Ветрогенераторы

С точки зрения физики

Ветрогенератор — устройство, преобразующее энергию ветра в электрическую энергию.

Мощность потока ветра (P) через сечение площадью S:

P = рSV³,

Где р — плотность воздуха (обычно 1,25 кг/м³),

V – скорость ветра, м/с.

Для винта радиусом r, площадь S = π۰r²

Мощность пропорциональна кубу скорости ветра, то есть если скорость возрастёт, например, от 5 до 10 м/с — в 2 раза, то мощность возрастёт в 8 раз, что делает этот ресурс весьма привлекательным даже при относительно небольшой эффективности известных способов преобразования энергии ветра в электрическую энергию.

Виды ветрогенераторов

Чтобы преобразовать энергию ветра в электрическую, вначале её нужно преобразовать во вращательную энергию, а затем подать на электрогенератор. В качестве такого преобразователя используется вентиляторное устройство. Оно может быть двух типов — расположенное по ветру (чаще всего вращающаяся ось установлена горизонтально) и вертикальное.

Горизонтальный — это винт, как у самолета, с осью вращения, расположенной в горизонтальной плоскости, и ориентирующее устройство, удерживающее плоскость вращения винта перпендикулярно набегающему потоку воздуха.
Вертикальный ветрогенератор — это вертикально установленная турбина, вращающаяся при любом направлении ветра.

Чтобы оценить электрическую мощность, которую может выработать ветрогенератор, нужно в приведенную выше формулу для определения мощности ветрового потока добавить КПД (коэффициент полезного действия) вентилятора (или КИЭВ — коэффициент использования энергии ветра) и КПД электрогенератора. Если значение последнего ниже 0,85, то с вентилятором дела обстоят не так хорошо. Лопастной винт может иметь КПД не более 0,59 — это теоретический предел, реально — где-то 0,3-0,4. Турбина вертикального генератора — не более 0,15.

Оценим ожидаемую мощность (то есть мощность вращательного движения, которая может быть снята с оси вентилятора или турбины) горизонтального ветрогенератора по формуле:

P = kр(πD²/4)V³,

где k = 0,3 — КПД винта,

 D ­- диаметр винта, м.

C диаметром винта 2 метра, при скорости 10 м/с (36 км/ч) ожидаемая мощность составит 1177 Вт.

Оценим ожидаемую мощность вертикального ветрогенератора по формуле:

P = kрHDV³,

где k = 0,15 — КПД турбины,

H – высота турбины,

D – диаметр турбины.

C диаметром турбины 1 метр и высоте 2 метра при скорости ветра 10 м/с, ожидаемая мощность составит 375 Вт.

Мощность в 1000 Вт можно ожидать при скорости, начиная с 14 м/с (50,4 км/ч).

Оценив таким образом ожидаемую мощность, можно приступить к выбору генератора. Максимальная электрическая мощность, которая может быть снята с электрогенератора (с учетом КПД), не может быть больше ожидаемой мощности вентилятора, поэтому и генератор следует покупать не мощнее, с целью экономии денег. И наоборот, для данного электрогенератора лучше брать вентилятор с большей ожидаемой мощностью, для лучшей отдачи на малых ветрах.

О генераторах

Если стремиться не покупать готовый ветрогенератор, а сделать его своими руками, то оптимальным вариантом может стать вертикальная турбина и в качестве электрогенератора — мотор-колесо от электроскутера или велосипеда.

Генераторы от автомобиля не подходят по скорости, им нужны большие обороты, то же самое и мотор от стиральной машины. Кроме того, они щёточные, а износ щёток происходит очень быстро при работе с ветром.

При желании работать руками можно создать электрогенератор на мощных неодимовых магнитах. Магниты достаточно дороги, при изготовлении ротора понадобится токарный и фрезерный станки. По цене и мощности этот вариант приближается к варианту ветрогенератора с мотор-колесом, то есть 15000 руб. и 1000–2000 Вт. А по затратам времени… в общем, на любителя.

Мотор-колесо мощностью 1000 Вт при напряжении 48 вольт за 10200 руб. можно купить, например, на AliExpress.

Можно поискать и непосредственно специальный генератор для ветряка, но это вряд ли будет дешевле.

В любом случае, по расходам самодельный ветрогенератор обойдётся дешевле, но всё же если делать ветряк, то вертикальный, он безопасней.

При некачественном, не заводском изготовлении лопастей горизонтального ветрогенератора возможны разрушения лопастей, деформация, повышенный уровень шума и самое главное — это очень опасно. Вертикальный же — низкопроизводительный и более безопасный.

Для примера — фирменный ветрогенератор;

https://invertory.ru/product/vetrogenerator-exmork-10-kvt-48-volta/

Между потребителем энергии и ветрогенератором, как правило, находится комплекс из аккумулятора и устройства, регулирующего его заряд. Чем больше скорость ветра, тем большую мощность вырабатывает генератор и тем быстрее зарядится аккумулятор. К аккумулятору подключен инвертор, он преобразует напряжение аккумулятора 12 В в напряжение сети в доме 220 В.

Что к нему можно подключить?

Задачи, которые должен решать источник электроэнергии в доме, в основном следующие:

• Освещение. Например, одновременно включены 4 светодиодные лампы. Каждая потребляет 7 Вт (соответствует 60 Вт лампе накаливания), итого 28 Вт.
• Зарядные устройства для смартфона, скажем 3 шт. одновременно, итого 60 Вт.
• Телевизор, скажем 80 Вт.
• Чайники и другие нагреватели. Но их пока не считаем.

Итого у нас получилась потребляемая мощность дома указанными электроприборами — 168 Вт. При напряжении 220 В это соответствует току 1,3 А.

Чтобы получить эту мощность на 12-ти вольтовом аккумуляторе, с него придется забирать ток 15 А.

Если ёмкость аккумулятора, скажем 60 А۰ч, то его хватит меньше, чем на 4 часа.

Если без телевизора, или только один телевизор, то примерно часов на 8.

Что касается нагревателей

Оценим, во что обойдётся нагрев воды. Время t, за которое нужно нагреть m килограммов воды нагревателем мощностью N от температуры T₁ до температуры T₂ без учета потерь, равно:

t = cm(T₂  - T₁)/N,

где с = 4183 Дж/кг۰К  — теплоёмкость воды.

Нагреватель мощностью 1000 Вт нагреет 0,5 кг воды с 20° до 100° за 3 мин.

От аккумулятора потребуется емкость 4 А۰ч.

Нагреватель 1000 Вт нагреет водяной бак емкостью 50 л с 20°С до 70°С  почти за 3 часа.

В этом случае от аккумулятора потребуется уже 242 А۰ч (то есть нужен не один аккумулятор).

Очевидно, что можно использовать и менее мощные нагреватели, использовать менее мощные и менее дорогие инверторы, вопрос во времени и теплоизоляции.

Так, нагреватель мощностью 300 Вт нагреет 0,5 л воды до кипения за 15 мин., а бак 50 л до 70°С — за 9,7 час.

Ветра много не бывает

В отличие от водного ресурса, ветряной — очень непостоянный. Наиболее ветреные районы — вблизи разделов природных зон — у побережий морей и океанов, у пустынь, в горных странах. Во внутри континентальных районах (к примеру, как в Казани и Чебоксарах) – погода в основном более «тихая», правда, бывают шквалистые ветры во время прохождения атмосферных фронтов, но они кратковременные и как раз при сильных, а главное, порывистых ветрах лучше ветряки поберечь, предусмотрев торможение.

В связи со всем вышесказанным, можно сделать следующие выводы

1. Прежде чем планировать покупку ветрогенератора, нужно вначале определить, для чего вы хотите его использовать.

Возможные варианты:

1) в качестве аварийного источника энергии для кратковременного (не основного) использования. В этом случае нет смысла рассчитывать на подключение нагревателей, чайников, ибо это нерационально — кипятить чайник, когда пропала сеть и включился аварийный источник от аккумулятора.

Нужно определить, какие приборы должны обязательно работать, — например, свет, зарядник, электрооборудование газового котла (или регистратор), телевизор. Допустим, соответственно 28 + 20 + 120 + 80 = 248 Вт. Ток, который должна при этом дать аккумуляторная батарея:

I = P/U

где P – суммарная мощность всех необходимых приборов, Вт;

U – напряжение на выходе аккумуляторной батареи, В.

Дальше нужно решить — сколько времени нужно так просуществовать, это зависит от среднего времени восстановления сети после аварии и от ваших финансовых возможностей. Время существования t в часах пропорционально ёмкости аккумуляторов E и обратно пропорционально току:

t = E/I

или:

t = EU/P

Чем больше возможностей, тем более ёмкие аккумуляторы (количество аккумуляторов) можно закупить.

Сам ветрогенератор, чем более мощный, тем быстрее он зарядит аккумуляторы.

Начинать нужно от 500 Вт.

Цена вопроса для начала 30-50 тыс. руб. Сюда входит горизонтальный ветрогенератор мощностью 500 Вт, аккумулятор 12 В, 60 А۰ч, контроллер заряда, инвертор 12/220, 1 кВт. Всё это хозяйство даст время жизни для данного примера — около 3-х часов и зарядит аккумуляторы часа за 3-4 при ветре не менее 10 м/с. Это минимальные стартовые значения.

2) В качестве постоянно работающего источника электроэнергии, при отсутствии сети. Это нерационально в условиях не постоянных ветров. В этом случае рационально использовать ветрогенератор совместно с солнечными панелями и бензогенератором, работающими поочерёдно, но на общий аккумулятор.

3) В качестве дополнительного источника энергии для экономии денег при наличии ветра. Ощутимую экономию и быструю окупаемость можно ожидать при эпизодическом использовании (при ветре) для нагрева теплоносителя для отопления и горячего водоснабжения. В этом случае можно обойтись без аккумулятора, контроллер переключает выбранных потребителей на ветрогенератор при достаточной силе ветра.

2. При выборе схемы ветрогенератора нужно руководствоваться следующими принципами:

1) При самостоятельном конструировании выбирать вертикальную схему. В качестве электрогенератора — мотор-генератор.

2) Самостоятельное изготовление горизонтального генератора крайне нежелательно ввиду большой опасности при разрушении винта, осколки, отлетающие с большой скоростью, могут травмировать или убить человека или животных.

Лучше купить фирменный ветряк (например https://invertory.ru/category/lopasti-dlja-vetrogeneratorov/ ) и собрать самодельный электрогенератор или купить мотор-колесо.

3) Иметь в виду, что горизонтальный генератор раза в 3 эффективнее вертикального, однако имеет большой уровень шума. Если условия по шуму критичны — выбирайте вертикальный.

4) Не монтировать на крыше дома, независимо от типа и мощности.

Законность установки ветрогенератора

При мощности ветрогенератора не более 75 кВт и высоте мачты не более 30 метров никаких разрешений на установку и эксплуатацию не требуется. Если мощность превышает 75 кВт, требуется сертификат. По высоте мачты возможны региональные ограничения, например вблизи аэродрома, вблизи ЛЭП, вблизи радиоантенн, мостов и т. п. Это нужно уточнить у местной администрации.

Также требует уточнения о соответствии требований и норм при установке на территории садового товарищества или жилищного комплекса. Тут могут быть проблемы из-за уровня шума, вибрации, безопасной зоны, радиопомех. Соседи могут быть недовольны, пожаловаться, подать в суд и, скорее всего выиграют. Это нужно иметь в виду и продумать эти вопросы заранее.