Ветряные генераторы электроэнергии для домашнего использования

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.

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.

Как устроена ветряная электростанция

Ветряные генераторы, в отличие от своих бензиновых и дизельных аналогов, только набирают популярность. Стоимость таких электростанций в несколько раз выше, чем привычных автономных источников энергии. Но, в отличие от них, ветряк использует бесплатную энергию ветра и самоокупается через 5–6 лет эксплуатации.

Ветряной электрогенератор – это устройство, преобразующее кинетическую энергию воздушных потоков (ветров), в механическую (с помощью ротора), а затем в электрическую. Второе название этого механизма «ветряная электрическая установка» (ВЭУ), он используется в коммерческих, бытовых и промышленных целях.

Ветряные генераторы в последнее время набирают популярность

Ветровые электростанции для дома состоят из следующих элементов:

• Основной блок – подвижное ветряное колесо, приводящее в движение всю конструкцию;
• Редуктор, предназначенный для передачи энергии колеса генератору;
• Генератор, который вырабатывает переменный ток;
• Контролер – управляет колесом и преобразуют электричество, поступающее от генератора, в постоянный ток, заряжающий аккумуляторные батареи;
• Инвертор – трансформирует постоянный ток из АКБ в переменный, который используется в домашней электросети;
• Аккумуляторы высокой емкости, как правило, собираются в единый блок и служат для накопления и выравнивания электрической энергии;
• Мачта или ферма-основание – к ним крепится ветровое колесо.

Несмотря на похожее устройство и одинаковый принцип действия, ветряки для дома отличаются по нескольким параметрам. К примеру, по материалу, из которого изготовлены лопасти колеса, их количеству, направлению оси движения и шаг винта.

Различают ветряки с одной, двумя и тремя лопастями или совсем без них. Причем последние установки становятся все более востребованными. Роль ветряного колеса в них выполняет «парус» – конструкция в виде тарелки. Она приводит в действие поршни гидросистемы, которая вырабатывает энергию. Производители сознательно усложнили устройство ВЭУ, т. к. это позволило увеличить её КПД. Мощность лопастного ветрогенератора определяется просто – чем меньше лопастей, тем больше энергии он вырабатывает.

История использования энергии ветра

Когда началось использование энергии ветра для решения хозяйственных вопросов человека – точно сказать нельзя. Еще со времен древнего Египта известны ветряные мельницы. В древнем Китае ветряки использовались для откачки воды с рисовых полей. Использование паруса для мореходства известно еще раньше, со времен древнего Вавилона, и это только письменные свидетельства.

Европа в те времена представляла собой скопление диких племен. С появлением признаков цивилизации ветряные мельницы, парусные суда появились и здесь. Но на длительный период на этом использование ветра и заканчивалось. Слишком неустойчивый, непредсказуемый источник, рассчитывать на него без обладания запасным вариантом было невозможно.

С развитием производства появились первые насосы для подъема воды из скважин. Тогда же началось использование ветряков в качестве привода для них. Такие устройства функционируют и поныне, они просты, надежны и нетребовательны в эксплуатации.

Ветрогенераторы начали появляться с возникновением устройств для переработки вращательного движения в электроэнергию — генераторов. Бурное развитие ветрогенераторы получили в XX веке, хотя война остановила множество проектов в Европе.

На сегодня лидерами в использовании ветроэлектростанций являются США и Китай. Большое количество станций имеется в Европе, они сосредоточены на западном побережье. Больше всего в Дании, что вполне объяснимо — никаких других источников в этой стране не имеется.

Высокая эффективность ГЭС, отсутствие сильных и стабильных ветров на большинстве территории снизили интерес к ветроэнергетике. Кроме того, существующее на тот момент оборудование не имело высокой производительности, не давало возможностей производить достаточного количества энергии. Вопрос решался применением бензиновых или дизельных генераторов, более надежных и готовых в нужный момент выдать необходимый результат.

На сегодня интерес к ветроэнергетике значительно вырос. Появились новые, более эффективные разработки, способные обеспечивать достаточное количество потребителей. Кроме того, имеются сильные неодимовые магниты, позволяющие самостоятельно изготавливать генераторы с возможностью работать на медленной скорости вращения, что в корне изменило ситуацию и пробудило высокий интерес у конструкторов.

Как выбрать ветряную электростанцию

Главным параметром ветряной электростанции является ее мощность. Необходимо помнить, что своего пикового значения она достигает только при максимальной скорости вращения. А для того чтобы добиться максимальной скорости, необходимо обеспечить подходящую высоту установки ветряка и выбрать модель с оптимальным количеством лопастей. В большинстве случаев потребители останавливаются на трехлопастных моделях. Если выбрать модель мощностью 3 кВт, то этого вполне хватит для большинства нужд.

Для семьи из четырех человек месячное потребление электроэнергии составляет около 350-400 кВт – ориентируйтесь на эту цифру и на потребление бытовых электроприборов.

Кроме ветряков, советуем вам также присмотреться и к солнечным батареям. В зависимости от климатических и географических условий такой вид получения энергии может оказаться даже более выгодным.

Если энергия от ветряной электростанции будет тратиться не только на освещение и работу маломощной бытовой техники, потребуется более мощная модель. Это актуально при использовании микроволновых печей, множества морозильных камер, электропечей и прочих электроприборов. Впрочем, для приготовления еды лучше задействовать газовое оборудование, работающее на сжиженном газе.

Поговорим о производителях – наибольшим спросом пользуются ветрогенераторы из Европы, в частности – из Германии и Австрии. Отзывы владельцев говорят, что именно здесь изготавливаются самые надежные и долговечные агрегаты, способные прослужить до 30-40 лет. Востребованы и ветряки российского производства – они отличаются ценовой доступностью. Что касается китайской продукции, то она не только дешевая, но и не самая надежная.

Рекомендации по приобретению и установке ветрогенераторов для дома

Для автономного энергоснабжения рекомендуется использовать трехлопастной ветрогенератор с высотой мачты 10 м, диаметром винта 4,5 м, скоростью вращения около 500 об/мин.Генератор синхронный многополюсный, мощностью 3 кВт с постоянными неодимовыми магнитами, аккумуляторная батарея энергоемкостью 20 кВт·час, (масса 500 кг), резервный бензиновый генератор на 2,5 кВт, и инвертор на 4,5 кВт. Такая ветровая энергетическая установка обеспечит среднее потребление электроэнергии 390 кВт·час в месяц.

Ветрогенератор мощностью 3 кВт, установленный на окраине города

Существуют много фирм и компаний, предлагающих как винты для ветрогенератора, так и ветряные электростанции для дома в сборе, включающие:

• Электрогенератор;
• Лопасти винта с необходимым креплением на ось электрогенератора;
• Элементы мачты, растяжек и остального крепежа;
• Специфичный инвертор напряжения, обладающий функцией контроля заряда аккумуляторов;
• Кабель снижения для подключения ветрогенератора к инвертору;
• В комплект поставки могут входить аккумуляторные батареи.

Внешний вид ветрогенератора мощностью 3 кВт

Специалисты компании могут помочь произвести все необходимые расчеты, и должны гарантировать, что домашняя ветровая электростанция будет надежно установлена и подключена. Фирмы, дорожащие своей репутацией и общественным мнением о ветроэнергетике, вообще не должны позволять владельцам осуществлять самостоятельный монтаж своих мощных ветрогенераторов, из-за высоких требований безопасности, которые описаны ниже.

Безопасность использования ветряков в домашних условиях

Несмотря на исключения потребности потребления ископаемого топлива, при добыче которого наносится вред окружающей среде, и отсутствие вредных выбросов, ветряную энергетику нельзя назвать абсолютно безвредной и безопасной по отношению к природе и человеку. Независимо от размеров лопастного винта, концы лопастей обладают большой круговой скоростью, и много птиц уже погибло за время распространения ветровых электростанций.

https://youtube.com/watch?v=_vO3XlX62dI

молниезащита и заземление

Доказано, что помимо свиста, гудения и хлопков, которые издают ветроэнергетические силовые установки, при вращении винта ветрогенератора создается шум в инфразвуковом диапазоне, ниже порога слышимости человеческого уха.

Данные инфразвуки, хоть и не слышны при помощи слуха, все же ощущаются телом, а их частота близка к сейсмическим колебаниям, что вполне объяснимо вызывает инстинктивный страх и беспокойство. Длительное влияние данного шума может привести к психологическим расстройствам.

ветрогенератор для дома

Самодельные ветрогенераторы

Очевидно, что в условиях густонаселенного квартала города или поселка установка и использование даже лицензионного ветрогенератора может принести больше проблем, чем выгоды. Говорить о применении самодельного генератора, пусть и очень надежного, но, по мнению соседей, способного в любой момент разлететься на десятки смертельно опасных поражающих осколков, вообще не приходится.

Соседям может не понравиться установка ветрогенератора над их крышами

В условиях стоящего особняком частного дома, или где-нибудь в охотничьем домике или сторожевой постройке ситуация с нанесением вреда окружающим людям совершенно иная, поэтому пытливые мастера могут смело ставить эксперименты по собственноручному изготовлению ветрогенераторов.

В сети Интернет существует множество чертежей с описанием, как сделать тот или иной ветрогенератор, с усовершенствованиями, добавив элемент Пельтье своими руками для улучшения КПД генератора. Сложные конструкции ветроэнергетических установок большой мощности требуют наличия материалов, инструментов и мастерства для обеспечения максимальной надежности и эффективности.

Пример чертежа ветроэнергетической установки

Но небольшие заводские ветрогенераторы, мощностью около 300 Вт пользователь может собрать и установить самостоятельно, не обладая большими познаниями и навыками.

Поскольку мировым лидером производства ветровой электроэнергии является Китай, то больше всего поставок  комплектующих и разборных ветрогенераторов идет именно с этой страны. На видео показан процесс сборки и тестирования подобного ветрогенератора на 300 Вт, полученного по заказу из Китая:

ветряной электрогенератор

Данной мощности хватит для зарядки мобильного телефона или смартфона и для аварийного освещения, что в условиях отключения электроэнергии и отдаленности от цивилизации может иметь большое значение в различных жизненных ситуациях.

Генераторы для самодельных ветряков

Одним из свойств электрогенераторов, определяющих их эффективность, является скорость перемагничивания катушек, чем выше, тем больше напряжение и ток на выходе. Большая скорость перемагничивания достигается за счет быстрого вращения вала электрогенератора при промышленной генерации электроэнергии. Но вал даже самого быстроходного ветряка вращается слишком медленно.

Увеличить обороты можно за счет повышающего редуктора, или сделать генератор для ветряка многополюсным. Это означает, что частота генерируемого тока за один оборот ротора генератора будет равна количеству полюсов. Применение мощных неодимовых магнитов позволило избавиться от применения катушек возбуждения в электрогенераторах для ветроэнергетических установок. На виде ниже показан процесс создания самодельного электрогенератора на базе неодимовых магнитов:

https://youtube.com/watch?v=yJaOOqEdYWs

Поэтому создание маломощного ветрогенератора из шагового двигателя, у которого также есть много полюсов, может обеспечить энергией зарядку телефона при минимуме затрат как на саму ветроэнергетическую установку, так и на изготовление генератора, как показано на видео ниже:

Какая мощность вам необходима?

Как оказалось, под общим названием «ветряные электрические генераторы» скрывается немало устройств. Они отличаются по конструкции, цене, внешнему виду.

При выборе ветряка учитываются климатические условия региона. Изучите техническую документацию на заинтересовавшую вас ВЭУ – она определяет её назначение и расчетную мощность. Выходная мощность прибора зависит от инвертора (преобразователя). Отправная точка расчетов – количество домашних бытовых приборов, одновременно подключенных к генератору. Для простоты вычислений можно счета на электроэнергию и вывести средний коэффициент.

Скорость ветра 5 м в секунду оптимальна для большинства ветрогенераторов

Существуют общепринятые усредненные параметры мощности генератора при силе ветра в 5 м/сек для дач и небольших домов:

• При мощности в 150-200 Вт ВЭУ обеспечит освещение, функционирование радиоприемника и телевизора. Для работы холодильника потребуется устройство мощностью не менее 1 кВт;
• Ветрогенератор мощностью от 1 до 5 кВт выбирают если необходимо обеспечить полноценное электроснабжение дома;
• Приборы, выходная мощность которых составляет не менее 20 кВт, используются для снабжения энергией бытовых приборов и систем отопления.

Следующий параметр – это емкость АКБ и скорость их заряда, которая зависит от мощности ветряка. Заряжать аккумуляторы можно быстрее, если подключить к установке несколько генераторов. А вот увеличивать количество самих батарей не стоит – много аккумуляторов ВЭУ не успеет зарядить, а частичная зарядка быстро выведет их из строя.

Конструктивно различаются генераторы по наличию и отсутствию редуктора. Первые из них отличаются простотой устройства и монтажа. Ветряки с редуктором установить сложнее, но при этом они обладают большой мощностью и считаются более надежными.

Факты и заблуждения

Малое распространение ветроэнергетических установок и отсутствие опыта общения с ними породили массу заблуждений относительно свойств и воздействия ВЭС на организм человека. Так, широко распространено мнение о необычайно высоком уровне шума, производимого работающим ветрогенератором. Действительно, определенный шум имеется, но его уровень гораздо ниже, чем принято считать. Так, шум от промышленных моделей на расстоянии 200-300 м воспринимается на слух так же, как звук от работающего бытового холодильника.

Другая проблема, которую необоснованно раздувают несведущие люди — создание непреодолимых помех радио и телевизионным сигналам. Этот вопрос был решен раньше, чем о нем узнали пользователи — каждый мощный промышленный ветряк снабжен качественным фильтром радиопомех, способным полностью исключить влияние устройства на эфир.

Люди, живущие поблизости от турбин, будут постоянно находиться в зоне мерцания тени. Это термин, обозначающий некомфортное ощущение от мигающих световых проявлений. Вращающиеся лопасти создают такой эффект, но его значение сильно преувеличено. Даже самые чувствительные люди всегда могут попросту отвернуться от турбины, если случилось оказаться поблизости от нее.

Существуют и другие, надуманные и вполне реально существующие факты, касающиеся работы ВЭС, их воздействия на организм человека и окружающую природу. Част из них является обычными слухами, другая часть настолько преувеличена, что не заслуживает даже обсуждения. Ветроэнергетика — полноценная отрасль, способная решать вопросы энергообеспечения как в солидных масштабах, так и в пределах маленького дачного домика.

Электроэнергия от ветряных электростанций

Ветряной генератор электричества не нуждается в угле, нефти, мазуте, солярке, дровах или ядерном топливе – он работает исключительно за счет энергии ветра. Для этого ветряки устанавливаются в местности, где практически непрерывно перемещаются гигантские количества воздушных масс, вызывая мощные ветра, вращающие лопасти. Их основой являются производительные генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Получаемое электричество стабилизируется, после чего сразу же направляется к потребителям или накапливается в аккумуляторах.

Ветряные электростанции требуют для своей работы мощных воздушных потоков. Эти потоки улавливаются с помощью лопастей той или иной конструкции. Соответственно, в местности, где стоит ветряк, должны дуть сильные ветра. Причем должны дуть регулярно, на протяжении долгого времени. При этом вокруг должна располагаться открытая местность, не снижающая энергию дующих ветров.

Именно этот фактор и накладывает ограничение на использование ветряных электростанций – мест, где постоянно дуют ветра, в России не так уж и много. Как показывают наблюдения метеорологов, то этим места располагаются в восточной части нашей страны – это Дальний Восток, Чукотка. Кстати, именно Чукотка бьет все рекорды по ветреной погоде. Причем местное население на них особо не реагирует – привыкли.

Необычные устройства, ветроэнегетика и её проекты

На стадии разработки находиться еще множество конструкций необычного типа. Среди них, особым интересом пользуются:

• Sheerwind напоминает своим внешним видом музыкальный инструмент
• ветрогенераторы от компании ТАК, напоминающие уличные фонари на само обеспечении
• ветряки на мостах в виде пешеходного перехода
• ветряные качели, которые принимают потоки воздуха со всех сторон
• «ветряные линзы» диаметром 112 метров
• плавучие ветряки от корпорации FLOATGEN
• разработка компании Tyer Wind – ветрогенератор, имитирующий лопастями взмах крыльев колибри
• в виде реального дома, в котором можно жить от компании TAMEER. Аналогом этой разработки является Anara Tower в Дубаи

Вскоре будут установлены первые в мире установки способные работать без ветра. Представит вниманию человечества их немецкая компания Max Bögl Wind AG. Они будут состоять из турбин высотой 178 метров. Будут также выполнять роль резервуаров с водой. Принцип работы системы достаточно простой, когда есть ветер оборудование будет работать по типу ветрогенератора, а когда погода не ветреная, в работу будет пускаться гидротурбины. Они вырабатывают энергию из воды, которая должна спускаться из резервуаров вниз по холму. Когда он снова появляется, вода начнет перекачиваться обратно в резервуары. Этим самым удастся обеспечить работу электростанции в непрерывном режиме. Эпоха “мельниц”, с которыми сражался еще Дон Кихот в рассказе Сервантеса уходит в далекое прошлое. Сегодня промышленные объекты больше напоминают уникальные произведения искусства нежели промышленные установки.

Стоимость ветрогенераторов

Цены на ветрогенераторы достаточно высокие. Это громоздкие конструкции, которые производятся из дорогостоящего материала. Имеют в комплекте аккумуляторы, контроллер, инвертор и мачту.

Комплект может состоять из: 1 — самого ветрогенератора, 2 — Мачты, 3 — Фундамента, 4 — Комплекта аккумуляторных батарей, 5 — Инвертора, 6 — Контроллера, а также проводов, коннекторов, стеллажа, дизель-генератора и прочих расходных материалов необходимых для монтажа

Технические характеристики ветрогенераторов также влияют на стоимость.

1. Самый простой − это генератор с малой мощностью до 300 ватт. Производит энергию при силе ветра в 10-12 м /сек. Комплект самого простого ветряка только с контроллером стоит от 15 000 рублей. В комплектации с инвертором, аккумулятором и мачтой цена доходит до 50 000 рублей.
2. Генераторы с заявленной мощностью 1 кВт. При слабом ветре в среднем производят энергии от 30-100 кВт в месяц. Для большого дома с высоким потреблением электроэнергии рекомендуется использовать в дополнение дизельный и бензиновый агрегаты. Они также будут заряжать аккумуляторы в дни полного безветрия. Стоит такой ветрогенератор от 150 000 рублей. Доходит и до 300-400 тысяч рублей с более полной комплектацией.
3. Электрический расход в большом доме с приусадебным хозяйством потребует ветряк мощностью 3-5 кВт. Достаточное количество аккумуляторов, более мощный инвертор, контроллер, высокая мачта. Один комплект стоит от 300 000 рублей до миллиона.

Если дом еще и отапливался за счет ветра, то установку надо выбирать мощностью 10 кВт. И позаботиться о дополнительных источниках, таких как солнечные батареи. Возможно, понадобится и бензогенератор. Все зависит от того, сколько энергии придется держать в запасе на случай безветренных и пасмурных дней.