Ветряные электростанции: какие бывают и как выбрать для частного дома

Первые подобные устройства стали появляться в конце 19 века, а к сегодняшнему дню они приобрели особую актуальность. Ветряные электростанции (ВЭС) становятся перспективным источником возобновляемой энергии, без них не обойтись в отдаленных и труднодоступных районах, а также там, где поблизости нет магистральных сетей. Разбираемся, как устроен ветряк, как работает ВЭС и какие ограничения работы существуют, стоит ли приобретать ветряную электростанцию для частного хозяйства.

Как работают ветрогенераторы

Человечество использовало энергию ветра тысячелетиями, сооружая ветряные мельницы. ВЭС работает по тому же принципу; только устройство выполняет не механическую работу, а служит для выработки электричества. Следует различать ветрогенератор или ветряк – это ветроэлектрическая установка, одиночное устройство, и ветряную электростанцию, множество ветряков, объединенных в единую сеть.

Основными компонентами конструкции являются следующие элементы:

• Ротор с лопастями аэродинамической формы.
• Коробка передач (редуктор), которая служит передаточным звеном между ротором и генератором.
• Корпус, служащий защитой для механических и электрических и электронных компонентов системы ВЭС.

Когда ветер приводит в движение лопасти, закрепленные на опоре; они начинают вращается, и раскручивают ротор генератора. Выработанное таким образом электричество сначала поступает в инвертор, где ток преобразуется из постоянного в переменный, затем подается в аккумулятор, где становится доступным для потребителя.

Разновидности ВЭС

Современные ветряки для выработки электроэнергии разнообразны по устройству, размерам, типу и модификациям. Их можно классифицировать по следующим качествам:

• Тип ветротурбин. Он определяется направлением оси вращения, вертикальной или горизонтальной. Более распространены устройства с горизонтальной осью вращения, как более производительные. У вертикальных аналогов выработка электроэнергии несколько меньше, зато они более устойчивы в критических погодных условиях.
• Количество лопастей. Вращение совершает лопастной винт, устройство с двумя, тремя и более лопастями.
• Технические характеристики винта (способ управления лопастями). Основной параметр – это шаг винта; он зависит от угла установки лопастей по отношению к плоскости вращения. Шаг лопастей бывает фиксированным или изменяемым. Первый вариант более практичен: устройство проще в эксплуатации и менее подвержено поломкам.

• Материал изготовления лопастей. Жесткие рабочие лопасти изготавливают из полимерных композитов. Парусные – из нетканых слоистых материалов, а также из парусины или брезента. Парусные лопасти способны менять площадь рабочей поверхности; они стоят дешевле, но и прочностью уступают полимерным изделиям.

Что качается размеров, то ветряные станции можно условно разделить на три группы:

• Высота промышленных установок, образующих наземные, прибрежные или шельфовые электростанции, доходит до 200 м (размах лопастей до 120 м). Подобные ветряные фермы, известные по впечатляющим фотографиям и съемкам, вырабатывают сотни мегаватт электроэнергии, достаточные для обеспечения потребностей сотен домов.
• Средние ветряки рассчитаны на обеспечение небольших объектов: ферм, частных домов. Они производят не более 100 кВт электроэнергии, которая может использоваться как дополнительный, резервный так и основной источник питания.
• У самых маленьких устройств мощность не превышает 20-300 Вт. Компактные ветряные электростанции удобны для подзарядки аккумуляторов; везде, где электричество используется периодически и в небольшом количестве.

ВЭС для частного дома: о чем надо подумать перед покупкой

Идея использования чистой энергии буквально из воздуха привлекательна для владельцев частных наделов и подсобных хозяйств. Однако небольшие воздушные электростанции далеко не всегда оказываются эффективными, и важно заранее понять, оправдает ли такая установка затраты на приобретение. Компактная ВЭС станет экономически эффективной лишь в регионах с определенной ветровой нагрузкой. Кроме того, должны выполняться некоторые другие условия.

Ветреные перспективы: выбор места

Мечты о небольшой станции, способной обеспечить дом или усадьбу, могут так и остаться мечтами, если ветреные дни в данной местности случаются не часто. Приемлемую экономическую эффективность обеспечивают следующие условия:

• Ветер дует в течение многих дней. Если вы не уверены в погодных условиях своей местности, сомнения поможет снять карта ветровых нагрузок. Она показывает, где более-менее стабильно дуют ветры, а где регионы безветренные. Кроме карты ветров за информацией можно обратиться к архивам местной метеорологической станции.

• Качество ветра. В целом, чтобы ветровая станция стала экономически выгодной, минимальная среднегодовая скорость ветра должна начинаться от 4-4,5 м/с (14,4-16,2 км/ч).
• Стабильность ветра. Даже при стабильно ветреной погоде электроэнергии не всегда будет вырабатываться достаточно. Продуктивность сильно зависит от изменений скорости ветра. Если ветер порывистый, и его сила меняется в пределах 10%, то выработка электричества будет колебаться уже в пределах 25%.

Место для установки ветрогенератора также должно удовлетворять определенным условиям; важны следующие факторы:

• Открытое пространство. Ветер развивает максимальную скорость в степи, у береговой линии, на возвышенности (например, на вершине холма).
• Отсутствие препятствий. Отдача от ВЭС снижается, если установить ее недалеко от строений и деревьев. Думайте на перспективу: молодые невысокие деревья вырастут, а ветряк – нет.

Об установке ветряной электростанции для частного дома задумываются владельцы, чьи затраты на электричество неприлично высоки, или электрическая линия находится далеко. Даже если есть желание инвестировать деньги в ветрогенератор (а это дорогая инвестиция с низкой скоростью окупаемости), нужно убедиться в выполнимости следующих условий:

• Для установки ветряка хватит места.
• Местная администрация разрешает установку бытовых ВЭС.
• У вас не будет проблем с соседями.

Ветряк придется ставить подальше от соседей, а их придется заранее информировать о своих планах, чтобы избежать ссор и судебных разбирательств в будущем. Дело не только в безопасности, но и в шуме, который издает работающее оборудование.

Стандартная (большая) установка при полной загруженности генерирует шум мощностью 34-45 дБ, что эквивалентно шуму мчащегося по шоссе автомобиля. Компактное устройство шумит не больше, чем кондиционер. Рекомендованное расстояние от крупного ветряка до жилых домов составляет 30-40 м, тогда шум не будет доставлять дискомфорт.

Размер и мощность: как сравнивать разные ветроустановки

Вопрос размера ветряной электростанции крайне важен для будущего владельца, так как он тесно связан с мощностью ветряка. Строго говоря, сначала необходимо определиться, насколько мощная установка вам нужна, чтобы не переплачивать за лишнюю мощность (если только вы не собираетесь продавать электроэнергию).

Для начала необходимо выяснить, сколько энергии потребляет ваше домохозяйство в год. Можно взять расход за последний год или вычислить среднее за несколько последних лет. Как вариант, можно взять расход за один месяц и умножить на 12. Полученное число можно использовать при выборе подходящей модели ветротурбины.

Затем нужно приблизительно оценить, сколько электроэнергии можно получить в действительности от той или иной модели ветреного генератора. Существует некоторая путаница в понятиях, описывающих работу устройства. Например, номинальная мощность – та, которую развивает установка (лопасти). Это значение часто (и ошибочно) используют, сравнивая разные модели.

Ошибка заключается в том, что реальная мощность, которая попадает потребителю – это мощность инвертора (преобразователя); именно он получает энергию от ветроустановки и аккумуляторной батареи. Реальная мощность не совпадает с номинальной, а меняется в режиме реального времени, вслед за изменением скорости ветра.

Проблема связана с тем, что в отрасли отсутствует единый стандарт измерения выходной мощности. Это приводит к тому, что фирмы-производители указывают выходную мощность при разных скоростях ветра.

Диаметр ветроустановки, рабочая площадь лопастей и мощность – взаимосвязанные параметры. Рабочая площадь пропорциональна квадрату диаметра, а мощность (а, значит, и выработка энергии) пропорциональна, в свою очередь, рабочей площади. Поскольку зависимость нелинейная, то при сравнении энергетических возможностей разных моделей ВЭС это надо учитывать. Например, если диаметры двух ветряков отличаются в 1,5 раза, то мощность – уже в 2,25 раза (1,5х1,5).

Поэтому корректными будут следующие способы сравнения двух ветряков:

• Если сравнивается номинальная мощность, то берутся значения при равных расчетных скоростях ветра.

• Чтобы оценить реальные возможности, проще проводить оценку по диаметру ветротурбины и выработке энергии.

Также важно понимать, что установка в среднем будет работать на треть рассчитанной мощности, в чем будет виноват слабый ветер или его отсутствие. То есть, если для беспроблемного функционирования частного дома нужен источник электроэнергии мощностью 2-3 кВт, то потребуется ВЭС мощностью 5-6 кВт.

Чтобы избежать ненужных потерь мощности, стоит внимательно относиться к выбору места и размера опоры. Желательно, чтобы конструкция, на которой монтируют ветрогенератор, была на два-три метра выше, чем окружающие преграды в радиусе 200 (а лучше больше) метров.

Цены ВЭС для частного дома

Производством промышленных, коммерческих и бытовых ветрогенераторов заняты компании по всему миру; крупнейшие производители – родом из Дании, Китая, США, Германии, Индии, Испании. На стоимость ветрового генератора влияет место его изготовления и мощность.

Установки мощностью менее 100 кВт относятся к малой ветроэнергетике. Если мощность не превышает 1 кВт, то это микро-ветровое устройство, которое можно использовать, например, на яхте или для водоснабжения фермерского хозяйства. Для частного хозяйства или в качестве ветрогенератора для дачи подходят следующие разновидности ВЭС:

• Устройство мощностью порядка 3 кВт (48V). Ветрогенератор стоимостью 150-160 тыс. руб. способен обеспечивать энергией коттедж на постоянной основе, или в качестве дополнительного источника. Обычно цена включает мачту и контроллер.
• Устройство на 5 кВт (120V). Подходит для регионов со стабильными ветрами и уверенно обеспечивает большой дом, наполненный бытовыми электроприборами. Ценник находится в диапазоне 320-360 тыс. руб.
• Устройство на 10 кВт (240V). Ценник начинается от 600-670 тыс. руб., устройство обеспечит электроэнергией нескольких загородных домов или ферму. Энергии хватит не только для бытовых нужд, но и для использования строительных инструментов.

Коротко о главном

Приобретение ветрогенератора для дачи, фермы или частного дома станет хорошим решением, если у вас нет возможности подключиться к централизованной ЛЭП, или, если вы хотите иметь резервный источник электроэнергии. Устройство будет полезным (эффективным) в регионах со стабильно дующими ветрами.

При сравнении разных моделей ВЭС необходимо опираться на корректные параметры: оценивать не номинальную, а реальную мощность. Перед покупкой важно убедиться, что у вас есть подходящее место для ветровой установки, и соседи не будут против ветроустановки.