​Ветряк для выработки электроэнергии: сколько стоит, как работает, примеры

Ветроэлектростанции (ВЭС), или как их еще называют ветряки – это устройства, преобразующие энергию движения ветра в электричество. Электричество, получаемое при помощи ветряков, является простым и экологичным источником энергии, поэтому в некоторых частях земли построены огромные комплексы, объединяющие множество ветрогенераторов в единую сеть. Такие массивы способны обеспечивать электроэнергией крупные населенные пункты, и даже целые регионы. Но для питания частного дома достаточно одного небольшого ветряка, и получать электричество при его помощи можно практически в любой местности.

Содержание

Классификация ВЭС

Существует множество разновидностей ВЭС, и все их можно классифицировать по различным признакам. Основным отличительным признаком являются конструктивные особенности. По конструкции они подразделяются на роторные и крыльчатые. По способу расположения выделяют следующие виды:

• Наземные;
• Прибрежные;
• Плавающие;
• Офшорные.

А по функциональному назначению ветряные электростанции бывают стационарные и мобильные.

Наиболее популярной конструкцией для промышленного получения электрической энергии являются ветряки крыльчатого типа. Они позволяют вырабатывать больше энергии, но, при этом, роторные конструкции издают меньше шума и не так сильно зависят от направления ветра.

Принцип работы

Все современные ветряки работают по проверенному веками принципу ветряной мельницы. Только в данном случае энергия вращения лопастей передается не на механический привод, а на генератор, при вращении ротора которого вырабатывается электричество. Затем электроэнергия накапливается в блоке аккумуляторных батарей и через инвертор передается к потребителям. Для обеспечения электроснабжения большого количества потребителей требуется объединение ветряков в единую сеть.

Для изготовления ветряка применены следующие элементы:

• Лопасти;
• Ротор турбины;
• Редуктор;
• Контроллер;
• Ось электрического генератора;
• Генератор
• Инвертор;
• Аккумулятор.

Для изготовления пропеллера можно использовать практически любые материалы, обеспечивающие достаточную парусность. Это может быть парусный ветряк из прочной ткани, ветряк из бочки или пластиковых бутылок. При изготовлении миниатюрной установки ветряк можно сделать даже из бумаги.

При изготовлении ветряка своими руками можно использовать ротор из шуруповерта или двигатель от любой бытовой техники. Для изготовления самодельного генератора для ветряка подойдет шаговый двигатель от принтера, а автомобильный генератор можно использовать практически без переделки.

Шаговый двигатель

Электрическая схема генератора на шаговом двигателе

С появлением на российском рынке неодимовых магнитов, популярность приобрела схема изготовления низкооборотистого аксиального генератора для ветряка на этих магнитах.

Подключение ветряка к генератору

При изготовлении своими руками ветряка мощностью до 3 кВт и рабочим напряжением 220В можно воспользоваться идеей разработки российской компании Аэрогрин. В конструкции данного ветряка применен принцип роторной авиационной турбины. В качестве лопастей используются небольшие лопатки из полимерных материалов. Вся конструкция укрыта кожухом из звукопоглощающего материала. Такой ветряк не тратит энергию на поиск ветра, создает минимум шума и не раздражает соседей постоянно вращающимися лопастями.

Сколько стоит ветряк

Для того чтобы купить ВЭС заводского производства в России можно сравнить цены на ветряки для выработки электроэнергии от различных производителей. Лучше всего для этого указать в запросе поисковой системы свой регион, это позволит быстрее найти поставщиков, которые работают ближе к планируемому месту установки ветряка и сэкономить на доставке и установке. Например, при необходимости организовать электроснабжение дачи в Ленинградской области, в поисковой строке можно набрать следующий запрос: «купить ветряк для частного дома цена СПб».

Приобрести можно как комплекс целиком, так и отдельные детали. Если лопасти и ротор можно изготовить самостоятельно, то генератор для ветряка можно купить по сравнительно низким ценам.

Выбор конструкции ветрогенератора

Основной проблемой при выборе конструкции ветряка является выбор между ветряками с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Однозначного ответа на вопрос, какой ветряк лучше горизонтальный или вертикальный, не существует.

Классический ветрогенератор имеет горизонтальную ось вращения и механизм поиска ветра, работающий по принципу флюгера. Для его раскручивания необходим ветер, дующий со скоростью 7 – 8 м/с.

Тогда как спиралевидные ветряки с вертикальной осью вращения не так сильно зависят от скорости и направления ветра.

Но самое широкое распространения ВЭС получили на территории Крымского полуострова. В силу своего географического положения Крым имеет возможность использовать энергию ветра с максимальной пользой. Ветряки в Крыму расположены практически везде, где позволяет местность. Здесь расположено несколько крупных ветряных электростанций. На самой крупной из них работают 127 ветрогенераторов.

В прошлом году в Ульяновске был запущен комплекс из 14 ветряков общей мощностью более 30МВт. Строительство ветряной электростанции начато и в республике Адыгея. Планируется, что ветряки, установленные в Адыгее, будут давать мощность в 150МВт.

Также в прошлом году начало свою работу совместное российско-испанское предприятие по выпуску ветряков в Таганроге. Производство организовано на заводе «Красный котельщик».

Ветряки в Европе

Для многих европейских стран наличие ветряков в некоторых регионах уже давно стало привычным делом. Причем устанавливают их не только на суше но и в море.

Лидерами по производству и использованию ветряков являются Франция, Германия и скандинавские страны.

В последнее время в европейских странах построено множество гигантских ветряков. Например, одним из крупнейших ветряков в Германии является огромная башня высотой 120м с ротором, каждая из трех лопастей которого имеет длину 52 м, ширину 6 м и весит 20 т. Это гигантское сооружение построено под Магдебургом в 2002 году и его мощность составляет 4,5 МВт.

На данный момент самым большим в мире ветряком считается ветрогенератор мощностью 7 МВт и высотой 141 м, расположенный рядом с немецким городом Эмден. Но в ближайшее время в Норвегии планируется запуск ветряка высотой 162 м, который сможет обеспечить электроэнергией около 2000 домов.

Сколько нужно ветрогенераторов для целого города? – ответы на главные вопросы

Адаптация ветрогенератора

Есть понятие адаптационных мероприятий. При внедрении ветроустановки нужно учитывать те климатические условия, которые могут встретиться при эксплуатации ветроустановки, — особенно актуально это для сегодняшнего освоения Арктики. Ведь кроме низкой температуры могут быть и другие сложности для работы, такие как заиндевение лопастей, резкие, порывистые ветра или вечная мерзлота. Строительство на вечной мерзлоте требует специальных технологий. Внедряя адаптационные мероприятия, мы вносим дополнительные затраты в изготовление этого ветроагрегата. Но при этом он будет работать более длительное время в суровых климатических условиях и больше вырабатывать электроэнергию. Хотя можно пойти по другому пути: останавливать работу ветроагрегата в период экстремальных условий и недовырабатывать энергию, а потом снова запускать.

Резкие порывы ветра влияют на характер преобразования ветровой энергии, поскольку ветроколесо в порывах стремится раскрутиться больше или, наоборот, меньше. Происходят колебания напряжения и частоты вращения, и это негативно влияет на качество электроснабжения. Сейчас существуют электротехнические комплексы, которые позволяют компенсировать колебания параметров электрического тока, — так называемые системы полного преобразования электрической энергии. В этом случае первоначальная некачественная энергия инвертируется сначала в постоянный ток, а потом конвертируется снова в переменный с требуемыми параметрами электрической сети. Тем самым ветроустановка не вносит диссонанса в работу энергосистемы.

Электроэнергия ветрогенератора

Ветрогенератор диаметром 6 метров имеет мощность 2 киловатта. В частном доме установленная мощность электрооборудования — 10 киловатт. Но они, как мы понимаем, работают не все одновременно. Есть какой-то график нагрузки энергопотребления. Поэтому для автономного или частного энергоснабжения, например, ветроагрегат мощностью 10 киловатт в условиях среднегодовой скорости ветра порядка 5 метров в секунду может обеспечить частный дом электроэнергией. И конечно, должен быть какой-то аккумулятор энергии, чтобы перераспределять энергию в периоды несовпадения прихода и потребления.

Для сетевого энергоснабжения большой мощности ветрогенераторы всегда устанавливаются совместно и образуют ветропарки. Мощность сетевых ветропарков достигает сотен мегаватт. Этого достаточно, чтобы обеспечить электричеством целый город.

Очевидно, самое главное для работы ветроустановки — наличие ветра. Эффективно использовать энергию ветра там, где его среднегодовая скорость на высоте флюгера превышает 4,5–5 метра в секунду. Конечно, в маловетреных местах устанавливать ветроагрегат нерационально, поскольку он большую часть времени будет простаивать. Другой важный показатель — это диаметр ветроколеса, который характеризует возможную мощность ветрового потока. Ветер со скоростью 10 метров в секунду дает мощность примерно 300 ватт с квадратного метра. Следовательно, если мы хотим иметь 3 киловатта, то диаметр ветроколеса должен быть не менее 20 метров, поскольку используется только половина от всей энергии.

Есть разные принципы работы ветроэлектростанций для производства электроэнергии. Для крупных сетевых ветропарков они, как правило, работают параллельно с сетью и выдают столько энергии, сколько позволяет ветровой поток. Аккумулированием энергии занимается системный оператор. Он заботится о том, чтобы был какой-то резерв мощности, который нужно будет подключать для компенсации недовыработки ветростанции. Если же говорить о работе в автономной энергосистеме, где ветроагрегат является основным генерирующим оборудованием, то, конечно, в ней нужно использовать какие-то системы аккумулирования энергии, для того чтобы в часы недовыработки передавать ее в сеть. Можно использовать электрохимические аккумуляторы. Но могут быть и совсем другие схемы. Для больших объемов аккумулирования — 1000 и более мегаватт в ч

Ветрогенератор энергетически окупается за 5-7 месяцев / Habr

Противники альтернативной энергетики иногда приводят аргумент, что для солнечных панелей никогда не наступает энергетическая окупаемость. Солнечная панель за время своей эксплуатации якобы не способна произвести столько энергии, сколько затрачено на её изготовление.

Мягко говоря, это очень сомнительное утверждение, не подкреплённое фактами. На самом деле производители солнечных панелей задаются немного другим вопросом: как конкурировать за инвестиции с производителями ветровых турбин? Те добились исключительной рентабельности своих энергоустановок, даже не пользуясь дотациями государства.

В школе технического и промышленного машиностроения Орегонского университета провели сравнительный анализ энергетической окупаемости (life cycle assessment) двух моделей ВЭУ мощностью 2 МВт с заявленным сроком службы 20 лет.

Исследователи провели оценку жизненного цикла с использованием стандартного метода оценки ReCiPe 2008. При расчёте срока окупаемости учтены расходы энергии на добычу полезных ископаемых, производство деталей, доставку частей ветрогенератора с разных заводов, установку на месте, обслуживание в течение всего срока (одних только смазочных материалов за 20 лет израсходуется от 273 до 546 тонн, в зависимости от модели) и, в конце концов, его утилизацию с частичной переработкой по окончании срока службы.

Выяснилось, что 78% энергии на всём 20-летнем жизненном цикле ВЭУ расходуется на этапе производства, главным образом, на изготовление деталей из стали, меди, стекловолокна, пластмассы и других материалов. На заливку фундамента тоже расходуются бетон и сталь.

МатериалыВ таблице указаны короткие американские тонны (907 кг)
Учитывая расчётную мощность ветряной энергоустановки в условиях северо-западного побережья США (6,12 ГВтч в год при загруженности 35%), исследователи оценили срок энергетической окупаемости двух моделей ВЭУ в 0,43 года и 0,53 года, соответственно. За это время окупаются затраты не только на производство, но и эксплуатационные расходы на весь 20-летний срок службы.

Авторы научной работы говорят, что все способы электрогенерации используют природные ресурсы. Вопрос только в том, насколько эффективно мы их расходуем и как это воздействует на окружающую среду.

Статья «Comparative life cycle assessment of 2.0 MW wind turbines» опубликована в журнале «International Journal of Sustainable Manufacturing» (том 3, № 2, 2014 г, стр. 170-185), зеркало.

преимущества и недостатки ветряных электростанций

Виды ветряной энергии

Рост потребления энергоресурсов ускоряется с каждым годом. Появление новых устройств, бытовой техники, компьютерного оборудования способствуют повышению потребностей населения и вынуждает к увеличению мощностей централизованных линий. Их состояние, и так достаточно ветхое, от таких нагрузок становится еще более плачевным. Изношенность электросетей в некоторых регионах достигает 70-80 %, что заставляет задуматься о завтрашнем дне.

С другой стороны, имеется немало регионов, куда линии электропередач д сих пор не проведены. Это отдаленные районы Крайнего Севера, труднодоступные горные населенные пункты и т.д. Надеяться на скорую электрификацию таких мест не приходится, так как важных промышленных или оборонных объектов там нет, а вести линию «в никуда» нерационально, она никогда не окупится.

Выходом из складывающейся ситуации может стать использование альтернативных методов производства электроэнергии. Рассмотрим один из наиболее перспективных вариантов.

Воздушный поток

По сути, энергия ветра одна — кинетическая. Воздушный поток обладает огромной мощью, действие которой можно наблюдать на видео или фотографиях последствий ураганов или просто шквальных порывов. Гораздо больше существует устройств, так или иначе использующих ветряную энергию для выполнения какой-нибудь работы, производства электрического тока и прочих нужд. Так, насосы, действующие от ветряка, известны с незапамятных времен, а современные ветроэлектростанции обеспечивают электрической энергией целые страны и регионы.

Особенностью энергии ветра является ее доступность. Для создания гидроэлектростанции необходимо найти подходящий по рельефу участок русла реки, построить запруду, которая затопит большую площадь полезной поверхности земли. Страдают и исчезают пахотные земли, нарушается естественный ареал обитания животных, изменяется климат в регионе.

Для атомной энергетики надо получить ядерное топливо, построить АЭС, все время ее работы существует ощутимый риск возникновения аварии, угрожающей крупной катастрофой. Использование ветра практически безопасно, не имеет отрицательного воздействия на природу или человека.

Противники ветроэнергетики декларируют различные проблемы, создаваемые использованием ВЭС, но фактов, подтверждающих эти проблемы, не привели ни разу. Практика же опровергает все домыслы относительно вреда от ветростанций, подтверждая лишь полезные свойства.

История использования

Начало использования ветра человеком уходит корнями в далекое прошлое. Прежде всего, это мореплавание. Изобретение паруса намного облегчило навигацию и позволило добираться до места назначения гораздо быстрее. В 200 гг до н.э. в Персии уже существовали ветряные мельницы для изготовления муки.

Первая ветроэлектростанция была выстроена в Дании в XIX веке. Место появления первой станции не случайно, так как в Дании издавна использовались ветряные мельницы, а обычных на то время возможностей для производства электричества при помощи гидростанций не было. Западная Европа является одним из лидеров в развитии ветроэнергетики, хотя с ней весьма сильно конкурируют Китай и Индия.

В России ветровые установки не распространены в должной степени, так как обилие рек способствует развитию гидроэнергетики. Учитывая более высокую производительность ГЭС, это вполне оправдано, но в последнее время интерес к энергии ветра проявляется с новой силой.

Ресурсы энергии солнца и ветра на Земле

Альтернативные источники, к которым относятся солнечная и ветровая энергия, обладают огромным потенциалом. Их количество практически неисчерпаемо, во всяком случае при нынешнем уровне технических возможностей. Особенностями этих видов является периодический характер пользования — для солнца характерен перерыв в ночное время, а ветровые потока не имеют определенной системы и движутся хаотично.

Исключением являются прибрежные регионы, где направление потока изменяет только знак — либо с моря на сушу, либо наоборот. В остальном оба источника бесконечны. Ветер не теряет своей энергии даже при использовании больших станций, состоящих из сотни и более установок, что выгодно отличает его от тех же углеводородов, которые сгорают, загрязняя атмосферу и убывают при этом.

Количество солнечной энергии, доступной на поверхности Земли, во многом зависит от климата и состояния атмосферы в регионе. Районы с обычно затянутым тучами небом в этом отношении бесперспективны. То же касается и регионов со слабыми ветрами в отношении ветроэлектростанций. При этом, энергия ветра доступна в любое время дня и ночи, что делает ее позиции несколько более предпочтительными.

Какие преимущества имеет энергия ветра?

Ветер — абсолютно бесплатный источник энергии. Его не надо добывать, производить или приобретать. В этом состоит его основное преимущество, с которым нельзя спорить или опровергнуть. Кроме этого, есть и другие, не менее привлекательные качества:

• экологическая чистота
• доступность в любой точке земного шара
• неиссякаемость
• возможность использования как в промышленных масштабах, так и в индивидуальном порядке
• простота и надежность оборудования, нужного для производства энергии

Возможность самостоятельного изготовления ветряка из подручных материалов на своем садовом участке или в частном доме отличает этот источник от любого другого. Для самостоятельной сборки требуется некоторый опыт и навык работы со слесарным инструментом и хотя бы базовые познания в электротехнике. В настоящее время получить любую необходимую информацию — не проблема, поэтому задача создания своего собственного ветрогенератора многократно упростилась.

Недостатки ветряных электростанций

К основным недостаткам относят нестабильность воздушных потоков. Даже в прибрежных регионах с преобладающими бризами, имеющими относительно ровные параметры, случаются отклонения от обычных значений, а в континентальных регионах, с их особенностями климата, перепадами среднесуточных температур и влажности, движение воздушных масс имеет сложную и зачастую неожиданную систему. Кроме того, к недостаткам ВЭС принято относить:

• шум от работы установок
• мерцание от вращающихся лопастей
• вибрации, отрицательно воздействующие на мелких животных и, отчасти, на людей
• высокие инвестиционные расходы
• относительно короткий срок службы, не всегда обеспечивающий окупаемость проекта
• дороговизна электроэнергии

Некоторые из этих недостатков можно смело отнести к домыслам, например, высокий уровень шума или вибраций. Но относительно дороговизны и неокупаемости проектов — факт, спорить с которым нет смысла. Расходы на создание ветростанций обычно берутся на себя государствами, особенно если рассматривается крупный проект, способный в корне изменить энергообеспеченность страны, либо, если станция невелика, покрываются из частных инвестиций.

Следует отметить, что стоимость относительно небольших проектов на несколько порядков ниже, чем у гигантов энергетики, что намного увеличивает рентабельность вложений и способствует достаточно быстрой окупаемости.

Современные способы производства электричества из энергии ветра

На сегодня самым распространенным способом преобразования энергии потоков ветра является использование ветрогенераторов. Это устройства, преобразующие энергию потока во вращательное движение, передающееся на генератор, который производит электрический ток. С генератора производится заряд аккумуляторной батареи, которая, разряжаясь, через инвертор питает потребителей.

Примечательно, что все разнообразие конструкций и типов ветряков практически никак не сказывается на состоянии электроники — ее состав, начиная с генератора, одинаков для всех видов установок и различается только по мощности.

Все разнообразие конструкций относится лишь к вращающейся крыльчатке. Здесь имеются разные варианты конструкции:

• горизонтальные
• вертикальные

Наименования этих групп означают расположение оси вращения ротора. Горизонтальные конструкции несколько эффективнее, что стало причиной использования их в крупных ветротурбинах. Вертикальные устройства, в свою очередь, более приспособлены к обслуживанию небольших частных хозяйств, домов, линий освещения или водоснабжения.

Возросший интерес к ветроэнергетическим установкам послужил толчком к росту разработок различных вариантов конструкции ветряка. Основным направлением поисков конструкторов является оптимальный вариант крыльчатки, способный вращаться при слабом ветре. Это актуально для условий России, так как преобладающие ветра в нашей стране относятся к слабым и, в меньшей степени, средним.

Помимо роторных установок рассматриваются и другие конструкции. Например, голландские конструкторы разработали ветряк, работающий на каплях воды. Они переносят заряд с одного электрода на другой, повышая его потенциал. Разработка совершенно новая, никаких характеристик в свободном доступе пока не имеется, но интерес к такой конструкции весьма высок.

Как сделать ветряную электростанцию?

Создание ветряной электростанции является сложным и затратным процессом. Необходимо установить большое количество ветряков и объединить их в единую энергосистему с общей производительностью. Это требует больших усилий по техническому, юридическому и финансовому сопровождению проекта, понадобятся тщательные предварительные разведочные работы, отвечающие на все вопросы эксплуатационного характера:

• преобладающая скорость ветра
• климатические условия, возможность ураганных ветров
• состав почв, стабильность, несущая способность
• особенности рельефа местности

Эти показатели дают почву для расчетов эффективности и возможности строительства станции в данном регионе. Использование ветроэлектростанций не создает проблем для сельского хозяйства, площади сокращаются только на размеры основания несущих мачт. Работа установок имеет достаточно плавный характер и не вредит окружающим людям или животным. Для местностей, не имеющих других вариантов, ветроэнергетические установки являются оптимальным выходом из положения.

Рекомендуемые товары