С использованием энергии ветра человечество знакомо с незапамятных времен. Когда-то неизвестный изобретатель приладил парус к неказистому плавучему средству, и с его помощью через столетия вся Земля была обследована пытливыми мореплавателями. Ветряные мельницы даже в наше время во многих странах исправно служат человеку.
Но сегодня использование ветра подразумевает, прежде всего, получение электроэнергии. Попытаемся разобраться, насколько это просто, дешево и удобно. Для тех, кто хочет сразу услышать итог, вывод: ветряная электроэнергия никогда не станет дешевле энергии, полученной из других источников: тепловых, атомных или гидроэлектростанций.
Поэтому заниматься ветряными электростанциями для дома имеет смысл только тем, у кого руки чешутся приспособить доставшийся «по случаю» готовый генератор, или энтузиастам экологически чистой энергии, фанатично желающим спасти планету от экологической катастрофы. Других причин использовать ветряную энергию при подведенном питании от внешних электрических сетей просто не придумаешь.
Для начала немного сведений о возможностях использования энергии ветра. При воздействии ветра на лопасти турбины, эффективность отбора энергии (КПД) не может превышать 59%. Это значение получили в своих работах ряд ученых (Ланчестер, Бец, Жуковский) еще в 1920 г. С тех пор оно известно как «предел Беца».
Есть ли смысл считать КПД ветряного генератора, если он приводится в действие дармовым источником неограниченной мощности? Конечно есть! Зная КПД преобразования, можно оценить необходимую мощность электростанции, а затем – насколько похудеет ваш кошелек после ее приобретения.
Предельная мощность, которую можно «отнять» у ветра, равна площади, на которую он воздействует (площадь обмаха пропеллера), умноженной на скорость ветра в кубе и на упомянутый выше КПД, равный 0,6. Выразив все величины в системе СИ, получим, что 1м2 турбины при скорости ветра 2 м/с отбирает мощность аж …4,8 Вт. При скорости ветра 8 м/с (номинальная скорость большинства ветряных генераторов), отбор с единицы площади возрастет до 307 Вт.
Теперь информация к размышлению: реальный КПД для домашних установок нужно брать не более 0,3. Время работы ветряных электростанций при оптимальной скорости ветра колеблется от 10 до 15% в год в климатических условиях стран СНГ.
Поэтому полученную из формулы мощность ветряной электростанции необходимо увеличить еще в 4-5 раз. На практике рекомендуют устанавливать ветряную электростанцию, ориентируясь не столько на технические показатели, сколько на финансовые возможности, по принципу: «Чем больше, тем лучше». С мечтой установить мощную и, одновременно, компактную установку необходимо сразу расстаться. Одно другому противоречит в принципе.
Конструкция ветряной электростанции, в общем случае, состоит из генератора, выпрямительного устройства, аккумуляторной батареи и инвертора для преобразования напряжения в привычное значение 220 В. Контроль и управление всеми блоками и элементами электростанции выполняет микропроцессорный контроллер или более простые логические схемы.
Изучая технические характеристики ветряных электростанций, предпочтение необходимо отдавать тем, у которых скорость начала движение ротора, начальная скорость зарядки аккумуляторов и скорость, при которой они выходят на рабочий режим, минимальны. Чем шире диапазон рабочих скоростей ветра, тем больше вероятность получить энергию. Стоимость в этом случае играет вторичную роль: зачем брать установку дешевле, если она в вашем регионе будет работать несколько дней в году?
Теперь пришло время прицениться к продукции фирм, предлагающих готовые комплекты оборудования. О самодельных ветряных электростанциях здесь вообще не будем говорить. Даже лучшие образцы промышленного изготовления имеют КПД не более 30%, а самодельные конструкции из подсобных материалов смогут производить разве что шум.
Все разнообразие конструкций ветряных генераторов можно свести к двум большим группам: с горизонтальным расположением ротора генератора и генераторы с ротором вертикального типа.
Горизонтальные генераторы флюгерного типа обладают более высоким КПД, меньшей материалоемкостью. Но требуют применения мачт большей высоты, имеют сложную механическую часть и неудобны в обслуживании. Станции вертикального типа менее экономичны, они имеют большую материалоемкость, но работают в большем диапазоне скоростей ветра и более компактны.
Рассмотрим по одному образцу из наиболее интересных представителей ветряных электростанций каждой группы. Наибольший интерес из электростанций с горизонтальным расположением ротора представляет безредукторный контурный генератор Windtronics.
В нем аэродинамическое сопротивление снижено за счет особой конструкции турбины, в которой на концах лопастей закреплены сильные постоянные магниты, а по ободу смонтировано 68 статорных катушек. При таком решении ротор одновременно является и генератором электрической энергии. Специальные закрылки на лопастях позволяют турбине начать движение при скорости ветра 0,2 м/с. На сегодня это значение является рекордным для генераторов.
При скорости 0,9 м/с. турбина начинает вырабатывать электричество. Другие типы генераторов при этих значениях скорости ветра даже не могут сдвинуться с места. Вес изделия около 110 кг, диаметр 1,8 м, уровень шумов – не более 35 дБ.
Благодаря жесткой конструкции, турбина выдерживает скорость ветра до 62,6 с. Годовая производительность от 1500 до 2750 кВт·ч электроэнергии. Американской фирмой Honeywell Wind Turbine в комплекте с турбиной поставляется вся необходимая электроника, рассчитанная на подключение 2 генераторов или солнечной дополнительной панели. Серьезным и единственным недостатком ветряной электростанции является ее цена – 5750 долларов при номинальной мощности генератора всего 1,5 кВт.
Многообещающим представителем электростанций с генератором вертикального типа можно считать турбины Eddy компании Urban Green Energy. Генераторы очень компактны, почти бесшумны и могут монтироваться даже в городских условиях. При весе генератора 95 кг он занимает площадь чуть больше 2,5 м².
Турбину можно смонтировать за час, а служит она до 20 лет. Генератор выдерживает ветровые нагрузки до 193 км/час и вырабатывает, в зависимости от модификации, от 2000 до 4000 кВт·ч энергии в год. Главным недостатком является высокая начальная скорость ветра для турбины – 3,2 м/с. Информации о стоимости генератора пока нет.
Оригинальная форма турбины, напоминающая лепестки розы, натолкнула архитекторов на идею создать электростанцию в виде дерева, на ветвях которого смонтировано от 3 до 12 турбин, Проект получил название Power Flowers и привлек широкое внимание общественности, создав неплохую рекламу генераторам Eddy и фирме UGE.
О различных конструкциях и моделях электростанций можно очень долго говорить, но объединяет их одно: очень высокая цена. Из анализа предложений фирм можно вывести некую удельную стоимость 1 кВт мощности оборудования. Она составляет приблизительно 2000 долларов без монтажных работ. Добавив еще около 500 долларов на монтаж и наладку, мы получим усредненную величину затрат на оборудование, которое произведет вам 2000-3000кВт·ч электрической энергии за год.
По оценкам специалистов, электроэнергия, полученная от экологически чистых источников, дороже обычной в 3-4 раза. При использовании маломощных ветряных электростанций, стоимость энергии может на порядок (в 10 раз) превышать полученную из традиционных источников. Это связано с большими разовыми затратами на оборудование и работами по установке, наладке и обслуживанию ветряных электростанций.
Для того, что бы скрыть этот факт, часто используют утверждение, что с ростом цены на энергоносители экологически чистые источники станут рентабельными. При этом игнорируется то соображение, что с ростом расценок на энергию будет расти и стоимость оборудования, которое обладают значительной материалоемкостью. И перспектив к сокращению подобной «вилки» не предвидится даже в отдаленном будущем.
Если есть непреодолимое желание установить ветряную электростанцию, то сначала необходимо познакомиться с архивом сводок погоды за несколько последних лет в вашем регионе. Подобная информация сейчас доступна в сети и сразу прояснит реальные возможности по использованию ветровой энергии.
