Ветрогенераторы в системах автономного и резервного электроснабжения

Перемещение воздушных масс – процесс естественный и несущий в себе огромный энергетический потенциал. Ветер способен обеспечить энергией всех жителей планеты, при этом он является возобновляемым источником, т.е. экологическим и практически неисчерпаемым. Недаром ветроэнергетика наиболее перспективным направлением среди других способов получения «зеленой» энергии.

В мировой выработки электричества доля ветроэнергетики ежегодно растет примерно на треть. Причем ветер берут на службу прежде всего самые передовые страны, которые, казалось бы не испытывают недостатка в энергии. Самым большим потребителем электричества на сегодняшний день считаются США. При этом 3,4% от всей выработанной энергии по данным на конец 2012 года получено от ветроэлектрических установок. Это вдвое меньше, чем выработали американские ГЭС, однако это колоссальное количество энергии.

По данным Русгидро ресурс ветроэнергетики России составляет 10,7 ГВт. Существующие в стране ветрогенераторы производят только 13 МВт, почти половина из которых приходится на Калининградскую ВЭС. Установки станции в количестве 21 штука когда-то были подарены датчанами, за что им большое спасибо. Однако отечественная энергетика могла бы существенно продвинуться в сторону производства «зеленой энергии» и самостоятельно.

Энергия ветра привлекала еще довоенных энергетиков. В 1931 году в Балаклаве была построена крупнейшая на то время ветроэнергетическая станция, мощностью 100 кВт. Кроме того, в СССР было налажено серийное производство ветроэлектрических установок мощностью 3-4 кВт. В послевоенные годы промышленность выпускала 9 тыс. ветроэнергетических установок мощностью до 30 кВт в год. Однако энергопотребление в те годы и сейчас несопоставимо. Поэтому запрос на ветроэнергетику сегодня стал гораздо выше.

Частная ветроэнергетика

Если загородный коттедж подключен к электрической магистрали и впоследствии не возникает частых перебоев с поставками электроэнергии, то у хозяев вряд ли возникнет желание переходить на альтернативные источники. Однако так бывает не всегда. Существует огромное количество отдаленных районов, где можно было бы построить дом. Однако застройщиков останавливает отсутствие электричества. Из-за плохой осведомленности о возможностях ветроэнергетических установок, такие участка остаются неосвоенными. А ведь решить проблему с электричеством при помощи доступных возобновляемых источников не так уж и сложно.

Но прежде чем рассчитывать на «ветряное» электричество, необходимо убедиться, что участок расположен в местности, где среднегодовая скорость ветра превышает 2,5 м/с. Если скорость недостаточна, то следует обратить внимание на солнечные батареи или мини-гидроэлектростанции.

Одно из главных проблем ветроэнергетики – непостоянность ветра. Для конкретной местности принято рассчитывать среднегодовую скорость. Так, при среднегодовой скорости ветра 5 м/с от 1 км² территории можно получить до 1ГВт•ч. По европейским расчетам стартовые затраты на каждый кВт мощности ВЭУ составят порядка 1200-1400€. Отсюда легко рассчитать рентабельность установки и стоимость полученной энергии. Для России это будут другие данные, поскольку отличается и стоимость работы, и цена самого оборудования. На сегодняшний день, по мнению специалистов ВЭС, расположенные, например, в Восточной Сибири, окупают себя в течение 5-7 лет.

Чтобы узнать ветроэнергетический потенциал местности, где расположен коттедж или фермерское хозяйство, необходимо обратиться за справкой в метеослужбу. В ряде регионов РФ, в частности прибрежные районы, где среднегодовая скорость ветра превышает 10 м/с, ветроэнергетика выгоднее, чем централизованное сетевое электричество. Порог рентабельности наступает при среднегодовой скорости 3-4 м/с. Например, при 4 м/с ВЭУ мощностью 1 кВт произведет порядка 120 кВт•ч/мес. Такого количества электроэнергии покрывает минимальный набор домашнего оборудования (несколько светодиодных ламп, холодильник, циркуляционный насос системы отопления, телевизор). Ну, а если речь идет о ситуациях, когда централизованное электричество недоступно, то ветряки целесообразно устанавливать даже при 2,5-3 м/с среднегодовой скорости ветра.

Рентабельность ВЭУ для частного дома или хозяйства следует рассчитывать с учетом динамики роста цен на электроэнергию. Поскольку сложно предугадать, сколько будет стоить 1 кВт•ч сетевого электричества даже через несколько лет, также сложно произвести и точный расчет срока окупаемости ВЭУ. Тем не менее, даже при замороженных расценках ветрогенерирущее оборудование окупается раньше своего срока эксплуатации. А это означает, что дальше электроэнергия от ветряков будет условно бесплатной.

О типах ветроэнергетических установок

Каждое уважающее себя тематическое издание уже не раз затрагивало на своих страницах тему ветряков. В этой статье хотелось коснуться деталей, которым раньше не уделялось достаточно внимания.

Принцип действия ветрогенератора с горизонтальной осью вращения достаточно прост. В данном случае поток ветра вращает ветроколесо с лопастями, ось которого приводит в движение вал электрогенератора. В установки мощностью до 100 кВт генератор напрямую соединен с осью ветроколеса, а у более мощных агрегатов посредством повышающего редуктора. Крыльчатые ветрогенераторы обладают наивысшим КПД, а потому этот тип установок занимает до 90% рынка.

Крупные ветрогенераторы с горизонтальным расположением оси имеют сложную систему ограничения оборотов вращения. При сильном ветре специальные механизмы разворачивают установку под определенным углом атаки ветра, снижая тем самым обороты ветроколеса без помощи фрикционных и иных тормозных устройств.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения у нас встречаются нечасто, но иногда они незаменимы. Прежде всего, это карусельные и роторные ВЭУ. Особенностью установок данного типа является работа при любом направлении ветра. ВЭУ с горизонтальной осью вращения вынуждены поворачиваться за ветром, как флюгеры. Вертикальная ось позволяет улавливать ветер с разных направлений. Одновременно недостатком и преимуществом ВЭУ карусельного или роторного типа стала ограниченная скорость вращения. Недостаток – низкий КПД, а преимущество – отсутствие шума во время работы. Тихоходность таких установок позволяет применять несложные схемы и снизить устойчивость к резким порывам ветра.

Ветроэнергетические установки часто дополняют солнечными панелями, особенно там, где сила ветра недостаточна. Дело в том, что в плохую погоду ветер, как правило, усиливается, а в солнечную – ослабевает. В отсутствие ветра недостаток электроэнергии компенсируется за счет солнечных панелей. Системы автономного электроснабжения с ВЭУ можно совмещать с дизельными и бензиновыми генераторами, которые компенсируют недостающую мощность при пиковых нагрузках. Дизель-генератор при этом не должен работать слишком часто, иначе ВЭУ не будет себя окупать.

Оборудование для ВЭУ

Ветрогенераторы не могут поставлять электричество в домашнюю сеть непосредственно, поскольку скорость ветра непостоянна. Ни одно электрооборудование не будет работать при столь больших скачках напряжения, а в период безветрия, потребители вообще могут остаться без электричества. Ветрогенераторы вырабатывают так называемое «грязное» электричество, которое еще нужно привести к сетевым параметрам 220 В/50 Гц. А это возможно только посредством аккумуляторного блока, в котором будет накапливаться и храниться электричество. В целом схема автономного электроснабжения с ВЭУ выглядит следующим образом: ветрогенератор – контроллер заряда – блок АКБ – инвертер.

Емкость блока аккумуляторов будет зависеть прежде всего от мощности ветрогенератора. Для моделей мощностью 1 кВт потребуется блок, состоящий из четырех АКБ на 190 А•ч каждая.

Контроллер, объединенный с зарядным устройством для АКБ, и инвертер находятся рядом с аккумуляторным блоком. Для вспомогательного оборудования лучше всего выделить отдельное небольшое, но хорошо проветриваемое и отапливаемое помещение, где влажность воздуха не будет превышать 70%. При этом мачта ветряка должна располагаться как можно ближе к этому помещению, обеспечивающему бесперебойное электроснабжение.

Выбор места для ВЭУ

Сила ветра увеличивается с высотой, т.е. чем вше мачта, тем эффективнее работа ветроустановки. Вокруг рабочего колеса ветрогенератора не должно быть никаких препятствий, в т.ч. других ветряков. Поэтому мачта ВЭУ должна быть выше всех зданий, деревьев и прочих препятствий. Считается, что оптимально ветряк должен располагаться на 3-4 м выше препятствий, находящихся в радиусе 200 м.

Мачта небольшого ветряка, как правило, представляет собой длинную трубу, установленную на бетонном фундаменте и удерживаемая в вертикальном положении растяжками. Концы растяжек зацепляются за арматуру бетонных столбиков, заглубленных на 2 м в грунт. Диаметр столбиков составляет 50 см.