной второй лопасти.
Трехлопастные ветрогенераторы – широко используются в промышленном секторе, подавляющее большинство промышленных ветроэнергетических установок используют трехлопастную конструкцию и по мощности достигают 5–8 МВт.
Многолопастные ветрогенераторы – имеют от 4х до 50 лопастей; многолопастные устройства тихоходны, характеризуются большой силой вращения; в прошлые века, например, такие ветроустановки использовались, как мельницы, для водяных насосов и т.п.
Так как от формы лопастей ветрогенератора напрямую зависят мощность и обороты ветродвигателя, следовательно лопасти являются наиболее важной частью ветроэнергетической установки.
Оптимальность формы и параметров лопастей ветрогенератора зависит от материала, из которого лопасти изготовлены. Сегодня самые распространенные варианты материалов для лопастей: полихлорвиниловая труба, алюминий, стекловолокно.
Лопасти парусного типа достаточно просты в изготовлении, но требуют замены после каждого более-менее сильного ветра.
Для исключения биения лопастей ветрогенератора при их вращении обычно выполняется их балансировка. Смысл этого мероприятия состоит в том, чтобы при свободном вращении лопастей, ветроколесо всегда останавливалось в произвольном положении. Тогда это будет означать, что масса конструкции, находящаяся в верхней части оси вращения, равна массе, находящейся внизу этой оси. В случае же, если ветроколесо чаще или постоянно останавливается в каком-то одном положении, необходимо облегчить ту часть конструкции ветроколеса, которая после остановки всегда оказывается внизу.
Любой ветрогенератор всегда характеризуется шагом винта - он либо изменяемый, либо фиксированный. Диапазон максимальных скоростей для вращающихся лопастей может увеличиваться, если шаг винта можно изменять.
Но ветро-конструкции с изменяемым шагом винта обычно стоят довольно дорого, потому что сложным является сам механизм, обеспечивающий функцию изменения шага. Как следствие, нельзя назвать ветроустановки этого типа супер-надежными.
Установка ветрогенераторов без резервного источника питания нерациональна. В случае нескольких безветренных дней аккумуляторы без подзарядки сильно разряжаются, вследствие чего ветроэнергетическая система не способна дать необходимое для потребления электричество.
Поэтому в системе должен быть резервный источник питания. Для этого возможно использовать подключение к общей электросети, жидкотопливные генераторы или солнечные панели.
Солнечные панели являются оптимальным решением, поскольку не требуют топлива или расходов на содержание, а также наиболее эффективны в летний период, когда солнечной энергии много, а скорость ветра обычно ниже.
На сегодняшний день использование ветрогенератора равноценно эксплуатации бытовых приборов, вплоть до электрочайника. Это означает, что никакого разрешения на установку ветряка от государства получать не нужно. И никакой налог платить не надо будет. И никакой госслужащий электромонтер не имеет права запрещать монтаж ветряка, тем более взимать плату за "Разрешение".
Другое дело - ваши соседи, ЖЕК или сельрада. Вопрос установки ветряка нужно решать прежде всего с общественностью, заручившись согласием людей, и желательно не устным, а на бумаге.
Официальное разрешение на установку ветрогенератора может потребоваться в случае, если запланирован ветрогенератор большой мощности. Монтаж такого ветряка связан с занятием определённого участка земли, оборудованием бетонного фундамента для высокой мачты, ограждением. В указанном случае, разумеется, надо иметь разрешение на капитальное строение.