Ветрогенератор для энергоснабжения дома (часть вторая)

Нагрев Солнцем нашей планеты происходит неравномерно, в результате образуются зоны с различным воздушным давлением и, как следствие, происходит движения воздуха между ними. Воздушные течение формируют ветра, их минимальная скорость принята за 0,6 м/с – скорости ветра ниже ее считаются штилем. Чтобы вырабатывать электроэнергию с использованием силы ветров на постоянной основе, требуется движение воздуха на скорости от 3 м/с, в идеале – порядка 6-10 м/с, но не более 25 м/с.

Объем электроэнергии, производимый ветрогенератором, возрастает пропорционально скорости ветра – при ее удвоении ротор ветроколеса получит в восемь раз больше кинетической энергии.

На скорость ветра прямое воздействие оказывают несколько факторов:

• высота над землей. Чем ближе потоки атмосферных газов к поверхности Земли, тем выше степень их трения об нее. На равнинных территориях скорость ветра возрастает на 12% при двукратном увеличении высоты;
• сезоны года. Для большинства территорий нашей планеты характерны изменения интенсивности ветров в зависимости от времени года. Как правило, зимой ветер дует с большей скоростью, чем летом;
• рельеф местности. Возвышенности, расположенные на равнинных участках, более всего подходят для размещения ветрогенератора – здесь скорости ветров будут значительно выше, чем на равнине.

Следует учитывать, что не во всех случаях размещение ветряка на холме или горном хребте будет гарантировать максимальную его производительность. Возвышенности формируют зону высокого давления, отступающую от них на некоторую дистанцию. Крутые и неровные склоны могут вызывать завихрения воздуха (турбулентность), что отсечет воздушный поток от вершины холма – в этой ситуации устанавливать на нем ветрогенератор бессмысленно.

В наиболее заселенных районах России ветровые ресурсы низки – среднегодовая скорость ветра не превышает 5 м/с, а значит, мощность ветрового потока невелика. Учитывая дни полного штиля, ветрогенераторы здесь будут работать с достаточной производительностью не более 182 дней в году, т.е. лишь половину календарного года.

Постоянные ветра в России присутствуют лишь на территориях, прилегающих к крупным водным бассейнам – морям и озерам. Обширные по площади водоемы поглощают солнечное тепло медленнее, чем земли побережья, ввиду более высокой теплоемкости воды. Прогретый воздух поднимается над сушей, формируя при этом зону высокого давления. Это вызывает разницу давлений между воздушными массами над морем (озером) и побережьем, вызывая днем дующий от водоема бриз – ветер, скорость которого обычно не превышает 5 м/с. Ночью ситуация обратная – земля охлаждается быстрее водных масс, над водоемом образуется зона высокого давления и воздух с суши устремляется к водному бассейну. Скорость континентального и морского бриза находится в пропорциональной зависимости от разницы температур воздушных масс над водоемом и сушей. Несмотря на относительно невысокую скорость бризов, их преимущество в стабильности.

Как сообщает карта ветровых ресурсов, с позиции ветроэнергетики наиболее выгодными являются побережья Тихого и Северного Ледовитого океанов, но, ввиду малого числа населенных пунктов, размещение ветровых установок в этих районах довольно затруднительно. На обжитых территориях наибольший ветроэнергетический потенциал имеется на побережьях по периметру Финского залива и Ладоги, в Краснодаре и в Ростовской области, а также в районе Владивостока. Роза ветров и их сила обещают достаточно высокую производительность ветровых установок в Архангельской и Мурманской областях.

Средняя скорость ветра – как ее определить?

Прежде чем искать подходящий по цене и производительности ветрогенератор, следует выяснить, каковы ветровые ресурсы в данной местности. Определить среднегодовую скорость ветра можно двумя способами – основываясь на данных местной метеослужбы и при помощи мини-метеостанции.

Метеорологи, как правило, выводят средние данные за некоторый временной период, что не позволяет оценить сезонный ветровой потенциал, а также суточные колебания интенсивности ветра. Учитывая, что скорость ветров зависит от местного ландшафта, значительные расхождения в ее показаниях могут быть даже при смещении анемометра на несколько десятком метров, а на дистанции более 2 км – и того более. Высота, на которой метеорологи снимают показания, как правило, равна 10 м. А как мы уже выяснили выше, скорость ветра растет с набором высоты и если гондолу ветрогенератора предполагается выводить выше или ниже десятиметровой отметки, то полагаться на усредненные метеорологические данные при выборе мощности ветряка не следует.

Максимальная точность замеров ветровых ресурсов достигается только лишь с помощью миниатюрной (портативной) метеостанции. Измерения производятся непосредственно на месте будущей установки ветрогенератора, причем можно одновременно замерять скорость ветра на нескольких участках и высотах, чтобы выбрать наиболее подходящую позицию.
К недостаткам данного способа следует отнести длительность периода проведения измерений и расходы по покупке метеостанции. Чтобы получить наиболее точные данные по ветровой энергии, требуется снимать показания с мини-метеостанции в течение месяца, а в идеале – на протяжении полного календарного года. Скорости ветров в зимние и весенние месяцы наиболее высоки, но ориентироваться только на них при выборе ветряка – ошибка, поскольку при менее сильном ветре во время теплого сезона такой ветроагрегат работать не будет. Стоимость цифровой портативной метеостанции, укомплектованной тремя внешними радиодатчиками, составит порядка 9000 рублей.

Зачем нужно знать среднюю скорость ветра? Модели ветрогенераторов рассчитаны на определенный диапазон скоростей – если интенсивность ветра будет ниже расчетной, то ветровое колесо не раскрутится, если выше – его лопасти сломаются.

Выбор мощности ветровой установки

Важно учитывать цели использования ветряка – служит ли он основным или вспомогательным источником электроэнергии.
Оснащенная в обязательном порядке контроллером и инвертором, ветровая установка может быть задействована в следующих энергосистемах:

• автономная, с электропитанием от аккумуляторов (ИБП);
• автономная, основанная на аккумуляторах и резервном генераторе (бензиновом, дизельном или газовом);
• вспомогательная, поставляющая электроэнергию наряду со снабжением из центральной электросети.

Если ветровая установка является единственным поставщиком электроэнергии, то ее мощностные характеристики следует определять на основании двух исходных параметров – среднегодовой скорости ветра и среднесуточного электропотребления. Для каждой модели ветровой установки производители составляют график мощностной выработки в зависимости от скорости ветра.

Подробно о типах инверторов и ИБП мы поговорим в следующей статье, а пока вкратце рассмотрим принципы их выбора. Суммарная емкость аккумуляторов должна соответствовать режиму электропотребления, а инвертор – иметь достаточную мощность, позволяющую ему справиться с пиковой нагрузкой. Пример расчета:

• морское побережье, средняя скорость ветра 6 м/с. В небольшой загородный дом, расположенный у берега моря, каждые выходные приезжает семья – муж, жена и сын. Бытовая электротехника работает два дня в неделю, максимально суточное энергопотребление 15 кВт/ч, наибольшая пиковая нагрузка – 3 кВт. Соответственно, за месяц расходуется 120 кВт/ч (15 кВт/ч, помноженные на 8 выходных дней месяца). При среднегодовой скорости ветра в 6 м/с месячную потребность в электроэнергии обеспечит ветрогенератор мощностью 700 Вт (15000 (Вт) ÷ 24 (часа) = 625 ≈ 700 Вт). Потребуется достаточной емкости аккумуляторная батарея, способная полностью зарядиться в течение 5 дней от ветряка расчетной мощности и инвертор мощностью 3 кВт, способный компенсировать пиковые нагрузки.

Автономное электроснабжение от ветровой установки, укомплектованной аккумуляторными батареями, с резервным электрогенератором на не возобновляемой первичной энергии. Избавить энергетическую систему от капризов ветра и пиковых нагрузок позволит резервный генератор – при этом ветрогенератор будет служить основным поставщиком электроэнергии. Ветряк производит зарядку ИБП, те питают систему потребителей. При недостатке ветровой энергии (безветрии), совпавшим с высоким потреблением, а также при недостатке заряда в аккумуляторах, активируется работа резервного электрогенератора. Обратите внимание – бензиновый, газовый или дизельный генератор будет работать на восполнение заряда в ИБП, что позволит ему работать с максимальной производительностью. Как только аккумулятора будут заряжены, либо скорость ветра вновь возрастет – резервный электрогенератор прекращает работу.

Для центральной электросети в провинции характерны сбои и недостаточная мощность, также стоимость поставляемой электроэнергии может быть чрезмерно велика. Компенсировать недостаток энергии, стабилизировать нагрузки на сеть и снизить расходы на оплату полученных из центральной сети киловатт позволит ветровая установка, подключенная к сети параллельно, аккумуляторные батареи при этом не используются. Единственное условие – необходим синхронный инвертор. В случае если ветрогенератор производит чрезмерное количество электроэнергии, объем которой превышает нужды потребителей – ее излишки поступают в центральную сеть. А при недостаточной производительности ветровой установки нехватка восполняется за счет электросети.

Производительность (выработка) ветряка

Выбирая модель ветрогенератора под потребности энергосистемы, следует обращать внимание на его выработку в зависимости от средней скорости ветра в местности, где ветряк будет установлен. Делать выбор в пользу модели, максимальная производительность которой достигается на скоростях, к примеру, 10 м/с в местности, где ветер дует со средней скоростью в 5 м/с – бессмысленно. Внешне мощный ветряк будет стоить многократно дороже, однако его выработка окажется значительно ниже, чем у менее производительных моделей, но рассчитанных на среднескоростные ветровые параметры.

Зависимость мощности ветрогенератора от диаметра ротора (ветрового колеса)

Чем больше диаметр колеса, образованного лопастями, тем выше мощность ветровой установки. Рассчитать ее можно по формуле D2•V3÷7000, где D – диаметр ветрового колеса, V – скорость ветра, диапазон погрешностей составит плюс/минус 20%. Таким образом ротор диаметром 2 метра при скорости ветра в 5 м/с способен выработать примерно 0,07 кВт электроэнергии. Но уже при диаметре в 4 метра мощность ветрогенератора на скорости ветра в 5 м/с составит порядка 0,28 кВт. Соответственно, при равной установленной мощности, заявленной производителями для двух моделей ветряков, производительность будет выше у той из них, чье ветровое колесо больше по диаметру.

Сколько лопастей (крыльев) должно быть у ротора?

Максимальным КПД обладают ветрогенераторы с наименьшим числом крыльев – т.е. с одной лопастью и противовесом. Тем не менее, при низкой скорости ветра раскрутить такой ротор непросто, поэтому оптимальное количество лопастей – два или три.

Мачта для ветрогенератора

Гондола маломощной ветровой установки, как правило, поднимается над уровнем земли на высоту 10-20 м. Главный критерий в этом вопросе – тип рельефа на местности, наличие растительности и высота построек:

• мачта высотой 10 м подходит для открытой местности;
• мачта высотой 15 м – для размещения на участке, на близлежащей территории к которому находятся одноэтажные строение и невысокие деревья;
• мачта высотой 20 м предназначена для подъема ветрогенератора над помехами движению ветра в виде высоких деревьев и двухэтажных особняков.
• Ветряки мощностью до 1,5 кВт обычно монтируются на мачты высотой до 12 м – более высокие стойки серьезно повышают стоимость ветровой энергоустановки.

Существует три типа металлических мачт для ветрогенераторов:

• закрепляемая на растяжках – оптимальный вариант, как с позиции стоимости, так и по эксплуатационным характеристикам. Недостаток – требуется место для разводки растяжных тросов;
• поворотно-наклонная, на растяжках – подвид мачт первого типа, допускает неоднократные спуски и подъемы гондолы по принципу «колодезного журавля», что облегчает техобслуживание ветряка и его защиту во время ураганов;
• свободно стоящая, закрепляемая на бетонном фундаменте без растяжек – выдерживает высокие ветровые нагрузки и занимает минимум места, но обойдется дороже прочих.

Цены и производители ветрогенераторов

В России порядка двух десятков компаний, занимающихся серийным производством ветровых установок. Среди них столичные ОАО ММЗ «Вперед», ЗАО НИЦ «Виндэк», ООО «Сапсан-Энергия», СКБ «Атик», НПО «Электросфера» (г. Санкт-Петербург), ООО «Электроветер» (г. Сафоново, Смоленская обл.), ЗАО НПО «Ветротехника» (г. Волгоград), ООО «Компания ЛМВ Ветроэнергетика» (г. Хабаровск).

Как правило, компании-изготовители озвучивают расценки на сам ветряк – гондолу, укомплектованную ветроколесом, генератором и, в некоторых случаях, контроллером. Стоимость полного комплекта, включающего в себя мачту, аккумуляторные батареи необходимой емкости и инвертор обойдется в два-четыре раза выше, чем цена только лишь ветрогенератора. В среднем ветровая установка с установленной мощностью 0,5 кВт при скорости ветра 6 м/с стоит 41000 руб., в полной комплектации – от 73000 до 90000 руб. (цена зависит от выбранной мощности инвертора и типа ИБП).

Срок гарантии на ветрогенераторы, в зависимости от производителя, составляет от года до трех лет.

В завершении

Сроки окупаемости ветрогенератора зависят от ветровых ресурсов и производительности самой установки. Например, рассмотренный выше ветряк вырабатывает 0,5 кВт при среднегодовой скорости ветра в 6 м/с, т.е. в идеале за сутки – 12 кВт, за месяц – 360 кВт и за год – 4320 кВт. Но фактически за год наш ветряк будет производить электроэнергию лишь 70% времени, поскольку около 30% уйдет на часы безветрия или низкой скорости ветра. Соответственно, реально за год им будет выработано порядка 3000 кВт, а за 10 лет службы (при ежегодном сервисном обслуживании ветрогенератор исправно проработает 10-20 лет) – 30000 кВт. С учетом полной комплектации по высшему разряду, расходов на установку, обслуживание и разовую замену ИБП, расходы на ветровую электростанцию за 10 лет составят около 140000 руб. Делим 140000 на 30000, получаем стоимость киловатта за десятилетний срок эксплуатации ветряка – 4,6 руб., что примерно соответствует современным расценкам на киловатт из центральной электросети.

Но если скорость ветра в среднем будет равна 8 м/с, то производительность нашего ветряка возрастет до одного кВт, а значит, за 10 лет его выработка составит примерно 60000 кВт и в итоге стоимость киловатта будет равна 2,3 руб.
Ветровая энергоустановка эффективна в том случае, если доступа к сетевому электроснабжению нет и его организация невозможна, либо обойдется в солидную сумму. И если принять во внимание неизбежный рост цена на электроэнергию, то приобретение автономного ее источника, при условии достаточных ветровых ресурсов, может оказаться вполне выгодным.

Следующая статья завершает цикл материалов «Автономное электроснабжение загородного дома». В ней пойдет речь об аккумуляторных батарея и инверторах для систем альтернативного электроснабжения, расчете энергетических потребностей для своего дома, а также о способах минимизации энергозатрат.