Устройство, принцип работы, преимущества и недостатки ветряных электростанций

Энергетическая отрасль справляется со своей задачей достаточно уверенно, но масштабы нашей страны таковы, что полное обеспечение электроэнергией всех отдаленных или труднодоступных районов пока невозможно. Это связано с множеством факторов, преодолеть которые в нынешних условиях слишком дорого или технически недостижимо.

Поэтому все более пристальное внимание приходится обращать на альтернативные источники, способные удовлетворять потребности отсталых регионов без участия магистральных сетей. Перспективным направлением является ветроэнергетика, использующая дармовой источник энергии — силу ветра.

Устройство и виды ветровых электростанций

Ветроэлектростанции (ВЭС) используют энергию ветра для выработки электротока. Крупные станции состоят из множества ветрогенераторов, объединенных в единую сеть и питающих большие массивы — поселки, города, регионы. Более мелкие способны обеспечивать небольшие жилые массивы или отдельные дома. Станции классифицируются по различным признакам, например, по функциональности:

• мобильные,
• стационарные.

По расположению:

• прибрежные
• офшорные
• наземные
• плавающие.

По типу конструкции:

• роторные,
• крыльчатные.

Наибольшее распространение в мире получили крыльчатные станции. Они имеют большую эффективность и способны производить достаточно большое количество электроэнергии, чтобы обеспечивать ею потребителей в масштабах целой энергетической отрасли. При этом, распространение таких станций имеет специфическую конфигурацию и встречается не повсеместно.

Перспективы развития

Если учитывать, что сейчас идет фокусировка на природных экологических методах извлечения энергии, то ветроэнергетику в ближайшие годы ждет положительная перспектива развития. Все время идет разработка новых и усовершенствование старых моделей ветряков. Одна из последних разработок, это парящие генераторы, которые могут использовать максимальную силу ветра.

Все больше стран в мире уделяет ветряной энергии внимание и начинает строительство своих ветряков на подходящих территориях. Энергия ветра считается одной из перспективных альтернативных отраслей энергетики.

Чаще пользуется спросом частные ветряные генераторы, которые могут обеспечить частично или полностью дом энергией. Традиционные источники энергии могут в скором времени закончатся, а также приносят непоправимый вред экологии. Многие считаю, что за ветроэнергетикой, как и за альтернативными экологичными способами добычи энергии, стоит будущее.

Принцип работы

Как уже говорилось, ВЭС имеют роторную или крыльчатую конструкцию. Роторные станции, как правило, имеют устройства с вертикальной осью вращения. Они во многом удобнее, чем крыльчатые, так как не издают при работе сильный шум и не требовательны к установке по направлению ветра. При этом, роторные конструкции менее эффективны и могут использоваться на небольших частных станциях.

Крыльчатые устройства способны выдавать максимальный эффект. Они используют получаемую энергию намного эффективнее, чем роторные образцы, но нуждаются в правильном ориентировании по отношению к потоку, что означает присутствие дополнительных приспособлений или оборудования.

Все виды действуют по одному принципу — поток ветра раскручивает подвижную часть, которая передает вращение на генератор, вследствие чего в системе образуется электроток. Он заряжает аккумуляторы, от которых питаются инверторы, преобразующие полученный ток в стандартное напряжение и частоту, подходящие для приборов потребления.

Для обеспечения большого числа потребителей отдельные ветрогенераторы соединяются в систему, образуя станции — ВЭС.

Условия эффективного преобразование энергии в ветрогенераторе

Основными условиями генерации электроэнергии с использованием ветряка являются постоянство и сила ветра в регионе предполагаемой эксплуатации. Но, на эффективность работы установки, влияет ряд дополнительных факторов, среди которых:

• ландшафт местности – наличие поблизости холмов, оврагов, водоёмов, лесов;
• застроенность территории;
• наличие инфраструктурных объектов: мостов, промпредприятий.

Эти и другие локальные причины влияют на стабильность и направление ветра, даже если регион располагает к установке ветряка. Практика показывает, что любые препятствия расположенные в радиусе 250 м. будут негативно влиять на работу установки.

Избежать отрицательного воздействия местных факторов можно, установив генератор на высоте более 5 м. над ближайшим объектом, это касается и крон деревьев.

Для стабильной работы оборудования, среднегодовая скорость ветра в данной местности должна быть не ниже 4,5 – 5 м/с. Данные показатели можно узнать из карты розы ветров. Информация доступна на специализированных ресурсах в интернете.

Наилучший результат получается, если установить ветрогенератор на мачте с растяжками, высотой около 15 м.

Необходимые условия для монтажа и эксплуатации, а также характеристики установки изготовленной в заводских условиях указаны в паспорте (руководстве по эксплуатации) оборудования.

Узнать сколько вырабатывает ветрогенератор изготовленный в условиях мастерской, можно сделав приблизительные расчеты.

Преимущества и недостатки ветряных электростанций

К преимуществам ВЭС можно отнести:

• независимость от ископаемых ресурсов;
• используется абсолютно бесплатный источник энергии;
• экологическая чистота методики — никакого вреда окружающей природе не наносится.

При этом, есть и недостатки:

• неравномерность ветра создает определенные трудности в выработке энергии и вынуждает использовать большое число; аккумуляторных батарей;
• ветряки издают шум при работе;
• КПД ветряных электростанций низок, увеличить его очень сложно;
• стоимость оборудования и, соответственно, электроэнергии, намного выше, чем цена сетевого электричества;
• окупаемость оборудования с ростом его мощности значительно снижается. Наиболее производительные станции полностью не окупаются.

Использование небольших станций способно обеспечить энергией ограниченное количество потребителей, поэтому для крупных населенных пунктов или регионов требуются большие устройства. При этом, ветряки большой мощности нуждаются в соответствующих потоках ветра и равномерности его движения, что для условий нашей страны не характерно. В этом кроется основная причина низкого распространения ветряков по сравнению с европейскими странами.

Критерии выбора

При выборе ветрогенератора помимо технических характеристик, необходимо также правильно установить требуемую мощность. Задается она таким параметром, как диаметр ротора, рассчитать который можно по следующей формуле:

Эгод = 1,64 * Д2 *О3

Эгод – суммарная электроэнергия, потребляемые приборами дома за год, кВт,

Д – диаметр ротора, обозначаемый в метрах,

О – среднегодовое значение скорости ветра, метр/в секунду.

Подставляя известные параметры в эту форму, можно рассчитать, какого диаметра ротором должна быть оснащена ветряная электростанция для дома в конкретном случае.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

С точки зрения экономики, строительство ВЭС имеет смысл только при отсутствии других способов энергообеспечения. Оборудование стоит очень дорого, обслуживание и ремонт требуют постоянных расходов, а срок службы ограничен 20 годами, и это в условиях Европы. Для России этот срок можно снизить не менее, чем на треть. Поэтому использование ВЭС экономически малоэффективно.

С другой стороны, при полном отсутствии альтернативных вариантов или при наличии оптимальных условий, обеспечивающих качественную и равномерную работу ветряков, использование ВЭС становится вполне приемлемым способом энергообеспечения.

Важно! Речь идет именно о крупных станциях, снабжающих целые регионы. Ситуация с бытовыми или частными станциями выглядит более привлекательно.

Ветроэнергетика как потенциальный онкоген

“Синдром ветрогенератора” — это клиническое название симптомов людей, которые живут вблизи ветряных генераторов. Основные симптомы — усталость, бессонница, раздражительность, головные боли, шум в ушах, проблемы с концентрацией. Все эти симптомы могут появляться из-за того, что работа генератора издает низкочастотные шумы, которые не воспринимает наш слух, однако организм наш реагирует.

Данный синдром не признан официально, а некоторые считают его классическим случаем ноцебо-эффекта. Это значит, что реакция организма вызвана не от действий генератора, а от отрицательной информации про него.

Мощности промышленных станций

Промышленные ВЭС имеют весьма высокую мощность, способную обеспечивать крупные населенные пункты или регионы. Например, ВЭС «Ганьсу» в Китае имеет 7965 мВт, «Энеркон Е-126» выдает 7,58 мВт, и это еще не предел.

Следует сразу же оговориться, что речь идет о лидерах в ветроэнергетике, другие модели вырабатывают намного меньше энергии. Тем не менее, объединенные в крупные станции, ветряки способны на производство вполне достаточного количества электроэнергии. Объединенные комплексы вырабатывают суммарную мощность в 400-500 мВт, что вполне может сравниться с производительностью ГЭС.

Мелкие станции имеют более скромные показатели и могут рассматриваться только как точечные источники, питающие ограниченное число потребителей.

Автоматика ветроэлектростанций

Современные электрические ветровые установки оборудуются развитой системой автоматики, которая:

• значительно улучшает характеристики;
• обеспечивает выравнивание отдаваемой мощности;
• делает эксплуатацию безопасной.

Типовой набор автоматики включает в себя:

• ограничитель частоты вращения ветряного колеса при высоких скоростях ветра;
• выравнивание колеса “по потоку” (важно для горизонтальных ветряков);
• защиту от короткого замыкания;
• отключение при отказах техники, ураганных ветрах, превышении порогового уровня вибрации.

Модели среднего и старшего классов обязательно поддерживают дистанционное управление и диагностику. Часть агрегатов дополнительно контролирует направление и силу воздушного потока для максимизации снимаемой мощности за счет выбора соответствующего угла установки всего устройства и лопастей турбины.

География применения

Наибольшее распространение ветроэнергетика получила на западном побережье Атлантики, в частности, в Германии. Там имеются наилучшие условия — ровные и сильные ветра, оптимальные климатические показатели. Но основной причиной широкого распространения ВЭС именно в этом регионе стало отсутствие возможностей для строительства гидроэлектростанций, вынудившее правительства стран этого региона использовать доступные методы получения электроэнергии. При этом, имеются установки и в балтийском регионе, в Дании, Голландии.

Россия пока отстает в этом вопросе, за прошедшее десятилетие в эксплуатацию сдан едва ли десяток ВЭС. Причина такого отставания кроется в большом развитии гидроэнергетики и отсутствии должных условий для эксплуатации промышленных ветроэнергетических станций. Тем не менее, отмечается рост производства небольших установок, способных обеспечивать энергией отдельные усадьбы.

Практические советы

• Как можно тщательней проанализируйте ветровую обстановку в районе расположения своего существующего или будущего дома. Среднегодовые данные должны быть не менее 3м/сек.
• Изучите предлагаемые конструкции ветрогенераторов. Учтите возможности выработки электроэнергии при слабых ветрах, а также площадь части участка, которую придётся вывести под монтаж ветроустановки.
• Проведите экономический анализ затрат на весь комплект оборудования, входящий в ветровую электростанцию, и его монтаж, с одной стороны. С другой, — стоимость прокладки стационарной электросети до участка. При этом учтите, — стоимость ветровой энергии будет обходиться бесплатно!
• Наиболее практичная конструкция, на наш взгляд, — это ветро-осевой генератор с дополнением солнечными панелями и дизельным мотор-генератором.

Факты и заблуждения

Малое распространение ветроэнергетических установок и отсутствие опыта общения с ними породили массу заблуждений относительно свойств и воздействия ВЭС на организм человека. Так, широко распространено мнение о необычайно высоком уровне шума, производимого работающим ветрогенератором. Действительно, определенный шум имеется, но его уровень гораздо ниже, чем принято считать. Так, шум от промышленных моделей на расстоянии 200-300 м воспринимается на слух так же, как звук от работающего бытового холодильника.

Другая проблема, которую необоснованно раздувают несведущие люди — создание непреодолимых помех радио и телевизионным сигналам. Этот вопрос был решен раньше, чем о нем узнали пользователи — каждый мощный промышленный ветряк снабжен качественным фильтром радиопомех, способным полностью исключить влияние устройства на эфир.

Люди, живущие поблизости от турбин, будут постоянно находиться в зоне мерцания тени. Это термин, обозначающий некомфортное ощущение от мигающих световых проявлений. Вращающиеся лопасти создают такой эффект, но его значение сильно преувеличено. Даже самые чувствительные люди всегда могут попросту отвернуться от турбины, если случилось оказаться поблизости от нее.

Существуют и другие, надуманные и вполне реально существующие факты, касающиеся работы ВЭС, их воздействия на организм человека и окружающую природу. Част из них является обычными слухами, другая часть настолько преувеличена, что не заслуживает даже обсуждения. Ветроэнергетика — полноценная отрасль, способная решать вопросы энергообеспечения как в солидных масштабах, так и в пределах маленького дачного домика.

Ветроэнергетика как угроза животному миру

Защитники птиц выступают против строительства ветряных генераторов, так как птицы часто врезаются в лопасти ветряков. Хотя подсчет показал, что количество погибших птиц от генератора не больше, чем от высоковольтных проводов. Однако, зоозащитники волнуются, что во время миграции птиц они могут попасть в зону ветряного парка или сменить путь миграции.

Еще одно опасение защитников, что шумы, которые издают генераторы могут отпугивать животных и они меняют место обитания.

Частные ветряные электростанции

Для России наиболее актуальным вопросом является распространение именно небольших станций, обеспечивающих один дом или усадьбу. Строительство крупных ВЭС в климатических условиях нашей страны нецелесообразно и нерентабельно. Самая большая ценность ветрогенераторов кроется в создании возможности обеспечить энергией отсталые или отдаленные населенные пункты, где нет сетевого подключения.

Для таких районов применение небольших частных станций является оптимальным способом решения вопроса, так как работа ветряка не требует обеспечения топливом, устройство несложно и свободно поддается ремонту. Обеспечить такие регионы дополнительным оборудованием намного проще и дешевле, чем выделять большие средства на проведение линии электропередач, особенно, если речь идет о гористой местности. Небольшие ветряки способны вырабатывать достаточное количество энергии, не нуждаясь в расходах на содержание или топливо, что делает их весьма перспективными и привлекательными вариантами решения проблемы.

Ложные теории

Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:

1. Ветряки убивают птиц. Сложно отрицать, что птицы иногда врезаются в лопасти или мачту ветрогенератора и погибают. Но не меньше птиц погибает от электропроводов. По статистики больше всего умирает птиц из-за нападения кошек.
2. Самый распространенная ложная теория — это то, что шум от ветряного генератора может негативно сказаться на здоровье человека, в том числе дать осложнения на органы слуха.
3. Не экологичный источник, так как рост количества ВЭС увеличивает выброс углекислого газа. Да, но в сравнение с угольными или газовыми электростанциями этот показатель в 50 раз меньше.
4. Безработица. Ходит мнение, что получение энергии таким способом сократит рабочие места, однако этот миф легко развеять. В любом развивающемся секторе не может возникнуть безработица, так как ветроэнергетика всегда нуждается в новых кадрах — исследователи, разработчики.

Ложные теории появляются из-за незнания тема, однако все их легко опровергнуть, что было сделано многократно.

Обзор цен на популярные модели

Стоимость ветрогенераторов высока. Этот момент является самым труднопреодолимым для распространения ветроэнергетических технологий. Многие владельцы домов с удовольствием установили бы у себя на участке ветряки, но не имеют средств на их приобретение. Установка, способная обеспечить освещение участка, стоит около 100 тыс руб.

Более мощная конструкция, позволяющая снабдить электроэнергией коттедж, обойдется в 250 тыс.

ВЭС, способная обеспечить небольшое фермерское хозяйство, стоит около 500 тыс. руб. И это еще не предел. При таких ценах ожидать быстрого распространения ветрогенераторов не приходится, поэтому вся надежда на появление отечественных моделей, способных решить вопрос дороговизны оборудования. Как вариант, можно купить относительно недорогую китайскую модель. Такие устройства не поддаются ремонту, являясь, по сути, одноразовыми, но их цена намного ниже, чем стоимость аналогичных по мощности западных образцов.

Разновидности

Для того чтобы правильно подобрать ветряной генератор, необходимо прежде всего учесть его технические параметры. Современные модели различаются по следующему ряду признаков:

• Количеству лопастей пропеллера. Большое количество элементов винта усложняет конструкцию. Однако чем больше лопастей, тем меньшая скорость ветра нужна для запуска механизма.
• Типу материала лопастей. Модели с жесткими пропеллерами более прочны и долговечны, но и значительно дороже парусных аналогов.

Многолопастный ветрогенератор для своего дома Источник ytimg.com

• Расположению направляющей вращения. Разделяются на вертикальные и горизонтальные. Первые прочнее и чувствительнее, вторые – отличаются лучшей производительностью.
• Возможности изменения шаговых характеристик. Различаются на модели с изменяемым и неизменным шагом. Изделия с переменными шаговыми параметрами позволяют увеличивать скорость, а значит, и продуктивность. Однако они более сложны, громоздки и дороги.

Полезно знать! Доступные сегодня в широкой продаже заводские модели достаточно дороги. Поэтому нередко у желающих установить подобную автономную электростанцию возникает вопрос о том, как сделать ветрогенератор. Самодельные аналоги нередко изготавливают из автомобильных генераторов, соединяемых по схеме с аналогичным АКБ на 12 вольт.

Производители

Отечественной промышленностью налажен серийный выпуск широкой гаммы бытовых ветрогенераторов. Их параметры приведены в таблице:

Примечание: Г – горизонтальный, В — вертикальный

Система торможения

Система торможения предотвращает механическое разрушение агрегата при слишком высокой скорости ветра. Суть этой системы заключается в том, что автоматика производит замыкание электрических цепей магнитной системы генератора, что приводит к появлению мощного тормозящего усилия.

Дополнительно алгоритм функционирования системы управления предусматривает полный останов воздушной турбины при ветрах ураганной силы. Порог останова может регулироваться пользователем, типовые заводские настройки этого параметра предполагают включение режима останова при скорости 80 км/час.

Классификация

Основными критериями, определяющими типы ветряных установок, являются следующие:

• Различие по количеству лопастей. Быстроходные и малолопастные имеют до 4 лопастей, а 4 и выше относятся к тихоходным многолопастным устройствам. Чем меньше количество лопастей, тем выше обороты двигателя.
• Величина номинальной мощности. Бытовые – до 15 кВт, полупромышленные – от 15 до 100 кВт, промышленные – от 100 кВт до 1 Мвт. Границы между показателями довольно условные, поэтому установки применяются там, где это действительно необходимо.
• Направление оси. В конструкциях используются два типа. В первом случае это горизонтальная ось, расположенная перпендикулярно относительно движения воздуха, напоминающая обычный флюгер. Такие генераторы отличаются более высоким КПД и приемлемой стоимостью. Второй вариант – это вертикальная ось, благодаря которой конструкция генератора становится более компактной. Она не зависит от направления ветра, а ее лопасти изготовлены в виде турбин. Нагрузка на ось значительно снижена, поэтому и мощность таких установок гораздо меньше. В некоторых электростанциях одновременно используется несколько генераторов с различными осями, объединенными в сеть, что позволяет получить высокую мощность на сравнительно небольшой площади.