Приручение ветра

Обеспечить загородный дом достаточным количеством электроэнергии даже при отсутствии ее централизованных поставок сегодня несложно — достаточно приобрести дизельный генератор или когенерационную установку. Существуют и другие — более экономичные и экологичные — устройства для производства электроэнергии, в числе которых особое место занимают ветрогенераторы. Они не потребляют ни газ, ни солярку, достаточно эффективны, безопасны и весьма надежны, благодаря чему и находят применение в загородном строительстве как за рубежом, так и в России.

В местностях с большими среднегодовыми скоростями ветра электроэнергия, получаемая от ветрогенератора, зачастую дешевле получаемой от сетевой компании
В местностях с большими среднегодовыми скоростями ветра
электроэнергия, получаемая от ветрогенератора,
зачастую дешевле получаемой от сетевой компании

Где это выгодно?

Сегодня многие россияне задумываются о собственном доме в Крыму, на берегу Черного моря. Дышится здесь легко и приятно, а среди благ цивилизации в распоряжении застройщика есть практически все, что нужно, за исключением разве что надежного электроснабжения. Так почему бы не подстраховаться от возможных перебоев с помощью ветрогенератора?

Мировой опыт показывает, что энергия ветра эффективно используется в морских и прибрежных районах, а также в горных и пересеченных местностях, и с этой точки зрения территория Крыма имеет значительное количество перспективных для ветроэнергетики зон. Наибольшим ветровым потенциалом, по мнению экспертов, обладают территории, прилегающие к Черному и Азовскому морям, Западно-Крымский и Восточно-Крымский регионы.

Этот дом в Подмосковье долгое время получал электроэнергию исключительно от ветрогенераторов, лишь изредка переключаясь на резервный дизель
Этот дом в Подмосковье долгое время получал электроэнергию
исключительно от ветрогенераторов, лишь изредка
переключаясь на резервный дизель…

Также имеет смысл ставить ветрогенераторы на побережье Северного Ледовитого океана, Финского залива, Каспийского моря, на Камчатке, Сахалине, Чукотке, в Якутии. Перспективными являются и многие другие районы, где дуют сильные ветры и строительство сетевой системы электроснабжения влечет за собой значительно большие затраты, чем организация автономной генерации электричества.

Чтобы оценить, будет ли польза от применения ветроэнергетической установки на вашем участке, необходимо первым делом узнать ветровой потенциал территории, на которой он расположен, точнее среднегодовую скорость ветра (среднеарифметическое значение всех скоростей ветра, наблюдаемых в течение года). Сделать это можно в Центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды или даже на ближайшем аэродроме (если на нем есть собственная метеослужба).

Ветряная мельница — один из проверенных временем способов использования энергии ветра
Ветряная мельница — один из проверенных
временем способов использования энергии ветра

Из глубины веков

Первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае. В Египте (около Александрии) сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа, построенных еще во II–I вв. до н. э. Ну а в 7 в. н. э. персы уже строили ветряные мельницы.

Начиная с XIII в., ветродвигатели получили широкое распространение в Западной Европе, особенно в Голландии, Дании и Англии. Их использовали для подъема воды, размола зерна и приведения в движение различных станков.

Ветряки, производящие электричество, были изобретены только в ХIX веке в Дании. Там в 1890 году была построена первая ветроэлектростанция, а к 1908 году насчитывалось уже 72 станции мощностью от 5 до 25 кВт. Крупнейшие из них имели высоту башни 24 м и четырехлопастные роторы диаметром 23 м…

По материалам РАВИ

Что бы дом в безветренную погоду не остался без электричества, во время работы ветрогенератора необходимо запасать энергию в аккумуляторных батареях большой емкости
Что бы дом в безветренную погоду не 
остался без электричества, во время
работы ветрогенератора необходимо
запасать энергию в аккумуляторных
батареях большой емкости

При низкой среднегодовой скорости ветра (менее 2,5 – 3,5 м/с) говорить о перспективности использования ветрогенератора не приходится. Большую часть времени он будет простаивать без дела, так как слабые ветра не смогут сдвинуть ветроколесо с места. При высокой среднегодовой скорости ветра (более 7–8 м/с) приобретению ветряка надо сказать однозначное да, так как стоимость электроэнергии, получаемой с его помощью, скорее всего будет даже ниже, чем стоимость электроэнергии, покупаемой у сетевой компании.

Но что делать, если среднегодовая скорость ветра на участке около 4 м/с?

Электроэнергия, добытая с помощью ветроэнергетической установки, при такой скорости ветра обходится «в копеечку».

Техобслуживание мегаваттного горизонтально-осевого ветряка
Техобслуживание мегаваттного
горизонтально-осевого ветряка

Например, для Подмосковья, где среднегодовая скорость ветра составляет приблизительно 4 м/с (от 3,7 до 4,2 м/с), современный ветряк мощностью 1 кВт будет выдавать электроэнергии всего около 120 кВт•ч/мес (этого хватит для питания всего нескольких энергосберегающих ламп, телевизора, холодильника, циркуляционных насосов (см. таблицу 1)). За год выработка оборудования составит 1440 кВт•ч, а за весь срок службы — скажем, за 20 лет — 28 800 кВт•ч. Стоимость ветроэнергетической установки в комплектации, обеспечивающей гарантированное энергоснабжение коттеджа, примем равной 7000 дол. США.

Таблица 1 Приблизительное энергопотребление электрооборудования загородного дома

Потребитель Номинальная мощность, Вт Время работы в сутки Энергопотребление в сутки, кВтч Энергопотребление в месяц, кВтч
Холодильник 150 7 1,05 31,5
Телевизор 100 6 0,6 18
Освещение энергосберегающими лампами 120 5 0,6 18
Компьютер 100 6 0,6 18
Циркуляционный насос 60 24 1,44 43,2
Погружной насос 1200 0,5 0,6 18
Электроплита двухкомфорочная 2000 2 4 120
Морозильник 200 7 1,4 42
Всего 3930 10,29 308,7
Вертикально-осевой ветрогенератор
Вертикально-осевой ветрогенератор

Таким образом, в Подмосковье стоимость 1 кВт•ч электроэнергии составит не менее 8,5 руб. (в ценах 2014 года).

Это значит, что использование ветроэнергетической установки в Подмосковье экономически оправданно, если сетевой электроэнергии в доме нет и не будет, а стоимость энергии, получаемой с помощью других типов автономных источников энергоснабжения коттеджа, выше 8,5 руб. Для домов, к которым электросеть уже подведена или будет подведена в ближайшее время, ставить ветряк имеет смысл разве что для резервного электроснабжения или для разгрузки сети.

В поисках оптимальной конструкции

В настоящее время ведущие производители ветроэнергетических установок во всем мире сосредоточили усилия на выпуске горизонтально-осевых моделей ветрогенераторов, способных наиболее эффективно преобразовывать энергию ветра в электроэнергию. Для коттеджа рекомендуется приобретать именно такой аппарат мощностью от 1 до 15 кВт. Есть в продаже и ветряки с вертикальной осью вращения, однако при одинаковой с горизонтально-осевыми моделями мощности первые заметно дороже и применяются не часто.

Ветряк на мысе Айя в Крыму, установленный украинской компанией Мир Ветра
Ветряк на мысе Айя в Крыму, установленный украинской
компанией Мир Ветра

Внешне горизонтально-осевые ветроэнергетические установки похожи на турбовинтовые двигатели самолетов, поднятые над землей на высокие мачты. Ветроколесо с одной или несколькими лопастями преобразует кинетическую энергию поступательно движущегося воздушного потока в механическую энергию вращения вала ветродвигателя. К валу — напрямую или через повышающий редуктор — подключается генератор, который вырабатывает электрический ток.

За ветроколесом и генератором располагается хвостовая конструкция, которая при допустимых скоростях ветра (в зависимости от модели до 12–15, максимум 25 м/с) ориентирует плоскость ветроколеса строго перпендикулярно ветровому потоку. При чрезмерно высоких скоростях ветра срабатывает система складывания, ориентирующая ветроколесо под углом к ветровому потоку, чем обеспечивается ограничение частоты вращения и защита установки от перегрузок.

Ветрогенератор мощностью 100 кВт, установленный в 1938 году в Балаклаве
Ветрогенератор мощностью 100 кВт,
установленный в 1938 году в Балаклаве
Рожденные в СССР

В первой половине XX века Советский Союз занимал лидирующие позиции в производстве ветроэнергетических установок. Уже в 1930-х годах в СССР было освоено серийное производство ветроустановок мощностью 3–4 кВт. В 1931 году в районе Балаклавы заработала крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка. Опорная конструкция ветродвигателя (мачта) была построена по проекту В.Т. Шухова. Ветроагрегат мощностью 100 кВт с диаметром колеса 30 м был на то время самым мощным на планете. Следом на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938 году в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. Ну а с 1950 по 1955 год страна производила до 9 тысяч ветроустановок в год единичной мощностью до 30 кВт!

Наибольшим спросом у покупателей пользуются горизонтально-осевые модели, оборудованные тихоходными генераторами, которые способны вырабатывать достаточно энергии даже при низких скоростях ветра. Подобная техника хотя и стоит дороже, но позволяет обходиться без повышающего редуктора, а это в свою очередь сокращает потери и многократно увеличивает надежность установки.

Инвертор, преобразующий постоянный ток от аккумуляторных батарей в переменный ток частотой 50 Гц и повышающий напряжение от 24В до 220В
Инвертор, преобразующий постоянный ток от аккумуляторных
батарей в переменный ток частотой 50 Гц и повышающий
напряжение от 24В до 220В

Высота (а следовательно, и стоимость) мачты ветрогенератора зависит от наличия препятствий (деревьев, зданий и других сооружений), находящихся в непосредственной близости от нее. Для наиболее эффективной эксплуатации ветроэнергетической установки предлагается выбирать высоту мачты такой, чтобы ось ветроколеса была как минимум на 3–4 м выше препятствий, расположенных к мачте ближе, чем на 200 метров.

От жилых построек ветроэнергетическую установку желательно устанавливать на расстоянии около 30–40 м, чтобы шум от вращения ветроколеса не докучал домочадцам. Впрочем, многие владельцы ветрогенераторов этого шума и не замечают, не отличая его от общего фона или плеска волн (если дом расположен у воды). Другие считают, что шум ветрогенератора сродни шуму дождя и даже способствует крепкому сну…

Ветряк и его окружение

Электроэнергия, вырабатываемая ветрогенератором, может использоваться непосредственно для питания нечувствительных к ее качеству приборов — ламп накаливания и обогревателей, а также для уличного освещения. Другие электроприборы, например компьютеры, радиоприемники, от такого электропитания могут преждевременно выйти из строя из-за скачков величины и частоты напряжения.

Зарядное устройство для аккумуляторных батарей
Зарядное устройство для аккумуляторных батарей

Подключать ветряк напрямую к нагрузке допустимо разве что при электроснабжении хозяйственных построек, электроприборы которых в периоды безветрия или слабых ветров (а они неизбежны) могут быть без ущерба для комфорта и безопасности людей обесточены.

Перебои с поставкой энергии в жилой части современного коттеджа — чрезвычайное происшествие. Поэтому для гарантированного энергоснабжения загородного дома в периоды безветрия или слабых ветров необходимо обустроить систему бесперебойного питания. Она позволит запасать энергию, извлекаемую с помощью ветроэнергетической установки в период сильных ветров, впрок, а в случае длительного безветрия обеспечивать дом энергией.

Оборудование для бесперебойного питания чаще всего размещают в шумоизолированном отапливаемом помещении с относительной влажностью воздуха не более 70% и как минимум трехкратным воздухообменом. По возможности это помещение должно располагаться ближе к мачте ветроэнергетической установки, чтобы избежать потерь в проводах, подводящих электроэнергию.

Многолопастное колесо ветрогенератора
Многолопастное колесо ветрогенератора

В состав системы бесперебойного питания прежде всего входит комплект аккумуляторных батарей. Если в ветроэнергетической установке использован генератор мощностью 1 кВт, необходимы 4 кислотно-свинцовые или щелочные стартерные батареи (200А•ч каждая). Если используется установка производительностью около 5 кВт, то потребуются 14 таких аккумуляторов. Для подзарядки аккумуляторных батарей используется зарядное устройство, обеспечивающее выпрямление поступающего напряжения и защиту аккумуляторов от перезаряда.

В электросеть коттеджа энергия должна подаваться через специальный прибор — инвертор, который преобразует постоянный ток с аккумуляторных батарей в «высококачественный» переменный ток 220 В/50 Гц, пригодный для питания любых бытовых приборов.

Номинальная мощность инверторов, применяемых в коттеджах, обычно от 500 до 5000 Вт, а максимальная — в 2 раза больше. Компрессоры, насосы, электромоторы в момент запуска потребляют кратковременно мощность, в 2–5 раз превышающую номинальную. Пусковая мощность такого оборудования при одномоментном запуске не должна превышать максимальную мощность инвертора, указанную в его технических характеристиках.

Еще один важный прибор, который желательно включить в комплект системы бесперебойного питания коттеджа — дизельный, бензиновый или газовый электрогенератор. Без такого устройства не обойтись, если среднегодовая скорость ветра в регионе не превышает 4–6 м/с (в частности, в Подмосковье).

Маломощный ветрогенератор
Вряд ли столь маломощный ветрогенератор
способен обеспечить этот большой дом
электроэнергией. Однако имидж человека, которому
не безразлично каким воздухом будут дышать
его дети, владельцу дома он, скорее всего, обеспечит
Изваянная красота

Есть определенная категория покупателей ветрогенераторов, которых не очень-то интересуют технические характеристики приобретаемого оборудования. Электроэнергия у них на участке есть и так. Значительно важнее — чтобы ветрогенератор имел первоклассный дизайн, украшал унылый пейзаж за окнами и демонстрировал домочадцам и соседям пример рачительного природопользования.
О вкусах не спорят, но на наш взгляд и на равнине, и в гористой местности, при вращающихся лопастях и в штиль, когда ветроколесо совсем неподвижно, наиболее эстетично выглядят трехлопастные ветрогенераторы. Правда, по своим техническим характеристикам при низких скоростях ветра эти устройства зачастую несколько уступают качественным многолопастным моделям, а по цене дороже однолопастных.
Впрочем, красота требует жертв, не правда ли?
Такая армия ветряков может обеспечить электроэнергией город с многотысячным населением
Такая армия ветряков может обеспечить электроэнергией
город с многотысячным населением

Включенный в систему электроснабжения коттеджа генератор будет работать как резервный источник электропитания на период длительного безветрия. Действительно, если несколько суток ветер будет дуть едва-едва, ветроэнергетическая установка долгое время не сможет выдавать номинального напряжения. В доме тем временем электроэнергия будет потребляться в обычном ритме, и рано или поздно аккумуляторная станция будет истощена и электроснабжение отключится. В этом случае генератор надо будет вручную (если не предусмотреть автозапуск) запускать в работу всего на несколько часов в сутки для подзарядки аккумуляторных батарей.

Кроме того, в сочетании с ветрогенератором могут использоваться модули солнечных батарей, подзаряжающие аккумуляторы в светлое время суток.

Таким образом, будет создана надежная и экономичная система бесперебойного электроснабжения коттеджа.

Искусство правильного выбора

В СМИ и Интернет море предложений от производителей и поставщиков ветроэнергетических установок. Однако при выборе стоит проявлять осторожность. Дело в том, что некоторые фирмы предлагают устройства, существующие только в чертежах, никогда не изготавливавшиеся и не проходившие испытаний. Конечно, среди них можно найти и добротные разработки, выполненные профессиональными конструкторами на базе научных расчетов. Однако множество устройств — не что иное, как плохо оформленные изыскания псевдоспециалистов.

Ветряк рядом с дачным домом
Ветряк рядом с дачным домом

Немало моделей ветрогенераторов существуют лишь в виде опытного экземпляра. Это сказывается и на их цене, и на качестве проработки конструкции.

Существует не так уж много фирм, которые в настоящее время регулярно осуществляют производство, в том числе серийное, ветроэнергетических установок.

Среди российских производителей ветроэнергетических установок и их компонентов можно отметить работающие уже не первый год компании «Сапсан Энергия», «Электросфера», «Виндек», «МикроАРТ», ФГУП «ГМКБ «РАДУГА»» и др. В числе иностранных производителей упомянем только лидеров рынка: Vestas (Дания), GE (США), Sinovel, Goldwind, Dongfang (все — Китай), Enercon, Siemens, RePower (все — Германия), Gamesa (Испания) и Suzlon (Индия).

Материал предоставлен Творческой мастерской Владислава Балашова



наши проекты
  • АПИК
  • Университет климата
  • Выставка «Мир климата»
  • АПИК-тест