Получение электроэнергии с помощью ветровых электростанций всегда интересовало человечество. Энергию ветра принято относить к возобновляемым видам, так же как солнечную, внутренних вод, термальную и биомассы. Потенциал этой энергии на земном шаре в 30 раз перекрывает сегодняшние потребности. Строительство установок, получающих электричество при преобразовании энергии потока воздуха, считается перспективным направлением во всем мире, несмотря на низкий КПД - 20-30%.
Устройство и основные виды ветрогенераторов
Схема, по которой собирается ветровая электростанция для получения электричества, достаточна проста. Энергия ветра преобразуется с помощью ветрогенератора и выпрямительно-зарядного устройства (контроллера) в постоянный электрический ток, обычно 12/24/48 вольт. Ток идет на подзаряд аккумуляторной батареи (по принципу автомобильной), затем подается на инвертор, где постоянный ток преобразуется в переменный 220-230В.
На сегодняшний день реально работают три вида ветрогенераторов:
С вертикально-ориентированной осью вращения;
С горизонтальной, ориентированной перпендикулярно потоку воздуха;
С горизонтальной, ориентированной параллельно потоку.
Ветровая электростанция с вертикальным ветрогенератором наиболее проста при изготовлении и монтаже: не нужно ориентироваться на направление ветра, поэтому нагрузка на конструкцию гораздо меньше. Лопасти у этих устройств выпускаются в виде чаш, турбин или S-образные.
При горизонтальной оси вращения энергия ветра преобразуется в силу сопротивления или подъемную. Количество лопастей у этих устройств может быть от одной до пятидесяти.
В рамках основной классификации существует много разнообразных, конструктивно соединенных, либо совершенно новых изобретений.
Ветровые электростанции для дома: целесообразность выбора
Проект электроснабжения строящегося (или реконструируемого) дома должен решать три проблемы:
Надежность получения электроэнергии;
Обеспечение необходимой мощности потребления;
Задействование необходимого количества источников получения электричества.
В городской черте, где развита электросеть, вопрос надежности получения электричества стоит только лишь для отдаленных районов, либо районных городов и поселков. Ветровая электростанция для дома в этих случаях нецелесообразна: отключения происходят лишь при авариях в сети и ликвидируются максимум за сутки. Как дополнительный источник обычно выбирается дизельная (бензиновая) или газовая мини электростанция.
При обустройстве коттеджа в отдаленном районе или строительстве фермы, где нет близко проложенной ЛЭП, встает вопрос о стабильной схеме получения электроэнергии. Обычно проблема решается так: дизельная (или бензиновая) электростанция, а в качестве альтернативного источника (с целью удешевления стоимости единицы мощности) успешно реализуются проекты применения энергии ветра или солнца.
Ветровая электростанция должна обеспечивать необходимый запас мощности для реального потребления. В этом случае не обойтись без мощной аккумуляторной батареи и надежного инвертора. В качестве альтернативного источника используется дизельный генератор.
Преимущества и недостатки получения электричества от ветроустановки
При среднестатистическом домовом потреблении (освещение, отопление, бытовая техника) достаточно мощности от 500вт до 1000/1500 вт. При установке ветрогенератора необходимо помнить, что чем выше вырабатываемая им мощность, тем больше размер лопастей и, соответственно, выше цена.
Обычно выделяют следующие недостатки ветровых электростанций:
Большие единовременные начальные вложения, отсюда сравнительно высокая стоимость единицы электроэнергии;
Зависимость установки от наличия дней, когда скорость ветра оптимальна (шесть - семь метров в секунду), именно при таких показателях установка выходит на паспортную (проектную) мощность;
Автономная ветровая электростанция может работать только при наличии аккумуляторной батареи большой емкости и при мощном инверторе, а в качестве дополнения в безветренные дни нужен дизель-генератор, что значительно удорожает проект;
Большой срок окупаемости: в среднем от семи до десяти лет.
Требования к выбору места для монтажа мачты
Для работы ветрогенератора любой мощности необходим ветер. Для России в среднем считается, что ветер дует только лишь в течение 270-280 дней в году. Приморские и горные участки имеют другую статистику, более благоприятную. Именно там и идет основное освоение силы ветра, как даровой энергии.
Чем выше мачта, тем большую скорость развивает воздушный поток. Обычно ветряки монтируют на высоте не менее четырех метров от уровня дома (в среднем от четырнадцати до двадцати четырех метров). Площадка для установки выбирается на расстоянии от дома минимально кратной трем к высоте мачты. Устройство монтируется либо на бетонное основание (что достаточно дорого и трудоемко), либо с помощью растяжек.
Для монтажа ветрогенератора, изготовленного на производстве, привлекаются специализированные организации. Обычно это или сам завод-изготовитель, или дистрибьюторы иностранных фирм. Специалисты предлагают схему ветровой электростанции, выбирают место установки мачты, монтируют оборудование и производят запуск.
Ветровая электростанция своими руками
В последнее время, когда удорожание электроэнергии происходит с пугающим население постоянством, увеличивается интерес к ветровым электростанциям в России. Ветровая мини электростанция (ветряк) проектируется, изготавливается народными умельцами и монтируется без помощи специалистов.
Самой простой в изготовлении считается ветровая электростанция с установкой, имеющей вертикальную вращательную ось. Она не требует усиленной мачты, легко рассчитывается, легко монтируется и, самое главное, низка в цене. Удорожание происходит за счет аккумуляторной батареи нужной емкости и надежного инвертора.
Ветряк, изготовленный для вращения на горизонтальной оси, требует тщательного крепления лопастей (их центрирования), но выглядит более элегантно и изысканно. Его детали дороже в изготовлении, а дополнительное оборудование такое же, как и у вертикальной установки.
Ветровые электростанции своими руками сегодняшние умельцы предпочитают делать полностью, с нуля. Генератор разрабатывается на основе асинхронного двигателя, плюс выпрямитель и аккумуляторная батарея из автомобиля. Если ограничиться таким набором, то вырабатываемой электроэнергией можно нагревать воду в бойлере, запитывать водяной насос (согласовав питающее напряжение).
С инвертором небольшой мощности можно даже включать освещение и другие несложные электроприборы, не требующие качественных характеристик тока (компьютер, телевизор подключать можно только с инвертором, имеющим на выходе необходимые характеристики по синусоидальности, частоте и др.).
Основные зарубежные производители ветровых электростанций: сравнительная стоимость установок
Использование, а соответственно и изготовление ветрогенераторов для получения электричества было освоено впервые в Дании еще в конце девятнадцатого века. Отсутствие своих энергоносителей заставляет многие страны идти по пути освоения энергии воздушных потоков и возводить как мощные (сотни мегаватт) ВЭУ, так и ветровые электростанции для дома. Ниже приведен список наиболее известных фирм, поставляющих свою продукцию всему миру.
Зарубежные производители ветрогенераторов:
Дания Vestas - доля рынка 12,7%;
Китай Sinovel, Goldwind, Guodian United Power, Ming Yang - доля рынка 28,7% в совокупности всех фирм;
Испания Gamesa - доля рынка 8 %;
Германия Enercon, Siemens - совокупная доля рынка 14,1%;
США GE Energy - доля рынка 7,7%;
Индия Suzion - доля рынка 7,6%.
Самыми дешевыми считаются китайские установки. В зависимости от мощности их можно приобрести по цене от 18-20 тысяч рублей. Следует отметить, что такие установки (мощность от 100-200 Вт) не подлежат ремонту и обычно не комплектуются мачтой. Ветроэлектростанции среднего ценового сегмента из Китая считаются надежными, служат более 15 лет.
Датские, испанские, немецкие установки более качественные, их монтаж и запуск давно освоили специализированные организации, но они дороги. От 1000$ до 2000-2500$ при мощности от 200 Вт.
Ветровые электростанции в России: цены и производители
В последние 20 лет отмечен возросший интерес к производству оборудования для ветроэлектростанций. Отечественные производители разработали и успешно поставляют потребителям недорогие устройства. В среднем их можно приобрести от 40-45 тыс. руб. при мощности от 300 Вт.
Ниже приведен список отечественных производителей, освоивших производство и выпускающих собственные модели ветровых электростанций:
- "РесурсПромАльянс" в Челябинске;
- "Стройинжсервис" в Рыбинске;
RKraft в Москве;
- «Энерго-Экологические Системы» НПП в Москве;
ЛМП «Ветроэнергетика» в Хабаровске;
- «Сапсан-Энергия» в Москве;
- «ГРЦ Вертикаль» в Миассе;
- «СКБ Искра» в Москве;
- «Ветро-Свет» в С-Петербурге.
Полезные ископаемые, добываемые из недр земли и используемые человечеством в качестве энергоресурсов, к сожалению, не безграничны. С каждым годом их стоимость увеличивается, что объясняется сокращением уровня добычи. Альтернативным и набирающим обороты вариантом энергоснабжения выступают ветряные электростанции для дома. Они позволяют преобразовывать энергию ветра в переменный ток , что дает возможность обеспечивать все потребности в электричестве любых бытовых приборов. Главное преимущество таких генераторов – это абсолютная экологичность, а также бесплатное пользование электричеством неограниченное количество лет. Какие еще преимущества имеет ветрогенератор для дома, а также особенности его эксплуатации, разберем далее.
Еще древние люди заметили, что ветер может стать отличным помощником в осуществлении множества работ. Ветряные мельницы, позволявшие превращать зерно в муку, не затрачивая собственных сил, стали родоначальниками первых ветрогенераторов.
Ветряные электростанции состоят из определенного количества генераторов, способных получать, преобразовывать и накапливать энергию ветра в переменный ток. Они вполне могут обеспечить целый дом электроэнергией, которая берется из ниоткуда.
Однако, нужно сказать, что затраты на оборудование и их обслуживание не всегда дешевле , нежели стоимость центральных электросетей.Преимущества и недостатки
Итак, прежде чем присоединиться к сторонникам бесплатной энергии, нужно осознать, что ветряные электростанции имеют не только преимущества, но и определенные недостатки. Из положительных сторон
использования энергии ветра в быту можно выделить следующие:
- способ абсолютно экологически чистый и не вредит окружающей среды;
- простота конструкции;
- легкость эксплуатации;
- независимость от электросетей.
Домашние мини-генераторы могут, как частично обеспечивать электричеством, так и стать полноценным его заменителем, преобразуясь в электростанции.
Однако не нужно забывать про недостатки , которыми являются:
- высокая стоимость оборудования;
- окупаемость наступает не ранее чем через 5-6 лет использования;
- относительно небольшие коэффициенты полезного действия, отчего страдает мощность;
- требует наличия дорогостоящего оборудования: аккумулятор и генератор, без которого невозможна работа станции в безветренные дни.
Чтобы не потратить уйму денег впустую, перед покупкой всего необходимого оборудования, следует оценить рентабельность электростанции. Для этого высчитывают среднюю мощность дома (сюда входят мощности всех используемых электроприборов), количество ветреных дней в году, а также оценивают местность, где будут располагаться ветряки.
Основные конструктивные элементы
Простота возведения электростанции объясняется примитивностью конструктивных элементов.Чтобы пользоваться энергией ветра, потребуются такие детали
:
- ветряные лопасти – захватывают поток ветра, передавая импульс ветрогенератору;
- ветрогенератор и контроллер – способствуют преобразованию импульса в постоянный ток;
- аккумулятор – накапливает энергию;
- инвертор – помогает преобразовывать постоянный ток в переменный.
Ветро-электрические установки (ВЭУ) преобразовывают энергию перемещения атмосферных масс, которая в той или иной мере имеется в наличии в любой точке земного шара, непосредственно в электричество. Именно на этом основывается положительный экономический и экологический эффект от использования ветровых турбин.
Преимущества ветровой энергетики
Современные технологические решения позволяют производить ветровые генераторы мощностью от нескольких КВт до сотен МВт . То есть ВЭУ могут обеспечивать электроэнергией, как целые промышленные районы, так и отдельные жилые коттеджи. Кроме чисто экономических преимуществ ветряная энергетика имеет еще одно неоспоримое преимущество – она оказывает значительно более низкое давление на экологию и биосферу Земли. Поэтому на авторитетном сайте «Альтернативная энергетика» (http://altenergiya.ru/) справедливо подтверждается глубокие мысли Вернадского В. В., высказанные еще в средине ХХ века:
…продажи ветряных электростанций небольшой мощности, которые способны использовать энергию ветра практически в любых регионах (даже там, где недостаточно силы ветра для промышленного использования), постоянно возрастают. Прогнозируется, что подобные альтернативные источники энергии будут применяться все шире, как в государственном, так и частном порядке, пока окончательно не вытеснят традиционную энергетику, основанную на органическом топливе
К экономическим плюсам бытовой ветряной энергетики (установки, мощностью 3 – 15 КВт) можно отнести следующие факторы:
- Неисчерпаемость источника энергии;
- Экологическая чистота энергии;
- Быстрота возведения ветряной установки;
- Короткий срок окупаемости капитальных вложений;
- Не требуется специальных площадок для монтажа оборудования.
Недостатком небольших ВЭУ является практически один фактор — прямая зависимость вырабатываемой мощности от напора воздушного потока, который в большинстве регионов Земли не отличаются стабильностью. Поэтому для стабильного и качественного энергоснабжения бытовой техники требуется такое дополнительное оборудование, как аккумуляторы и полупроводниковые выпрямительные установки .
Изучение энергетического потенциала территории
Заглядывая в будущее ХХI столетие, безальтернативность пути развития ветровой энергетики очевидна. Потому в передовых странах проводятся исследования потенциала территорий на предмет использования их для возведения крупных ВЭУ.
Станции альтернативной энергетики обычно занимают большие площади. Соответственно в первую очередь обращается внимание на такие местности, которые даже в далекой перспективе не могут быть вовлечены в другую экономическую деятельность:
- Пустыни;
- Горные возвышенности;
- Шельфовые зоны;
- Прибрежные зоны морей и океанов, и другие.
В частности, на популярном интернет ресурсе windypower.blogspot.com/p/blog-page_8642.html дается такая информация:
Предварительно проводят исследование потенциала местности. Анемометры устанавливают на высоте от 30 до 100 метров, и в течение одного-двух лет собирают информацию о скорости и направлении ветра. Полученные сведения могут объединяться в карты доступности энергии ветра. Такие карты потенциальным инвесторам оценить скорость окупаемости проекта
Мощности промышленных ветровых электростанций
Промышленные ВЭУ бывают самой разной мощности в зависимости от энергетического потенциала конкретной территории. Современные технологии позволяют массово производить даже не стандартизированное генераторное оборудование со сроком окупаемости 3 – 5 лет .
На сегодня самая крупная наземная ВЭС расположена на перевале Техачапи, что в Калифорнии. Ее полная мощность, соизмеримая с мощностью крупных тепловых электростанций, уже ныне составляет 1550 МВт . В дальнейшем планируется довести установленную мощность ВЭС АЛЬТА до 3000 МВТ. На ней используются ветровые турбины 1.5 и 3.0 МВт.
Державы, которые владеют большими шельфовыми зонами, активно развивают шельфовою ветроэнергетику. В этой области лидируют Дания и Великобритания. Такие ВЭУ устанавливаются в 10 – 50 км от берега в море с небольшими глубинами и отличаются большой эффективность, потому что там дуют постоянные морские ветра. Самой большой ВЭС среди эксплуатируемых в шельфовых зонах мира является великобританская станция London Array с рабочей мощность в 630 МВт.
Развиваются также такие экзотические типы ВЭС, как плавающие и парящие. Пока что это установки с одним или не большой группой генераторов мощностью по 40 – 100 КВт каждый. Но со временем планируется довести мощность агрегатов на плавающих электростанциях до 6.3 МВт. В частности к таким мощностям уже вплотную подошли датские и итальянские фирмы.
ВЭС для обеспечения электричеством коттеджей и объектов малого бизнеса и цены на них.
Для того, чтобы полностью покрыть нужды загородного дома, не большой фермы, ресторана или маркета, достаточно иметь установку мощностью в 20 или даже меньше КВт. Для жилого дома, например, номинальная мощность генератора выбирается с расчета 1КВт на 12 м2 площади, если зимняя температура не опускается ниже 18С при среднесуточной скорости ветра 6.3 м/с и более.
Стоимость электростанции для бытовых нужд и малого бизнеса зависит от номинальной мощности электрогенератора и составляет около 50 тыс. рублей на 1 КВт для ВЭС до 3 КВт, 40 тыс. рублей/КВт – для ВЭС до 10 КВт и около 30 тыс. рублей/КВт – для ВЭС свыше 10 КВт.
Окупаемость автономной электростанции составляет в пределах 5 – 7 лет, так 1 КВт установленной номинальной мощности генератора за год может выработать столько энергии, которая эквивалентна сжиганию 2 тонн высококачественного угля . В частности ВЭУ «ЭСО-0020» номинальной электрической мощностью 20 кВт, представленная на сайте «Учебные материалы ВГУЭС (http://abc.vvsu.ru/) имеет следующие параметры:
- Себестоимость электроэнергии – 0.02 долл. / КВтч;
- Годовая выработка эл. энергии — более 70000 КВтч;
- Срок окупаемости – до 7 лет;
- Срок службы – 20 лет.
Видео
Необходимость экономить природные ресурсы вынуждает большинство государств заняться поиском альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких источников является энергия ветра, при помощи которой можно производить электрическую энергию в объемах достаточных для удовлетворения нужд, как бытовых потребителей, так и промышленных предприятий. Основой конструкции для выработки электроэнергии из ветра является установленный на мачте генератор.
Устройство ветрогенератора
Конструкция ветряной электростанции включает в себя следующие элементы:
- Генератор;
- Мачта;
- Лопасти;
- Анемометр;
- Аккумуляторные батареи;
- Устройство АВР (автоматическое включение резерва);
- Трансформатор.
Принцип работы ветряной электростанции основан преобразовании энергии ветра во вращательное движение турбины. Это происходит при помощи лопастей (ротора). Ветер следует контуру лопасти, приводя их во вращение.
Современные ветровые электрические станции имеют три лопасти. Их длина может достигать 56 метров. Скорость вращения в пределах 12-24 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения используют редукторы. Мощность современных ветрогенераторов может достигать 750кВт.
Анемометр предназначен для измерения скорости ветра. Он монтируется на тыльной стороне корпуса турбины. Информация о скорости ветра анализируется встроенным компьютером для выработки наибольшего количества электроэнергии.
Конструкция ветроэлектростанции может работать при скорости ветра 4 метра в секунду. При достижении скорости ветра 25 метров в секунду ветровые электростанции принцип работы, которых основан на использовании энергии ветра автоматически выключаются. Бесконтрольное вращение лопастей при сильном ветре является одной из причин аварий и разрушения ветряка.
Трансформатор преобразовывает напряжение до величин необходимых для транспортировки электроэнергии к потребителю по проводам линии электропередачи. Обычно трансформаторы устанавливают у основания мачты
Мачта является важным элементом конструкции ветряной электростанции. От ее высоты зависит выработка генератора. Высота мачты современных ветряков колеблется в пределах 70-120 метров. Некоторые конструкции предусматривают наличие вертолетных площадок.
Установка ветрогенераторов
Одним из необходимых условий для полноценной работы устройства является выбор подходящего места для его размещения. В идеале это должна быть возвышенность с высокой скоростью ветра при низкой турбулентности.
Если неподалеку находится лес, то это будет способствовать снижению эффективности работы ветрогенератора. Отсутствие поблизости ВЛЭП не даст возможности перенаправлять вырабатываемую электроэнергию к потребителям.
Проблемы, вызываемые эксплуатацией ветряных электростанций
Несмотря на то, что ветрогенераторы являются перспективным способом выработки электроэнергии, существует множество проблем, связанных с их эксплуатацией. В частности, в странах Европы, где активно внедряется ветроэнергетика многие люди жалуются на дискомфорт, вызываемый близким соседством с ветряками.
В большинстве стран отсутствуют законы, которые бы четко определяли на каком расстоянии от жилых домов их можно размещать. Иногда ветрогенератор можно увидеть уже на расстоянии 200-250 метров от дома. Люди жалуются на сильный шум, который разносится на сотни метров вокруг. Тень от вращающихся лопастей ветряка может отбрасываться на несколько километров. Это вызывает сильный психологический дискомфорт.
Проблемы вызваны тем, что полномасштабное использование энергии ветра началось относительно недавно. Мощные ветрогенераторы ранее не использовались. Поэтому в полной мере их воздействие на человека изучено не было. В настоящее время разрабатываются законы, призванные минимизировать дискомфорт от эксплуатации этих механизмов.
Ветряные электростанции играют важнейшую роль в развитии экологически чистых эффективных источников энергии. Строительство таких электростанций тем не менее вызывает большие противоречия – от разрушения естественных сред обитания и опасностей для птиц и летучих мышей до разрушения береговых линий и естественной красоты мира. Предлагаем вам взглянуть на несколько фотографий самых известных ветряных электростанций, а вам решать, уродливо ли это или прекрасно!
В продолжение темы о экологически чистых способах добычи энергии, мы расскажем Вам о крупнейших ветряных электростанциях мира. Рекомендую также почитать о заводе по производству солнечной энергии в Севилье, мы же переходим непосредственно к ветрякам:
Ветряная ферма Сан Горгонио Пасс (San Gorgonio Pass) – одна из самых больших в Калифорнии, вырабатывает 615 МВ энергии и состоит из 3218 турбин
Первая в мире плавающая ветряная ферма начала вырабатывать электричество совсем недавно. Установлена она невдалеке от побережья Норвегии
Если ветряные электростанции Хайвинд в Норвегии успешно проработают в течение нескольких лет, то такая концепция будет применяться повсеместно
Ветряная ферма Уитли (Whitelee) тоже была построена совсем недавно и в настоящее время является наибольшей в Европе. Расположена она в Шотландии, состоит из 140 турбин и вырабатывает достаточно электричества для того, чтобы полностью обеспечивать им 180 000 домов
Ветряная электростанция Мэпл Ридж – самая большая в Нью Йорке, расположена в фермерском округе на окраине города. Запущенная в 2006, Мэпл Ридж вырабатывает 75% от всей ветряной энергии города
Разработанный студентами Аризонского государственного университета новый концепт турбин над автострадами способен обеспечивать электричеством целый дом, даже при низких скоростях ветра и не требует дополнительной площади для размещения. Таким образом удалось оригинально решить проблему выделения земли под ветряные электростанции
Ветряной парк Хорнс Рев у берегов Дании был самым большим на момент постройки (2002), сейчас строится 2 очередь ветряных генераторов, которая выведет Horns Rev на новый уровень
В настоящее время в устье Темзы строится ветряная ферма Greater Gabbard. Когда она будет введена (2011), то станет самой большой в мире
А в настоящее время лавры самой большой ветряной фермы принадлежат Lynn and Inner Dowsing, которая введена в эксплуатацию в 2008 в Линкольншире, Англия. Она вырабатывает электричество для 130 000 домов
Еще одна удивительная ветряная ферма - Tehachapi Pass в Калифорнии. Она была построена в 1980 году и до сих пор вырабатывает электричество. С тех пор ветряные электростанции в пустыне Мохави были многократно модернизированы и расширены
