Окупаемость ветрогенератора
Использование ветряка начинается с определенных финансовых вложений
Неважно, приобретался он в готовом виде, или изготавливался из подручных материалов своими руками, расходы присутствуют всегда. Любые затраты вызывают вполне естественное желание знать, что именно приобретается за эти деньги и какой экономический эффект такая покупка создаст
Установка по производству электроэнергии — специфическое устройство, в корне отличающееся от других источников
Прежде чем начинать подсчет барышей, надо разобраться, где их искать
Установка по производству электроэнергии — специфическое устройство, в корне отличающееся от других источников. Прежде чем начинать подсчет барышей, надо разобраться, где их искать.
О чем идет речь?
Говоря об окупаемости, следует правильно понимать, о чем идет речь. В обычном понимании, окупаемость — это возможность возместить затраты. Срок окупаемости — это время, которое необходимо для возмещения расходов. Это базовые понятия, но окупаемость — это просто явление, некий процесс.
Срок окупаемости — это величина, которую можно учесть в каких-либо расчетах, изменить в ту или иную сторону. При этом, если есть окупаемость, значит присутствует либо торговля, либо альтернатива. То есть, купленный ветряк производит энергию, которая продается другим потребителям. Через какое-то время доход перекроет расход, что будет означать окончание срока окупаемости.
Другой вариант — присутствие альтернативного источника энергии, расходы на который за определенный период времени сопоставляются с расходами на ветряк.
Если использование ветряка является единственным способом получения энергии, без продажи другим пользователям, то ни о какой окупаемости речи быть не может. В такой ситуации некорректно даже использование этого термина.
Специфика эксплуатации ветряка
Ветрогенератор — это установка, производящая электрический ток. Он работает на совершенно бесплатном сырье, т.е. ветер достается даром, не требует расходов на изготовление, добычу и т.п. Такие условия существенно отличают ветряки от других электростанций, использующих углеводородное топливо. При этом, ветер — неустойчивый и нестабильный источник.
Для России он является малоперспективным, так как на территории страны преобладают слабые ветра. Ветрогенератор с номинальной мощностью 1 кВт на практике развивает 10 % мощности, т.е. около 100 Вт. В таких условиях приобретение дорогостоящего оборудования при имеющейся возможности подключения к дешевой сетевой энергии исключается.
Актуальным остается лишь вариант использования самодельного устройства, либо приобретение установки при полном отсутствии сетевого подключения.
Приведенные данные показывают, что отдельный ветрогенератор, даже при относительно большой мощности, не окупится никогда. Срок службы оборудования, заявленный производителями, составляет 20 лет. Учитывая сложные климатические условия России, морозные зимы, суточные перепады температур, можно предположить сокращение срока эксплуатации.
Общие рекомендации
Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии, произведенной ветряком возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кинетическая энергия, выработанная ротором, увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность установки в целом.
Для выбора места установки ветрогенерирующей электроустановки наиболее подойдут участки с минимальным количеством преград для ветра (без больших деревьев и построек) на расстоянии от жилого дома не менее 25-30 метров (не забывайте, что ветрогенераторы весьма громко гудят во время работы). Высота расположения центра ротора ветряка должна быть не менее чем на 3-5 метров выше ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут вершины холмов или горные хребты с открытым ландшафтом.
В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
- ВЭС + Солнечные батареи
- ВЭС + Дизель
Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.
Новейшие разработки
Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.
Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.
Рабочие характеристики ветряка
КПД не является единственным качественным показателем работоспособности ветрогенератора. Примечателен факт, что для конечного пользователя сам по себе КПД не представляет практического интереса, поскольку он является слишком обобщенным понятием. Для владельца устройства гораздо интереснее более конкретные и адресные параметры:
- мощность
- производительность
- минимальная и максимальная скорость ветра
- тип ротора
- ремонтопригодность
- высота мачты
На практике может возникнуть интерес и к другим характеристикам установки, в зависимости от степени их влияния на состояние и результаты работы устройства. Для промышленных образцов, изготовленных на заводе, ознакомление с подробными техническими характеристиками не составляет труда — они все указаны в паспорте устройства.
Другое дело, если ветряк создан самостоятельно. Тогда опираться даже на расчетные данные нет смысла, поскольку на практике они могут не подтверждаться и значительным образом отличаться от проектных. Поэтому необходимо всячески тестировать вновь созданный ветрогенератор, испытывая и снимая показания на разных скоростях ветра, режимах работы и прочих условиях функционирования.
Виды ветряных электростанций
По типу потребителей различают автономные ветрогенераторы и установки сетевого назначения. Первые осуществляют энергоснабжение удалённых от центральных электрических сетей потребителей.
Вторые – могут насчитывать несколько десятков/сотен ветряков, которые образуют единую систему и отдают энергию в общую сеть.
Мощность автономных агрегатов редко превышает 75 кВт, в то время как мощность сетевых установок стартует с отметки 100 кВт.
В зависимости от типа конструкции различают ветряные генераторы:
- с вертикальной осью вращения;
- с горизонтальной осью вращения.
Эти устройства используются для разных условий эксплуатации, но чаще всего встречаются модели с горизонтальной осью. Они работают как обычные флюгеры и имеют схожее строение. Ось ротора вращается параллельно земной поверхности.
Такие агрегаты отличаются высокими показателями КПД (около 40%), простой регулировкой мощности и более доступной ценой, но также характеризуются высоким уровнем создаваемого шума и вибраций. Помимо этого, их необходимо ориентировать на направление ветра.
Для монтажа ветряка с горизонтальным расположением ротора нужно примерно 120 м свободного пространства и мачта высотой не меньше 8 м
Ветряные генераторы с вертикальной осью вращения имеют более компактную конструкцию, они менее восприимчивы к воздействию факторов окружающей среды.
В устройствах этого типа турбина расположена перпендикулярно по отношению к плоскости Земли. Подобные конструкции запускаются даже от слабого ветра и не зависят от направления движения воздушных потоков.
Низкий уровень создаваемого шума (до 30 дБ) даёт возможность устанавливать вертикальные ветротурбины на крышах зданий
Однако есть и существенный минус – КПД таких генераторов составляет всего 15%. Кроме того, они стоят дороже, чем модели с горизонтальной осью вращения.
Модели ветрогенераторов различаются между собой не только расположением вращательной оси, но и:
- количеством лопастей – бывают ветряки с двумя и тремя лопастями, встречаются и многолопастные модификации;
- материалами изготовления функциональных деталей – с парусными и жёсткими лопастями;
- шагом винта – регулируемый или фиксированный.
Следует отметить, что вращение многолопастных стационарных ветряков начинается даже при слабом ветре, а вот для работы двух- и трёхлопастных устройств нужен более сильный ветер.
В то же время каждая дополнительная лопасть в конструкции создаёт большее сопротивление колеса, в результате чего становится сложнее достигнуть стандартных рабочих оборотов генератора.
В зависимости от материала изготовления лопастей для ветроустановки, могут возникнуть определённые сложности в работе. Парусные элементы проще в изготовлении, поэтому и стоят дешевле.
Но если необходимо обеспечить надёжное функционирование ветротурбины для автономного электроснабжения, стоит отдавать предпочтение конструкциям с жёсткими лопастями, изготовленными из металла или армированного стеклопластика.
Что касается шага винта, то здесь также не всё так просто. Изменяемый шаг позволяет заметно расширить диапазон эффективных скоростей для работы ветряной станции и это большой плюс.
Но в то же время такой механизм снижает общую надёжность стационарной установки и значительно утяжеляет ветроколесо, усложняя эксплуатацию агрегата.
Принцип работы
Дальше сила вращения преобразуются в электричество, которое аккумулируется в батарее. Чем сильнее поток воздуха, тем быстрее крутятся лопасти, производя больше энергии. Поскольку работа ветрогенератора основана на максимальном использовании альтернативного источника энергии, одна сторона лопастей имеет закругленную форму, вторая – относительно ровная. Когда воздушный поток проходит по закругленной стороне, создается участок вакуума. Это засасывает лопасть, уводя её в сторону. При этом создается энергия, которая и заставляет раскручиваться лопасти.
Схема работы ветрогенератора: показан принцип преобразования энергии ветра и действия внутренних механизмов
Во время своих поворотов винты также вращают ось, соединённую с генераторным ротором. Когда двенадцать магнитиков, закреплённых на роторе, вращаются в статоре, создаётся переменный электрический ток, имеющий такую же частоту, как и в обычных комнатных розетках. Это основной принцип того, как работает ветрогенератор. Переменный ток легко вырабатывать и передавать на большие расстояния, но невозможно аккумулировать.
Принципиальная схема ветрогенератора
Для этого его нужно преобразовать в постоянный ток. Такую работу выполняет электронная цепь внутри турбины. Чтобы получить большое количество электроэнергии, изготавливаются промышленные установки. Ветровой парк обычно состоит из нескольких десятков установок. Благодаря использованию такого устройства дома, можно получить существенное снижение расходов на электроэнергию. Принцип действия ветрогенераторов позволяет применять их в таких вариантах:
- для автономной работы;
- параллельно с резервным аккумулятором;
- вместе с солнечными батареями;
- параллельно с дизельным или бензиновым генератором.
Если поток воздуха движется со скоростью 45 км/час, турбина вырабатывает 400 Вт электроэнергии. Этого хватает для освещения дачного участка. Данную мощность можно накапливать, собирая её в аккумуляторе.
Специальное устройство управляет зарядкой аккумуляторной батареи. По мере уменьшения заряда вращение лопастей замедляется. При полной разрядке батареи лопасти снова начинают вращаться. Таким способом зарядка поддерживается на определённом уровне. Чем сильнее воздушный поток, тем больше электроэнергии может произвести турбина.
Расчет параметров ветроколеса
Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора
Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.
Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.
Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:
Z = L × W / 60 / V,
Где Z — искомая величина (быстроходность),
L — длина окружности, описываемой лопастями.
W — частота (скорость) вращения крыльчатки.
V — скорость ветра.
Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.
Сколько экономии энергии дает ветряк?
Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.
Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.
Сколько электроэнергии вырабатывает?
Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.
Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.
Минимальная скорость ветра для ветряка
Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.
Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.
Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно
Для вычисления параметра мощности оборудования, которое будет использоваться на определенной местности, применяются формулы. В первую очередь производится расчет объема энергии, позволяющую выработать ветрогенератором на протяжении года.
Вычисление общей мощности оборудования
Для осуществления задачи выполняются такие действия:
- Сначала производятся вычисления. В соответствии с полученными результатами подбирается длина элементов вращения, а также высота башни.
- Выполняется анализ средней скорости воздушного потока, характерного для определенной местности. Для этого потребуется специальное оборудование. С его помощью необходимо следить за силой потока воздуха на протяжении нескольких месяцев. При отсутствии прибора можно запросить результаты у представителей местной метеостанции.
Расчет мощности ветрогенератора выполняется по формуле Р=krV 3S/2.
Обозначения символов:
- r — параметр плотности воздушного потока, при обычных условиях это значение равно 1,225 кг/м3;
- V — средняя величина скорости ветра, измеряется в метрах в секунду;
- S — общая площадь воздушного потока, замеряется в метрах;
- k — параметр эффективности турбины, которая устанавливается в оборудовании;
Используя эти расчеты, можно точно определить величину мощности, необходимой для генераторной установки в конкретной местности. Если покупается фирменное оборудование, то на его упаковке должно указываться, при какой силе воздушного потока работа устройства будет максимально эффективной. В среднем это значение составит в диапазоне от семи до одиннадцати метров в секунду.
Пользователь Одесский инженер подробно рассказал о процедуре сборки генераторного устройства, а также о выполнении расчетов.
Вычисление винтов для ветряной установки
Процедура расчета выполняется по формуле Z=LW/60/V, обозначение символов:
- Z — величина тихоходности одного винта;
- L — размер окружности, которую будут описывать элементы вращения;
- W — скорость прокручивания одного винта;
- V — скоростной параметр подачи воздушного потока.
С учетом этой формулы производится вычисление количества оборотов. Но для расчета надо учитывать и шаг одного винта оборудования. Он вычисляется по формуле H=2пR* tga.
Описание символов:
- 2п — константное значение, составляющее 6,28;
- R — значение радиуса, который будут описывать элементы вращения оборудования;
- tg a — угол сечения.
Расчет инвертора для ветряного генератора
Перед выполнением этих вычислений надо учесть следующий момент. Если в домашней сети будет использоваться только одна батарея, рассчитанная на 12 вольт, то смысла ставить инвертор нет. Средняя величина мощности дачного участка или частного домовладения составляет около 4 кВт при условии максимальных нагрузок. Для подобной сети число батарей будет не менее десяти, каждая из них рассчитана на 24 вольта. С таким количеством аккумуляторов целесообразно применение инверторного устройства.
Но для данных условий, когда используется десять батарей на 24 вольта, понадобится ветрогенератор, рассчитанный на 3 кВт, не менее. Более слабое оборудование не сможет обеспечить энергией такое число аккумуляторов. Для бытовых приборов подобная мощность может быть слишком высокой.
Расчет мощностного параметра инверторного устройства осуществляется так:
- Сначала необходимо суммировать мощностные характеристики всех потребителей энергии.
- Затем определяется время потребления.
- Вычисляется параметр пиковой нагрузки.
Александр Капустин показал процедуру запуска ветрового генераторного устройства с инвертором.
Особенности применения ветрогенераторов
Чтобы устройство работало на полную мощность и сумело превзойти свои номинальные характеристики, его рекомендуется устанавливать на большой высоте – около 30-40 м, где порывы ветра сильнее, чем у поверхности земли.
В условиях плотной застройки выполнение данного требования проблематично. Поэтому расчет высоты нужно делать, добавляя около 4-5 м от уровня поверхности самого высокого здания возле площадки под генератор. Оптимальное же место его монтажа – степь или участок без растительности радиусом около 200 м относительно точки установки.
Учитывая непостоянный характер ветров, ветрогенератор лучше использовать для питания приборов и техники, которая не предъявляет особых требований к качеству энергоснабжения. А вот подключать к устройству напрямую чувствительные приборы категорически не рекомендуется.
Вследствие частых скачков напряжения они быстро выйдут из строя. Решением проблемы может стать использование выпрямителя электроэнергии, выбор и монтаж которого следует выполнять с учетом рекомендаций производителя.
Разработчики альтернативных источников энергоснабжения настоятельно советуют использовать возможности системы бесперебойного питания. В ее функции будет входить накопление запасов «лишней» электроэнергии и ее подача в дом во время продолжительного безветрия, когда генератор находится в режиме вынужденного простоя.
Основа системы – аккумуляторная батарея, для своевременной подзарядки которой необходимо подключить в сеть выпрямитель. Он выровняет показатели получаемой энергии и снизит риск перезарядки в случае резкого скачка напряжения при увеличении силы ветра. А чтобы превратить постоянный ток от генератора в переменный, подходящий для питания бытовых устройств, в систему монтируют инвертор.
Если для региона характерны многодневные периоды безветрия, в систему бесперебойного питания рекомендуется подключить бензиновый или дизельный генератор. В случае полной разрядки аккумулятора и временного бездействия ветряка устройство обеспечит подачу в дом требуемого количества электроэнергии, и перебоев с электроснабжением удастся избежать.
Как сделать правильный выбор?
Так на что же обратить внимание при выборе ВЭУ? Не стоит считать, что самый дорогой и импортный ветрогенератор будет самым лучшим. Исходить, в первую очередь, нужно не из цены, а из ваших потребностей. Перед тем, как сделать покупку, посчитайте, сколько электроэнергии вы планируете расходовать
Перед тем, как сделать покупку, посчитайте, сколько электроэнергии вы планируете расходовать.
Понятно, что выбирать нужно ту модель, которая способна вырабатывать нужное вам количество энергии. Однако будьте внимательны. Каждый ветрогенератор рассчитан на определенную скорость ветра. Это означает, что заявленную производителем мощность он способен выдавать именной при той скорости, которая указана в инструкции к нему.
Если максимальную мощность ВЭУ развивает при скорости ветра 10 -12 м/с, а в вашей местности средний показатель не превышает 4−5 м/с, то не стоит ожидать, что устройство будет вырабатывать заявленное количество электроэнергии. В итоге вы заплатите лишние деньги за то, чего не получите.
Мощность ветрогенератора находится в прямой зависимости от диаметра колеса, образованного лопастями. С погрешностью 20% ее можно рассчитать по формуле: квадрат диаметра помножить на куб средней скорости ветра и разделить полученное значение на 7000. То есть при диаметре колеса, равном двум метрам и средней скорости ветра в вашей местности 3 м/с вы получите около 0,015 кВт электроэнергии. Если же диаметр увеличить в два раза, то ветрогенератор при той же скорости ветра будет выдавать в 4 раза больше электроэнергии — 0,6 кВт. Таким образом, при прочих одинаковых характеристиках, более производителен ветряк с большим размером лопастей.
Не менее важно при выборе ветрогенератора обращать внимание на ёмкость аккумулятора. Если вы живете не в прибрежной зоне, то штиль в вашей местности — явление нередкое. В этом случае система будет работать именно от аккумулятора
В этом случае система будет работать именно от аккумулятора
А он имеет свойство разряжаться. Поэтому желательно, чтобы помимо него имелся резервный источник энергии
В этом случае система будет работать именно от аккумулятора. А он имеет свойство разряжаться. Поэтому желательно, чтобы помимо него имелся резервный источник энергии.
С этой целью можно приобрести установку сразу с солнечными батареями, или же подключить ветряк к сети. В этом случае он будет лишь компенсировать недостаток электроэнергии в случае необходимости.
Сколько же энергии нужно среднестатистической семье?
- В городской квартире будет достаточно 0,5 кВт. Чтобы было понятнее, счетчик в этом случае будет показывать 360 кВт•ч.
- Ветряк мощностью 5 кВт может обеспечить такое количество энергии даже в том случае, если скорость ветра невелика.
- Если же в квартире постоянно работает какой-либо отопительный прибор, то тот же ветрогенератор сможет обеспечить его работу только при такой скорости ветра, которая возможна лишь у береговой линии.
Выводы и полезное видео по теме
Как происходит анализ исходных данных и как применяются формулы, представлено на видео:
Пользоваться расчётными данными необходимо в любом случае. Будь то промышленная энергетическая установка или изготовленная под бытовые условия, расчёт каждого узла всегда несёт за собой максимум эффективности устройства и главное – безопасность эксплуатации. Зачастую предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.
Пример расчета аксиального генератора
К примеру возьмем генератор состоящий из 12 полюсов на прямо-угольных магнитах размером 40*15*10мм. Имеющий 9 катушек намотанных проводом сечением 1мм по100 витков в каждой катушке, и 12 полюсов ротора. Исходя из этих параметров нам нужно получить напряжение холостого хода.
Для этого 2 умножаем на обороты генератора в секунду, пусть будет 5об/с (300об/м), Далее полученную сумму умножаем на количество полюсов генератора 12, и умножаем на количество катушек в одной фазе 3.
Полученную сумму умножаем на количество витков в одной катушке 100, и умножаем на магнитную индукцию в зазоре 0,5Тл, и умножаем на площадь поверхности магнита 0,0006м2, в итоге всех умножений должно получится напряжение генератора на заданных оборотах.
