Практически вся электроэнергия производится установками, использующими энергию природных ресурсов. Темпы производства постоянно увеличиваются, и полезные ископаемые рано или поздно закончатся. В связи с этим, уже сейчас ведутся перспективные разработки, внедряются новые технологии, выступающие в качестве альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких вариантов являются ветряные электростанции, применяемые в производственной сфере и в частном секторе. Превращая энергию ветра в электричество, они способны обеспечить основные потребности в питании приборов и электрооборудования.
Ветрогенераторы отличаются абсолютной экологической чистотой и способны обеспечивать бесплатной энергией потребителей в течение неограниченного времени. Ветряные генераторы ВЭС обладают различной мощностью, что дает возможность использовать их в разных областях.
Устройство ветряной установки
Максимальной эффективности ветряной электростанции можно добиться, установив ее в местах с постоянными активными воздушными потоками. Обычно для этого используются горы и холмы, берега морей и океанов и другие аналогичные условия.
Основной деталью установки служит крыльчатка, выполняющая функцию турбины. В большинстве случаев используются трехлопастные конструкции ВЭС в виде пропеллера, устанавливаемые на большой высоте от земной поверхности.
Для того чтобы получить наибольший эффект, лопасти вместе с ротором устанавливаются в оптимальное положение при помощи специальных механизмов, в зависимости от направления и силы ветра. Существуют и другие конструкции барабанные, не зависящие от вышеперечисленных факторов и не требующие каких-либо регулировок. Однако, если КПД пропеллерных установок находится на уровне 50%, то у барабанных устройств он значительно ниже.
Каждая воздушная электростанция, независимо от конструкции, полностью связана с действием воздушных потоков, часто изменяющих свои показатели. Это в свою очередь приводит к изменениям количества оборотов крыльчатки и производимой электрической мощности. Такое положение требует сопряжения генератора и электрической сети при помощи дополнительного оборудования.
Как правило, для этого используются аккумуляторные батареи вместе с инверторами. Вначале от генератора осуществляется зарядка АКБ, для которой равномерность тока не имеет значения. Далее заряд аккумулятора, преобразованный в инверторе, передается в сеть.
Пропеллерные конструкции ВЭС в случае необходимости могут управляться. При слишком высокой скорости ветра, производится изменение угла атаки лопастей, вплоть до самого минимального. Это приводит к снижению ветровой нагрузки на турбину. Тем не менее, под действием ураганов, крыльчатки ветровых электростанций нередко подвергаются деформациям, и вся домашняя установка выходит из строя. Полностью избежать негативных воздействий не получается, поскольку электрические генераторы размещаются на высоте, составляющей в среднем 50 м. За счет этого удается использовать более сильные и стабильные ветра, господствующие на больших высотах.
Принцип работы
Практически все ветровые установки имеют общий принцип работы. Под действием воздушного потока лопасти приходят в движение и, связанные специальным приводом с ротором, вызывают его вращение. Сам ротор помещен внутрь статорной обмотки, и в результате вращения происходит образование электрического тока. Лопасти ВЭС обладают особенными аэродинамическими свойствами, поэтому турбина вращается с высокой скоростью.
Каждая лопасть с одной стороны ровная, а с другой закругленная. Когда воздух проходит закругленную сторону, на этом участке создается вакуум, засасывающий лопасть и уводящий ее в сторону. За счет этой энергии возникает общий крутящий момент. В этом состоит основной принцип работы станций.
Полученное электричество накапливается в аккумуляторной батарее. Количество произведенной энергии зависит от скорости вращения лопастей и от скорости воздушного потока. Частота произведенного электрического тока такая же как в домашней сети, поэтому энергия, полученная от ветровой электростанции, вполне пригодна для питания приборов и оборудования. Однако, полученный переменный ток не может сразу аккумулироваться, для этого он должен быть преобразован в постоянный ток. Подобное преобразование выполняется специальными электронными устройствами, расположенными в турбине.
Зарядка аккумуляторной батареи управляется контроллером. По мере накопления заряда, лопасти замедляют вращение, а при разрядке они вновь начинают крутиться. Такой режим работы дает возможность поддерживать заряд АКБ на заданном уровне.
Работа системы торможения
При высокой скорости воздушного потока ветровые электростанции могут выйти из строя. Чтобы этого не случилось, в конструкции применяется тормозная система. В ней используется сила действия вращающихся магнитов ротора. Они не только индуцируют ток в обмотках статора, но и в определенной ситуации замедляют движение вала. С этой целью требуется создать короткое замыкание, вызывающее противодействие и замедляющее вращение.
Автоматическое торможение наступает при скорости ветра свыше 50 км/ч. Если скорость возрастает до 80 км/ч, в этом случае происходит полная остановка лопастей. Конструкция турбины позволяет максимально эффективно использовать энергию ветра и путем двойного преобразования энергии получать электрический ток. Наличие аккумуляторной батареи дает возможность использовать электроприборы при полном отсутствии ветра.
Некоторые конструкции установок оборудованы ветровым датчиком, собирающим информацию о параметрах воздушного потока. В конечном итоге мощность ветровой установки на выходе будет зависеть от мощности подключенного инвертора. Исходя из этого показателя определяется и максимально возможное количество подключаемых приборов. С целью увеличения выходной мощности установки, рекомендуется параллельное подключение сразу нескольких инверторов. В трехфазных системах на каждую фазу устанавливается собственный инвертор.
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.
Существует отдельная классификация ветровых электростанций по месту их расположения. Среди них можно выделить три основных типа:
- Наземные установки, получившие наиболее широкое распространение. Они монтируются на холмах и высотах, а также на специально подготовленных площадках. Строительство ведется с использованием дорогостоящей подъемной техники, поскольку все основные конструкции устанавливаются на большую высоту. Несколько устройств объединяются в общую систему с помощью электрических кабелей.
- Прибрежные ветровые электростанции. Строятся неподалеку от берегов морей и океанов. Работа системы зависит от морского бриза, который создает воздушные потоки с определенной периодичностью. Сам бриз возникает в результате неравномерного нагрева поверхностей водоемов и суши. Днем движение воздуха осуществляется в направлении с воды на сушу, а ночью, наоборот, с побережья к водоему. Таким образом, получение электроэнергии происходит круглосуточно, без каких-либо перерывов.
- Шельфовые ветряные электростанции. Устанавливаются в море далеко от берега, на расстоянии 10-12 км. В этом случае генераторы используют энергию, создаваемую регулярными морскими ветрами. Для установки используются участки морского дна, расположенные на незначительной глубине. Фундамент конструкции представляет собой сваи, забиваемые в грунт на глубину до 30 м. Передача электроэнергии на берег, осуществляется при помощи подводного кабеля.
Особенности выбора
Основным критерием, которым руководствуются покупатели, являются размеры ветряной установки. Чем больше ее размер, тем выше вырабатываемая мощность. Поэтому, выбирая ветряные электростанции для дома, нужно заранее рассчитать месячное энергопотребление. Полученный результат умножается на 12 месяцев.
Далее расчеты для частного дома ведутся при помощи формулы: AEO = 1.64 х D х D х V х V х V, в которой АЕО является электроэнергией, потребляемой за год, D диаметр ротора в метрах, V среднегодовая скорость ветра в м/с. Подставив нужные значения, можно легко рассчитать размеры требуемой установки.
Приобретая электростанцию, следует заранее продумать о месте ее расположения. В этом случае учитываются следующие факторы:
- Территория возле генератора должна быть свободной от построек, сооружений, деревьев и других факторов, снижающих продуктивность установки. Имеющиеся помехи располагаются на расстоянии не ближе 200 метров от места установки.
- Высота конструкции для монтажа генератора должна быть как минимум на 2-3 метра выше помех, имеющихся на прилегающей территории.
- Расстояние от жилых домов не менее 30-40 м, поскольку при вращении лопастей создается некоторый шум, вызывающий у окружающих определенный дискомфорт.
- Следует учитывать среднегодовые изменения погодных условий, когда в одном и том же месте в течение года будет вырабатываться разное количество электроэнергии.
Преимущества ветровых генераторов
Ветровые электростанции уже долгое время используются в быту, на производстве и других областях.
За это время удалось выявить их основные положительные качества и преимущества:
- Энергия ветра, используемая для ветроэлектростанций, является бесплатной и самое главное возобновляемой. Устройства не загрязняют окружающую среду и не выделяют каких-либо вредных веществ. В перспективе планируется еще шире использовать экологически чистые ветровые электростанции в России, что позволит сократить количество обычных установок с вредными выбросами.
- Снижается зависимость электроснабжения через центральные электрические сети.
- Широкие перспективы для дальнейшего развития и внедрения новых прогрессивных технологий, и это не последние достоинства этих установок.
- Постепенное снижение затрат на получение энергии, без которых не обойтись на первоначальном этапе. В течение последних 20 лет стоимость оборудования и комплектующих снизилась примерно на 80%. Энергия ветра становится наиболее прибыльной среди всех альтернативных источников электроэнергии.
- Ветряки имеют достаточно высокий срок эксплуатации, составляющий 20-30 лет. В течение этого срока окружающий ландшафт остается неповрежденным.
- Простота сборки и дальнейшего использования. Ветряная электростанция монтируется очень быстро, затраты на ремонт и обслуживание сравнительно низкие. Произведенная электроэнергия количественно превышает затраченную энергию ветра примерно в 85 раз. Потери при передаче электроэнергии сравнительно невысокие.
Минусы ветровых электростанций
Идеальных устройств не существует в принципе. Это касается и ветровых установок, обладающих специфическими недостатками:
- Существенные инвестиционные вложения в ветряные электростанции на первоначальном этапе. Хотя они и снижаются, их нельзя полностью сбрасывать со счетов при планировании.
- Непостоянство и непредсказуемость силы и направления ветровых потоков, вызывающих колебания в количестве выработанной энергии. Иногда ветер может отсутствовать в течение нескольких дней, и потребители полностью остаются без электричества.
- Движущиеся элементы ветряных установок нередко убивают пролетающих рядом птиц и летучих мышей. Особую опасность они представляют в периоды массовых миграций. Таким образом, определенный вред экологии все-таки наносится, хотя он и не носит системного характера.
- Работа ветрогенераторов сопровождается постоянными шумами низкой частоты и практически неслышным инфразвуков. Эти минусы ветряных электростанций, превращаясь в отрицательные факторы, негативно воздействуют на человека, вызывая усталость и дискомфорт. В некоторых случаях лопасти, вращаясь с высокой скоростью, могут привести к радиолокационным помехам, искажению телевизионных сигналов.
- Затраты на размещение достаточно высокие из-за дорогой аренды земли. При использовании большого количества ветровых электростанций, этот фактор приобретает важное значение в расчетах себестоимости электроэнергии.
