Ветрогенератор для автономного дома (часть первая)

Первая удачная попытка обуздать ветер была предпринята свыше 5500 лет назад, с изобретением корабельного паруса. На протяжении нескольких следующих тысячелетий интерес к ветроэнергетике проявляли исключительно корабелы, совершенствующие парусное вооружение судов.

Впервые в истории ветряные колеса, приводящие в действие различные механизмы, в первой веке нашей эры создал Герон, инженер из Александрии. А ветряные мельницы, ставшие своеобразной визитной карточкой Голландии, были изобретены не европейскими, а иранскими мастерами. Оснащенные длинным ротором, расположенным вертикально, ветряные мельницы мололи муку и качали воду в Иране уже в 7 веке н.э. Это изобретение обрело популярность, в десятом веке мельницы с вращаемыми ветром лопастями появились в Китае, а после вторжения арабов в Европу – на Сицилии.

Европейцы не воспользовались готовой конструкцией мельниц восточного типа и разработали свои проекты. Первые ветряные мельницы Европы, построенные в конце XII века, были меньше арабских аналогов, имели более короткий приводной вал, расположенный горизонтально. Право строить и владеть мельницами, использующими энергию ветра, в средневековье принадлежала знати и духовенству. В конце XIX века в европейских странах эксплуатировалось несколько десятков тысяч ветряных мельниц различной мощности и конструкции, моловших зерно и качающих воду.

Ветроэнергетика в Европе

Первый ветрогенератор был построен в июле 1887 года шотландским профессором Джеймсом Блитом возле его дома в городке Мэрикирк, графстве Кинкардиншир (сейчас – Абердиншир). Полученная электроэнергия использовалась для зарядки аккумуляторов, затем для освещения дома. Примечательно, что когда Блит предложил горожанам излишки электричества, производимого ветряком, использовать на освещение главной улицы городка, те напрочь отказались, назвав электроэнергию «дьявольской». Позже Джеймс Блит построил еще несколько ветрогенераторов для больниц, расположенных в графстве, но власти сочли их нерентабельными.

Ветрогенератор датчанина Пола ла Кура, созданный им в 1891 году с целью получения электроэнергии для электролиза водорода и освещения здания школы в поселке Асков (южная Дания) – единственная ветровая турбина, оказавшая важную роль в развитии ветроэнергетики на территории Европы. Изобретение ла Кура стало прототипом для сети ветрогенераторов на территории Дании – к 1908 году их насчитывалось свыше 72, мощностью от 5 до 25 кВт. Несмотря на доступность электроэнергии, производимой генераторами на нефтепродуктах, датчане не отказались от ветроэнергетики и продолжили ее развитие. Современная трехлопастная конструкция ветряка была разработана именно в Дании, его спроектировал инженер Йоханнес Джул, ученик Пола ла Кура. В 1957 году ветровую турбину Джула мощностью 200 кВт установили неподалеку от поселка Гедсер, в южной части датского острова Фальстер.

Трехлопастный ветряк компании Twind, мощностью 1 МВт, высотой 54 м и с лопастями диаметров 27 м, был завершен в 1878 году – он оказался настолько эффективным, что его конструкцию скопировали практически все современные производители ветрогенераторов.

Ветрогенераторы Северной Америки

Американский изобретатель Чарльз Браш создал свой ветрогенератор за три месяца зимы 1887-1888 годов в Кливленде, штат Огайо. Обладая внушительными размерами – диаметр 144 лопастей турбины составлял 17 м при высоте опорной башни в 18 м – мощность ветряка Браша была всего лишь 12 кВт и еле-еле покрывала потребности изобретателя, однако в то время его дом был единственным в городе, где светили электролампы. В начале XX века развитие центральной энергосети Кливленда сделало ветрогенератор Браша ненужным. Кстати, Чарльз Браш является основателем компании Brush Electric Company, впоследствии слившейся с корпорацией Томаса Эдисона General Electric.

В 30-х годах прошлого века американский рынок ветрогенераторов активно развивался – электрификация сельских районов США проходила крайне медленно, поскольку энергетические компании считали это дело невыгодным из-за больших расходов на линии электропередачи. Воспользовавшись ситуацией, братья Якобс – Джо и Марцелл – открывают в Миннеаполисе компанию Jacobs Wind Electric и начинают производство малых ветряков, рассчитанных на потребности американских фермеров. Их идеей воспользовались другие производители и за последующие 30 лет в США было произведено несколько десятков тысяч ветрогенераторов мощностью от 100 Вт до 5 кВт. Наиболее популярным среди фермеров стал двухлопастный ветрогенератор мощностью 200 Вт, производимый Wincharger Corporation.

Среди населения сельских районов США в 70-е становится популярным самодостаточный образ жизни, многие фермеры решили выйти из-под зависимости от энергетических компаний. Стоимость солнечных батарей в то время была довольно высокой и ветрогенераторы вновь обрели популярность. Но прежних производителей ветряков уже не было на рынке ввиду многолетнего снижения спроса. На этом фоне развивается бум на старые ветрогенераторы – их активно скупают по всей территории США, ремонтируют и перепродают новым владельцам.

В начале 80-х выпуск ветряков вновь налаживается, формируется эстетический стандарт в отношении направления вращения лопастей – по часовой стрелке. Прежде ветровые турбины вращались так, как того хотели их производители: в Европе обычно против часовой стрелки (к примеру, модели датской Twind), как и лопасти ветряных мельниц; в США выпускалась часть моделей с вращением по часовой стрелке, часть – с вращением против часовой стрелки.

Ветроэнергетика в СССР

В 1918 году в России вышла первая научная работа из области ветроэнергетики, ее автором был малоизвестный сегодня профессор В.Г. Залевский. Он описал принципы работы ветряных мельниц, исследовал в теории возможности получения электроэнергии с использованием силы ветров. Спустя семь лет, в ЦАГИ профессором Николаем Егоровичем Жуковским был открыт отдел ветряных двигателей, где велась разработка ветрогенераторов и роторов для них.

Постоянная нехватка источников электроэнергии в СССР требовала поиска любых доступных способов ее генерации и в рамках этого проекта создавались предприятия по серийному выпуску ветровых турбин мощностью в 3-4 кВт. Первая в Советском Союзе ветроэлектрическая станция мощностью 8 кВт начала работу в 1930 году, в Курске. В следующем году завершилось строительство 100 кВт ВЭС в Ялте, производительность которой превышала мощности любого из существующих ветроэнергетических комплексов в мире, построенных к тому времени.

Советские ветрогенераторы выпускались в объеме 9000 моделей за год, наряду с микро-ГЭС на них делалась основная ставка в энергообеспечении страны. В ходе освоения казахской целины инженеры спроектировали и построили ВЭС мощностью 400 кВт, сочетавшую в себе несколько ветрогенераторных установок и дизель-генераторы. Это была первая ветро-дизельная электростанция в мире.

Интерес к альтернативной энергетике в СССР сошел на нет к началу 60-х годов. Стоимость «ветрового» киловатта, с учетом затрат на производство ветряка, его установку и обслуживание, составлял в те годы порядка 40 центов, а «нефтяной» киловатт стоил куда дешевле – всего лишь 4 цента. Производство «советской» электроэнергии полностью переориентировали на АЭС, ТЭС и крупнейшие ГЭС.

Как устроен и работает ветрогенератор

Комплекс автономной ветровой электростанции включает в себя лопастную (крыльчатую) либо карусельную ветротурбину, поднятой на мачту, а также электрогенератор, расположенный в гондоле или в основании мачты. Вырабатываемая электроэнергия идет на зарядку аккумуляторов через специальный контроллер заряда, затем инвертор преобразует напряжение из постоянного 12 или 24 вольт в переменные 220 вольт и питает сеть потребителей.

Чем выше мачта ветрогенератора, тем более эффективна его работа – на поверхности земли много препятствий, непроницаемых для ветров и поэтому влияющих на их скорость. Контроллер служит как для преобразования переменного тока, полученного электрогенератором, в постоянный, поступающий к аккумуляторам, так и для управления работой ветровой турбиной. Он следит за скоростью вращения лопастей, активируя их торможение при высокой силе ветра, иначе повышенное напряжение сожжет аккумуляторные батареи. Система аккумуляторных батарей снабжает потребителей электроэнергией во время безветрия, а также стабилизирует напряжение на выходе из генератора – его значение зависит от скорости ветров и не может быть постоянным.

Принцип работы ветровых электростанций схож с их прототипами, веками служившими в качестве мельниц и насосов – сила ветра вращает колесо-ротор, снабженное лопастями (крыльями), крутящий момент передается на основной рабочий механизм. Скорость вращения при этом зависит от диаметра лопастного колеса – чем он больше, тем лучше захватывает воздушные потоки.

По числу крыльев ветряки делятся на модели, оснащенные одной-тремя лопастями и многолопастные. На первый взгляд роторы с большим числом крыльев (лопастей) обладают большим преимуществом, ведь для их вращения достаточно небольшой силы ветра. Но для выработки электроэнергии необходимо не просто вращение, а постоянное и определенное число оборотов. Чем больше лопастей, тем выше сопротивление ветряка воздушному потоку, а значит, необходима более высокая скорость ветра, чтобы достичь требуемых оборотов ротора в электрогенераторе.

Многолопастные ветрогенераторы эффективны, если речь идет о перекачке воды – т.е. присутствует вращение, как таковое, а в производстве электроэнергии они проигрывают роторам с малым числом лопастей.

Лопасти колес ветрогенераторов выполняются либо жесткими (металлическими, деревянными, стеклопластиковыми и т.д.), либо парусными (тканевыми). Последние дешевле, однако, изнашиваются за крайне короткий срок эксплуатации – при 3-х метровом диаметре ветрового колеса и 400 оборотах электрогенератора, скорость вращения на конце лопастей достигает 500 км/ч. Учитывая частицы пыли, взвешенные в воздухе, износ материала крыльев ротора будет значительным. Поэтому металлические и стеклопластиковые лопасти значительно надежнее, чем тканевые.

Шаг ротора, в зависимости от модели ветряка, может быть фиксированным либо изменяемым. Во втором случае достигается более широкий диапазон рабочих скоростей, что стабилизирует выработку электроэнергии при различной силе ветра. Но ветрогенераторы с изменяемым шагом ветрового колеса необходимо оснащать лопастями аэродинамической сложной конструкции, что негативно влияет на надежность ветряка и увеличивает вес ротора. Кроме того, возрастает стоимость агрегата.

Наиболее популярными типами ветрогенераторов являются модели с крыльчатыми (горизонтально-осевыми) и с карусельными (вертикально-осевыми) роторами. Изучим оба типа роторов подробнее.

Горизонтальные ветрогенераторы – виды и описание

Считаются ветровыми электростанциями традиционного построения, конструкционно являются лопастным механизмом, вращающимся по горизонтальной оси. Наибольшая скорость вращения достигается при перпендикулярном положении лопастей по отношению к воздушному потоку. Чтобы всегда держаться против ветра, независимо от его географического направления, малые ветряки комплектуются вертикальным крылом, размещенным за гондолой. Маломощные ветрогенераторы крыльчатого типа не оснащены мультипликатором – крутящий момент передается к генератору напрямую.

Эффективность горизонтальных ветровых электростанций выше, чем у моделей других видов. Два или три горизонтальных винта (крыла) способны работать с коэффициентом использования ветровой энергии на уровне 30% не требуя точной калибровки.

Крыльчатые ветрогенераторы могут быть однолопастными, двух или трехлопастными, а также многолопастными (т.е. иметь более трех крыльев).

Колесо однолопастных ветряков комплектуется одним крылом и противовесом, служащим для балансировки. Низкий момент инерции обеспечивает таким моделям ветрогенераторов максимально высокую скорость вращения. В свою очередь скорость делает возможным комплектовать однолопастники синхронными генераторами с прямым приводом, обладающими меньшими размерами и массой, чем асинхронные генераторы равной мощности. В перечень достоинств однолопастных ветровых электрогенераторов входит их более низкая стоимость из-за меньшего, по сравнению с другими крыльчатыми моделями, числа лопастей.

Четное число лопастей у двукрылых ветряков позволяет им самостоятельно выравниваться, занимая строго горизонтальное положение. Самовыравнивание лопастей делает такой ротор незаменимым при частых подъемах и спусках мачты, удерживающей его гондолу. Две лопасти весят меньше и стоят дешевле, чем три или большее их количество, поэтому спрос на двукрылые ветрогенераторы малой и средней мощности достаточно стабилен.
Трехлопастные ветрогенераторы популярны более других – большинство домовладельцев, намеренных решить проблему автономного электроснабжения с помощью ветряка, ищут именно такие модели. Производятся как маломощные трехлопастники, так и агрегаты максимальной производительности в сфере ветроэнергетики – мощностью в 7 МВт.

Ветровые электроустановки, оснащенные многолопастным ротором, являются высоко инерционными – их скорость вращения невелика, однако крутящий момент выше, чем у крыльчатых ветрогенераторов с меньшим числом лопастей. В качестве электрогенераторов они малоэффективны, но идеально подходят в качестве насосных систем.

Типы вертикальных ветрогенераторов

Карусельные ветряки не нуждаются в регулировки положения по отношению к ветру – исправно работают при любом его направлении. Если ветер крепчает, то ветрогенераторы увеличивают силу тяги при помощи тормозной системы, удерживая обороты на оптимальном уровне. Роторы такого типа не вращаются с большой скоростью, поскольку это неизбежно повредит вертикально установленный приводной вал, передающий крутящий момент на многоплюсный электрогенератор. Коэффициент использования энергии ветра у карусельных ветрогенераторов составляет не более 20%. Причины малой эффективности связаны с малой площадью колеса, взаимодействующего с ветрами, а также с потребностью в кропотливой настройке системы торможения.

Наиболее популярны пять типов вертикальных роторов – Дарье и Савониуса, вертикально-осевые, геликоидные (роторы Горлова) и многолопастные.

Ортогональный ротор Дарье назван в честь своего создателя, французского инженера Жоржа Дарье, продемонстрировавшего свое изобретение в 1931 году. Его колесо оснащено двумя, иногда тремя лопастями, выполненными в виде плоских овалов. Ветрогенераторы Дарье самостоятельно ориентируются на ветер, в их конструкции приводной вал находится возле поверхности земли, его гораздо проще обслуживать по сравнению с вертикальными роторами других типов. В числе их недостатков относительно недолгая службы опорных узлов (из-за значительных динамических нагрузок от ротора), неспособность запускаться самостоятельно (особенно при равномерной скорости ветра), сложное производство (профиль лопастей должен быть строго выдержан), высокая шумность во время работы.

Ротор с лопастями, выполненными из разрезанных пополам цилиндров, в 1922 году изобрел финский инженер Сигурд Йоханнес Савониус. Конструкция ротора Савониуса проста, он легко начинает вращение даже при малых скоростях ветра (от 3-х м/с), обладая высоким крутящим моментом при пуске. Такой ветрогенератор надежен, его производство обходится недорого, но добиться высокой производительности от ротора Савониуса невозможно. Поэтому такие роторы используются в конструкции ветровых установок мощностью до 5 кВт и для разгона ветрогенераторов, оснащенных в качестве основного ротором Дарье.

Ветряки с вертикально-осевым ротором имеют несколько (более двух) лопастей, расположенных вертикально к земле и параллельно по отношению к осевой мачте. Их достоинства и недостатки близки к аналогичным характеристикам ветрогенераторов с ротором Дарье, т.к. вертикально-осевая ветротурбина – модификация изобретения французского инженера. Такой ветряк способен развивать высокую скорость при вращении, его шумность ниже, чем у прототипа. Вертикально-осевой ротор устроен проще и более надежен во время эксплуатации, чем модель Дарье.

Геликоидный ротор разработан в 2001 г. профессором Александром Горловым, возглавляющим лабораторию гидропневматики в бостонском Северо-восточном университете (штат Массачусетс, США). Представляет собой модификацию вертикально-осевого ротора – лопасти изогнуты по диагонали, благодаря чему колесо вращается равномерно и на опорные узлы воздействуют меньшие динамические нагрузки. Ротор Горлова вращается быстро, его КПД близок к крыльчатым ветрогенераторам. Недостатки: высокая стоимость производства из-за сложной конструкции лопастей; значительная шумность во время работы, возникновение инфразвука (частота до 8 Гц).

Конструкция многолопастного ветрогенератора базируется на вертикально-осевом роторе. Имеют два ряда лопастей – внешний и внутренний. Внешние лопасти закреплены жестко и не вращаются, они предназначены для захвата, сжатия и направления под определенным углом ветрового потока на крылья внутреннего ряда, размещенные на роторе.

Многолопастные ветрогенераторы достаточно эффективны, хорошо работают при слабых ветрах. К их недостаткам относятся высокая стоимость – профилированные лопасти недешевы – и значительный уровень шума при работе.

В завершении

Ветрогенераторы обладают следующими плюсами:

• полная безопасность для окружающей среды. Выработка электроэнергии с использованием силы ветров не сопровождается какими-либо вредными выбросами или отходами;
• возобновляемый источник первичной энергии, не требующий затрат на добычу и доставку к электростанции;
• площади, занятые ветроэлектростанцией, можно использовать в сельском хозяйстве;
• ветрогенераторы устанавливаются непосредственно вблизи потребителей, соответственно, расходы на транспортировку электроэнергии минимальны;
• затраты на производство электроэнергии не зависят от изменчивости цен на традиционные энергоносители;
• быстрый монтаж ветровой электростанции, отсутствие сложностей в обслуживании, низкие эксплуатационные расходы.

Их минусы:

• значительная стоимость ветрогенераторов;
• нестабильная производительность электроэнергии – в безветрие или при слабом ветре ветряк бесполезен;
• высокий уровень шума при работе;
• влияние на качество приема радио и телесигналов;
• создают угрозу для летящих птиц;
• снижают эстетику ландшафта.

По большому счету, главный недостаток ветровых электрогенераторов связан с их малой распространенностью – эти агрегаты непривычны для жителей городов и поселков, а все новое традиционно считается плохим.

Во второй части материала, посвященного ветроэнергетике, будут рассмотрены вопросы выбора оптимальной модели ветрогенератора, а также условия, необходимые для его эффективной работы.