Развитие ветроэнергетики по всему миру набирает поистине невероятный масштаб. Использовать силу ветра можно не только для промышленных целей, но и для частного потребления. Об устройстве ветрогенераторов.

Вертикальный ветрогенератор

Энергия из ветра

На силу ветра влияют тип земной поверхности, протяженность атмосферных потоков над этой поверхностью и всевозможные искусственные и естественные барьеры – здания, деревья, холмы. Среднегодовая стремительность ветра для определенного региона характеризует энергетический ветровой потенциал района.

Эту стремительность определяет среднеарифметическое значение скоростей за периоды – месяц, сезон, год. Наша страна располагает неизмеримыми ветровыми ресурсами. Особо они значительны в южной зоне России и по всему морскому побережью. Регионы со среднегодовой скоростью воздушных масс от 3,5-6 м/с и выше, по убеждению специалистов, наиболее пригодны для устройства ветрогенераторов.

Мощность ветрогенератора

Насколько мощной должна быть ветроэлектрическая установка (ВЭУ) – отдельный вопрос. Понятно, что все равно все энергетические потребности частного дома с её помощью не решить (хотя возможно, но для этого нужно использовать в связке с солнечными панелями, или дизельгенератором). Ветер и его сила переменчива в зависимости не только от сезона, но и от времени суток, поэтому электроэнергию следует скапливать, а расходовать её экономно.

Правда есть домашние мастера, которые собирают ветровую установку только ради зарядки своего карманного гаджета, или подключить маломощную лампочку. Но это всего лишь хобби.

Однако если на участке вообще нет электричества и в ближайшее время не предвидится, то установка ветряка окажется целесообразной, тем более есть самодельные, интересные, недорогие решения (см. как сделать своими руками вертикальный ветряк в этой статье).

Расчет ветрогенератора

Средние расчеты позволят определить реальные возможности ветроэлектрической установки. Есть показатель, который позволит просчитать, какую часть энергии воздушного потока можно использовать при помощи ветряка. Этот показатель так и называется – коэффициент использования энергии ветра (Е).

Коэффициент использования энергии ветра Е целиком и полностью зависит от типа ветрового двигателя, качества его производства и других форматов.

Устройство ветрогенераторной установки (ВЭУ)

Лучшие быстроходные ветрогенераторы с обтекаемыми аэродинамическими лопастями имеют значение Е = 0,43-0,47. Это говорит о том, что ветровое колесо этой ВЭУ способно использовать 43-47 % энергии воздушного потока.

Максимальное абстрактно рассчитанное значение Е = 0,593, но на самом деле добиться этого нереально. Мощность ветроколеса на валу без учета потерь в подшипниках и передачах легко вычислить по формуле:

где p – массовая плотность воздушного потока, равная при средних условиях 0,125 кг . с2/м4,
V – скорость ветра,
F – ометаемая ветровым колесом поверхность (м2),
E – коэффициент использования энергии ветра.

Рассчитать площадь, ометаемую ветроколесом, можно по формуле:

F = πD2/4

Для средних условий (температура +15оC, давление 760 мм рт. ст.) мощность легко рассчитывается по упрощенным формулам в лошадиных силах и киловаттах:

Где D – диаметр ветрового колеса (м).

Собрать ветряк небольшого диаметра, стабильно работающего при малых ветрах – задача сложная для ветрогенератора горизонтального типа (как на рисунке ниже), с вертикальными полегче. Воздушный винт получает 75 % энергии с кольцевой области ометания от 0,5 до 1 радиуса. Из-за этого наименьший диаметр пропеллера, наиболее выгодного при использовании воздушных потоков со скоростью 4 м/с, должен быть не меньше 4,5 м. Для малых ветров рекомендуются тихоходные многолопастные винты, либо ветряк вертикальной конструкции.

Мощные ветрогенераторы горизонтального типа, трехлопастные

В ветро-электростанциях используются генераторы постоянного или переменного тока. В самодельных ВЭУ чаще устанавливают автомобильные генераторы. Добротные показатели можно получить при помощи переоборудованного асинхронного электродвигателя, оснастив его ротор постоянными магнитами. У данных ветродвигателей вместо обмотки в роторе расположены металлические пластины.

Если к ротору прицепить постоянные магниты, то выйдет трехфазный генератор на удивление долговечной и прочной конструкции, способный передавать десятки ампер даже при низких скоростях вращения. Но при больших оборотах из-за повышенного напряжения начинают греться обмотки статора. Выйти из этой ситуации можно, заменив проводку обмотки на другую – большим сечением.

На заметку: С каждым годом общая мощность всех ветрогенераторов планеты увеличивается в среднем на 35-50 ГВт. И нет оснований думать, что эта цифра будет уменьшаться. Например, в 2009 году суммарная мощность ветроэлектрических установок составляла примерно — 159,1 ГВт. А уже в 2020 году – 370 ГВт. Нужно ли объяснять почему все больше людей в мире используют ветер как источник энергии?

В трехфазном генераторе переменного тока – три обмотки, объединить которые можно по схемам «звезда» либо «треугольник». Соединение «звезда» дает большее напряжение при меньшем токе. Треугольное соединение, наоборот, позволяет получить большой ток при меньшем напряжении. Трехфазные генераторы намного эффективнее однофазных и генераторов постоянного тока.

Принципиальная схема подключения трехфазного двигателя (звезда и треугольник)

Любой ветрогенератор требует защиты от шквалистых порывов ветров. Вместо сложной системы поворота лопастей чаще применяется механизм разворота всего колеса под углом к воздушным потокам.

Преобразование переменного тока в постоянный (он нужен для подзарядки аккумуляторов) можно выполнить посредством полупроводниковых диодов, которые подключаются по мостовой схеме. Если потребуется напряжение обычной электросети 220 В/50 Гц, то в качестве инвертора можно использовать обычный компьютерный блок бесперебойного питания.

Если новый блок, то будет дороговато, но так как требуется лишь повышающий инвертор, то сойдет и б/у-шный. Достаточно к нему вместо внутреннего подсоединить аккумулятор ветряка. Мощности UPS 5000 либо UPS 1000 будет в самый раз.