С уменьшением количества полезных ископаемых человек обратился к иным видам источников энергии. Атомные станции, несмотря на свою высокую эффективность, продолжают пугать загрязнением природы. Чернобыль и Фукусима все еще на устах. Неудивительно, что человечество обратило внимание на природные источники энергии - солнце, ветер, тепло.
На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может "работать" зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень рассеянный энергоресурс. Ветровая энергия практически всегда "размазана" по огромным территориям. Основные параметры ветра - скорость и направление, которые меняются подчас очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее надежным, чем Солнце. Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность "ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая проблема пока решается с трудом.
К решению первой проблемы привлекли специалистов самолетостроения, умеющих выбрать наиболее целесообразный профиль лопасти, для получения максимальной энергии ветра. Усилиями ученых и инженеров созданы самые разнообразные конструкции современных ветровых установок.
Ветроэлектроустановки (ВЭУ) преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую с помощью генератора в процессе вращения ротора. Лопасти ветряков используются подобно пропеллеру самолета для вращения центральной ступицы, подсоединенной через коробку передач к электрическому генератору. По своей конструкции генератор ВЭУ напоминает генераторы, используемые в электростанциях, работающих за счет сжигания ископаемого топлива.
Существуют два основных типа современных ветрогенераторов. По положению оси ротора ветровые турбины делятся на:
- горизонтально-осевые;
- вертикально-осевые.
1. Горизонтально-осевые.
2. Вертикально-осевые.
Горизонтально-осевые турбины
В горизонтально-осевых турбинах ротор основного вала расположен горизонтально к потоку ветра. Большие турбины обычно используют датчик ветра в сочетании с сервоприводом, а малые турбины не имеют этого.
Преимущества горизонтально-осевых турбин
Горизонтально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра, легко запускаются, имеют высокий коэффициент мощности.
Турбины с системой изменения угла поворота лопастей могут работать с оптимальным углом атаки. Учитывая угол атаки можно удаленно управлять турбиной и получать максимальную мощность от энергии ветра в зависимости от времени суток и сезона.
Высокая эффективность турбины обеспечивается движением лопастей в плоскости, которая всегда находится перпендикулярно направлению ветра, получая стабильную энергию благодаря постоянному вращению.
В отличие от вертикально-осевых, большинство горизонтально-осевых турбин имеют аэродинамический (крыловидный) дизайн лопастей. Профиль лопастей горизонтально-осевой турбины прорезает ветер под заданным углом независимо от позиции вращения. Дизайн лопастей позволяет уменьшить эффект сопротивления ветра. Таким образом повышается эффективность работы турбины и уменьшаются потери.
Недостатки горизонтально-осевых турбин
Высокие башни и лопасти (достигают 90 м) трудно транспортировать. Стоимость транспортировки может составить 20 % от стоимости оборудования.
Высокие горизонтально-осевые турбины трудно устанавливать, поскольку это требует высоких и дорогих кранов и квалифицированных операторов. Для поддержки тяжелых лопастей, редукторов и генераторов необходимо устанавливать массивные башни.
Тень от высоких горизонтально-осевых турбин может влиять на боковые части радиолокационных установок создавая препятствия сигналам.
Значительные размеры турбин делают их видимыми на большие расстояния, что меняет вид окрестности.
Горизонтально — осевые турбины требуют дополнительного механизма контроля для поворота лопастей навстречу ветру.
Поскольку горизонтально-осевые машины, если они размещены рядом, могут замедлять скорость ветра взаимно друг для второй.
У ветряков с вертикальной осью вращения (Н-образные) ведущий вал ротора расположен вертикально. Лопасти такой турбины - длинные, обычно дугообразные. Они прикреплены к верхней и нижней частям башни. Благодаря вертикальному расположению ведущего вала ротора Н-образные турбины, в отличие от турбин с горизонтальной осью вращения, "захватывают" ветер, дующий в любом направлении, и для этого им не нужно менять положение ротора при изменении направления ветровых потоков.
Несмотря на свое внешнее различие, ветряки с вертикальной и горизонтальной осями вращения представляют собой похожие системы. Кинетическая энергия ветра, получаемая при взаимодействии воздушных потоков с лопастями ветряка, через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра. Выработанная электроэнергия может использоваться напрямую, поступая в электросеть или накапливаться в аккумуляторах для более позднего использования.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ВЕТРОЭЛЕКТРОУСТАНОВОК
Современные ветрогенераторы обычно состоят из следующих основных компонентов:
- Лопастей;
- Ротора;
- Трансмиссии;
- Генератора;
- Системы контроля;
Лопасти. Именно этот компонент ветряка "захватывает" ветер. Современный дизайн ветряка позволяет увеличивать эффективность этого процесса. Как уже описано выше, обычно ветрогенераторы имеют две или три лопасти. Лопасти производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас. Материал, из которого изготавливают лопасти, должен быть крепким и одновременно гибким, и не создавать волновые помехи, мешающие прохождению телевизионных сигналов. Длина лопастей современных ВЭУ варьируется от 25 до 50 метров, вес лопасти может превышать 1000 кг.
Под ротором понимают лопасти, соединенные с центральным валом. Центральный вал связан с ведущим валом привода через коробку передач - трансмиссию (в некоторых системах вал ротора напрямую соединен с приводом генератора).
Трансмиссия и привод необходимы для передачи кинетической энергии через ведущий вал на генератор, который и вырабатывает электроэнергию.
Все системы мощной ветроэлектроустановки контролируются и управляются с помощью компьютера, который может находиться на удалении от ветряка. Система контроля угла наклона лопастей "разворачивает" лопасти под углом, нужным для эффективной работы при любой скорости ветра. Система контроля направления оси ротора ветрогенератора разворачивает ветряк по направлению к ветру в горизонтальной плоскости.
Электронная система контроля поддерживает постоянное напряжение на генераторе при изменении скорости ветра. Генератор, работающий при различных скоростях ветра, является важной составной частью эффективной работы ветрогенератора.
Ветровые электростанции выгодны, как правило, в регионах, где среднегодовая скорость ветра составляет 6 метров в секунду и выше и которые бедны другими источниками энергии, а также в зонах, куда доставка топлива очень дорога.
Ветроэнергетическая установка, расположенная на площадке, где среднегодовая удельная мощность воздушного потока составляет около 500 Вт/м2 (скорость воздушного потока при этом равна 7 м/с), может преобразовать в электроэнергию около 175 из них. Следует также учитывать те изменения, которые вносятся ветровыми установками в ландшафт местности, их размещение должно соответствовать не только стандартам безопасности и эффективности, но и правильного размещения на местности (мельницы, расположенные хаотично менее эффективны, чем те, которые расположены в определенной геометрической последовательности).
Малые ВЭУ обычно предназначаются для автономной работы. Системы, которым они выдают энергию, привередливы, требуют подачи энергии более высокого качества и не допускают перерывов в питании, например, в периоды безветрия. Поэтому им необходим дублер, то есть резервные источники энергии, например, дизельные двигатели той же, как у ветроустановок, или меньшей мощности.
Что касается более мощных ветроустановок (свыше 100кВт), то они применяются как электростанции и обычно включаются в энергосистемы. Обычно на одной площадке устанавливаются достаточно большое количество ВЭУ, образующих так называемую ветровую ферму. На одном краю фермы может дуть ветер, в то время как на другом в это время может быть тихо. Ветряки нельзя ставить слишком тесно, чтобы они не загораживали друг друга. Поэтому ферма занимает много места.
Ветроэнергетика сильно зависит от капризов природы. Скорость ветра бывает настолько низкой, что ветрогенератор совсем не может работать, или настолько высокой, что ветряк необходимо остановить и принять меры по его защите от разрушения. Если скорость ветра превышает номинальную рабочую скорость, часть извлекаемой механической энергии ветра не используется, с тем чтобы не превышать номинальной электрической мощности генератора.
Для эффективной работы ВЭУ их размещают на открытых пространствах, реже на территориях сельскохозяйственных угодий, что повышает их продуктивность. В горных районах ветряки работают эффективно из-за природных особенностей данных местностей, там преобладает движение воздушных масс с большой силой и скоростью, к тому же это дает энергию в труднодоступные районы.
Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, отсутствуют влияния на тепловой баланс атмосферы Земли, отсутствуют потребления кислорода, выбросов углекислого газа и других загрязнителей. Сегодня ветроэлектрические установки надежно снабжают током нефтяников,
они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.
Рассмотрим теперь отрицательное влияние ВЭУ на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц. Действительно крупные ВЭУ влияют на телесигнал. На расстоянии до 0.5 км, они вызывают помехи в телесигнале, это связано с тем, что лопасти ветрового колеса ВЭУ отражают сигналы, вызывая помехи при передаче телевизионного сигнала. Вследствие работы крупных ВЭУ больше 20 кВт возникает достаточное количества инфразвука, которое влияет на состояние человека и животных. При работе крупных ВЭУ возникает и естественный шум от работы ветрового колеса. Поэтому размещение ВЭУ больше 10 кВт нежелательно в переделах черты города. С этими отрицательными факторами пытаются бороться, в частности применяя новые виды материала, которые способны пропускать сигналы в большом спектре и т.д.
Когда стоит делать или покупать ветряк?
Вообще говоря, построить небольшой, но реально работающий ветряк, вырабатывающий несколько Ватт энергии можно за пару часов и за 7 копеек, использую совершенно подручные материалы, например, пластиковые ПЭТ бутылки. И он реально будет работать и вырабатывать эти 2-3 Ватта энергии, которые вы можете направить, например на зарядку аккумулятора мобильника или на водокачку.
Постройка более серьезного ветряка (мощностью в десятки Ватт) так же реальная задача, не несущая в себе больших материальных затрат. А вот ветряки мощностью в сотни Ватт, а тем более киловатт - это уже очень серьезная задача, требующая огромных капвложений (сотни и тысячи долларов). И не факт, что они вообще когда то окупятся.
Если у вас есть на участке электроэнергия, нет смысла задаваться целью строить огромный ветряк. Электроэнергия ветряка будет всегда дороже покупной. Строить большой ветряк при наличии стационарной электроэнергии стоит только тогда, когда либо с ней очень частые перебои, серьезно отражающиеся на качестве вашей жизни, либо все мощности выбраны подчистую и нет никаких перспектив по их наращиванию. Тогда возможно ветряк будет выходом.
Не стоит рассчитывать на ветряк как на аварийный источник энергии. Бензиновый аварийный генератор в 2-3 квт даст 100 очков фору ветряку, с его заморочной системой выработки энергии в зависимости от ветра, ее аккумулированию и обратному преобразованию.
С другой стороны, строительство любого серьезного ветряка связано с большими трудностями. Поэтому если уж строить - надо строить ветряк максимально возможной мощности. Соблюдая при этом принцип учета затраты/выход. Т.е. проводить анализ «что даст вам дополнительное увеличение мощности и во что оно вам обойдется».
А если на участке нет электроэнергии вообще, и перспективы ее туда провести туманны и дороги, то постройка ветряка может оказаться весьма неплохим способом решения проблем электроснабжения.
Если вы хотите использовать энергию ветра, вы должны решить для себя главную задачу - «зачем». Что вы хотите получить от ветра и какая ЦЕЛЬ будет у будущего ветряка.
