Ветряной генератор для дома: устройство, принцип работы, виды

Нюансы расчета ветрогенератора

Выполнить точные расчеты, учитывающие все факторы, воздействующие на ветровой генератор, довольно сложно. Если человек теоретически слабо подготовлен к таким действиям, ему будет затруднительно определить все данные, для получения которых потребуются специальные измерения и расчеты.

По этой причине многие пользуются упрощенным вариантом, выдающим довольно близкие к реальности результаты. При этом большого количества исходных данных не требуется.

Для расчета ветряного генератора для дома выполняют определенные действия:

определяются в потребности с электричеством, для чего подсчитывается общая мощность всех потребителей;
полученные данные увеличивают на пятнадцать – двадцать процентов, чтобы создать определенный запас;
узнав требуемую мощность, можно определить требуемый тип генератора;
рассчитываются параметры ветрового колеса.

Устройства с лопастями парусной формы

Устройства с лопастями парусного типа на рынке встречаются довольно редко. Изготавливаются ветряные генераторы для дома своими руками, как правило, небольшой мощности. В среднем крутящий момент у них достигает 22 Нм. Для того чтобы собрать модификацию на 15 Вт, потребуется станина, токоприемник и преобразователь. В данном случае шкиф используется из стали.

В первую очередь при сборке устанавливается мачта

Далее к ней важно надежно прикрепить станину. Некоторые модификации собираются с поворотными механизмами

Для увеличения КПД устройства используются статоры различных типов. Хвостовые пластины чаще всего устанавливаются из алюминия. Инвертор для устройства подойдет импульсного типа. Непосредственно преобразователь стандартно используется на 220 В.

Вертикальные генераторы, особенности, плюсы и минусы

Вертикальные ветрогенераторы менее эффективны вследствие наличия останавливающего воздействия потока ветра на обратные стороны лопастей. Этот недостаток практически единственный. Вертикальные конструкции не нуждаются в наведении на ветер, не требуют установки на высокие мачты, доступны для ремонта, обслуживания или самостоятельного изготовления.

Именно вертикальные конструкции обеспечивают такое разнообразие форм и моделей ротора, созданных профессиональными конструкторами и талантливыми любителями. Рассмотрим некоторые варианты конструкции вертикальных роторов:

Ротор Дарье

Отличается конфигурацией лопастей, которые расположены вертикально и по касательной к окружности вращения. Кроме того, форма лопасти имеет строение как у крыла самолета, поэтому при вращении создается подъемная сила, облегчающая движение и способствующая работе со слабыми потоками ветра.

Ветровая турбина Савониуса

Этот вид имеет две лопасти, установленные напротив друг друга. Форма лопастей напоминает желоб, при воздействии ветрового потока на обратную сторону происходит расщепление струи воздуха, которая частично уходит в сторону, а частично соскальзывает с обратной стороны одной лопасти на рабочую часть второй. Ветрогенератор Савониуса является одной из самых старых разработок, но до сих пор вполне успешно используется как в промышленных, так и в самодельных устройствах.

Выбор вертикального ветрогенератора

Для того, чтобы правильно подобрать конструкцию вертикального ветрогенератора, надо учесть размеры ротора, силу ветра в регионе, потребность в определенном количестве электроэнергии, и сопоставить эти величины. Чем больше ротор, тем он тяжелее и тем труднее ему начинать вращение. Способность начинать вращаться при слабых ветрах присуща не каждому виду вертикальных устройств, поэтому следует для больших ветряков использовать наиболее чувствительные конструкции.

Вариантов выбора много, их параметры мало отличаются друг от друга, но некоторая разница присутствует. Если рассматриваемая конструкция не способна обеспечить желаемое количество энергии, следует отказаться от нее и рассмотреть другой вариант.

Законные требования

Чтобы ветровой генератор, установленный на частном доме или прилежащей территории, согласовывался с законодательной базой, он должен отвечать следующему ряду требований:

Мощность не выше 5 кВт. Оборудование с таким показателем относится к бытовым устройствам, не требующим контроля со стороны энергонадзорных учреждений.
Отсутствие муниципально-территориальных и технических ограничений на занимаемой площади. Некоторые частные территории могут находится внутри особо охраняемых, редких природных и иного статуса объектов, внутри которых запрещено размещение тех или иных технических средств.
Согласование с соседями (помехи, шум, падающая тень и т. д.). Все виды помех, которые возникают от установки, могут стать причиной жалобы не только соседей, но и рядом размещенных предприятий, передающих центров.
Высота мачты, отвечающая местным и федеральным требованиям. Высота мачты не превышает обычно 15 метров, но могут быть и исключения. Поэтому прежде чем сооружать высокую конструкцию, нужно убедиться, что она отвечает всем необходимым требованиям – отсутствие ЛЭП, вдали от аэропосадочной линии и т. д.

Ветряк на фасаде частного дома Источник more-el.com

Отсутствие помех для местных и мигрирующих биологических видов. Птицы часто попадают в лопасти энергетических установок. Поэтому выбор места установки мачты с пропеллером должен исключать заранее известные пути их перелета.

Как рассчитать теплопотери дома

Теплопотери дома — это величина, тождественная необходимому количеству энергии, затраченной на нагрев. Иными словами, для того, чтобы узнать мощность источника тепла, надо определить теплопотери. Они рассчитываются по формуле:

Q = S ∙ dT / R

Где Q — величина теплопотерь
S — площадь ограждающих конструкций дома (имеются в виду все конструкции, включая стены, полы, потолки, окна и двери)
dT — разница температуры внутри помещения и снаружи. Например, если внутри +20°, а снаружи — -20°, то dT будет составлять 40°.
R — тепловое сопротивление конструкции, определяется по таблицам СНиП или определяется самостоятельно.

Для расчета теплопотерь надо вычислить по отдельности их значение для стен, потолка и пола, окон и т.д. Сумма полученных значений покажет общие теплопотери дома, определяющие мощность нагревателя. Это означает, что водонагреватели, осуществляющие подготовку теплоносителя, должны иметь суммарную мощность, равную значению теплопотерь.

На практике мощность нагревателей принимается с некоторым запасом, необходимым на случай сильных морозов. Кроме того, со временем нагреватели начинают терять свои качества, поэтому надо заранее предвидеть эту ситуацию и устанавливать более мощные устройства. Потребуется также блок управления, позволяющий регулировать температуру нагрева, чтобы имелась возможность изменять режим отопления соответственно с температурой наружного воздуха.

Ветроэнергетика как потенциальный онкоген

“Синдром ветрогенератора” — это клиническое название симптомов людей, которые живут вблизи ветряных генераторов. Основные симптомы — усталость, бессонница, раздражительность, головные боли, шум в ушах, проблемы с концентрацией. Все эти симптомы могут появляться из-за того, что работа генератора издает низкочастотные шумы, которые не воспринимает наш слух, однако организм наш реагирует.

Данный синдром не признан официально, а некоторые считают его классическим случаем ноцебо-эффекта. Это значит, что реакция организма вызвана не от действий генератора, а от отрицательной информации про него.

Как сделать ветряную электростанцию?

Дороговизна промышленных моделей вынуждает людей, способных пользоваться инструментами и обладающих определенными познаниями, создавать самодельные ветряки. Расходы на такое устройство несравнимы с тратами на заводские модели, а эффект, полученный от самоделок, зачастую превосходит показатели прославленных зарубежных изделий.

Для изготовления станции понадобится:

комплект оборудования — контроллер заряда, инвертор, аккумулятор;
генератор, способный работать на низких скоростях. Чаще всего используется автомобильный или тракторный генераторы, прошедшие некоторую модернизацию;
ветряк — вращающийся ротор, установленный на мачте или основании нужных размеров.

Оборудование для станции может быть собрано самостоятельно или приобретено в готовом виде. Изготовление генератора из готового устройства занимает один день (если иметь представление о том, что надо делать). Ветряк делается из подручных материалов — металлических бочек, листового металла и т.п. Все элементы конструкции собираются воедино, система запускается, производится оценка ее характеристик и, если надо, вносятся необходимые изменения. Ветряк, собранный своими руками, ремонтируется совершенно без проблем, так как вся его конструкция известна мастеру, что называется, до последнего винтика.

Какой преобразователь напряжения купить: производители и цены

Рынок инверторов довольно насыщен. Можно выбрать устройство под любые задачи и цели. На отечественном рынке популярностью пользуются как российские, так и зарубежные аналоги.

Рассмотрим стоимость инверторов от разных производителей:

Швейцария. «Xtender XTH/XTM/XTS». Цена: от 75 000 до 90 000 рублей.
Германия. «Sunny Island 5048». Цена: 240 000 рублей.
Германия. «Schnieder Electric Conext серии XW+». Цена от 240 000 до 500 000 рублей.
Китай. «Prosolar PV Hybrid». Цена от 80 000 рублей.
Россия. «МАП «Энергия» SIN». Цена от 35 000 рублей.

Стоимость инвертора зависит от его типа, мощности, а также систем защиты и страны производителя

Если вы хотите получать зеленую энергию без сбоев и поломок оборудования — обязательно уделите должное внимание выбору инвертора. Он способен не только защитить приборы от нестабильной работы сети, но и выступить в качестве АКБ

Внимательно рассчитывайте потребление приборов, а также пиковую нагрузку потребления. Отдавайте предпочтение моделям с модифицированной синусойдой. Так вы обезопасите все электрические приборы у себя в доме.

Виды ветряков

Основное отличие ветряных генераторов между собой — исполнение воздушной турбины, которая может иметь различную конструкцию. Обычно полная совокупность агрегатов по ориентации вала вращения турбины делят на две основные разновидности: вертикальные и горизонтальные.

Вертикальные

Отличительная особенность и главное преимущество вертикального агрегата ветряного генератора — отсутствие жестких требований к высоте его установки, что заметно упрощает выбор места установки, процесс монтажа, последующее обслуживание механически подвижных частей. Воздушная турбина относится к тихоходной разновидности этой техники, может быть исполнена как

простейший классический ротор с минимумом тремя вертикально ориентированными лопастями (пример такого устройства представлен на рисунке 2);
двухрядный ротор, наличие внутреннего ряа регулируемых лопастей обеспечивает ему повышенный КПД)
ротор Дарье;
ротор Савониуса;
геликоидный ротор.

Более сложная форма трех последних типов турбин обеспечивает им меньшую материалоемкость.

Рисунок 2. Роторная воздушная турбина вертикального ветрогенератора

Отличается минимумом подвижных частей, КПД установки мало зависит от направления ветра.

Горизонтальные

Ветрогенераторы с горизонтальной ориентацией вала турбины приводятся во вращение пропеллером. Пропеллер может быть двух-, трех и многолопастным. Лопастям некоторых пропеллеров иногда придают довольно сложную форму для некоторого увеличения эффективности функционирования установки. Пример такого агрегата показан на рисунке 3.

Рис. 3. Горизонтальный многолопастной ветрогенератор

За счет большого диаметра винта обычно монтируются на стальной трубчатой или решетчатой мачте на высоте вплоть до нескольких десятков метров. Примеры таких мачт показаны на рисунке 4 и рисунке 5. Оборотной стороной увеличения высоты установки становится снижение турбулентности воздушного потока из-за ослабевания влияния земли, т.е. увеличение КПД и генерируемой мощности. С учетом этой особенности не рекомендуется использовать ветряки этой конструкции для коттеджных поселков из-за сильного экранирующего действия соседних строений.

Рисунок 4. Мачта ферменной конструкции для установки горизонтального ветрогенератора

Рис. 5. Крепежный узел для мачты трубчатой конструкции

Для создания баланса по крутящему моменту генератор закрывают обтекателем вала таким образом, чтобы он выполнял функции противовеса винта. Дополнительно удлиненная конструкция корпуса облегчает его ориентацию “по потоку”.

По сравнению с вертикальным устройством позволяет снять большую мощность. Платой за это становится трудности с выбором места установки, сложность монтажа, текущего обслуживания, а также неприятные акустические шумы при работе. Кроме того, из-за большой высоты конструкции горизонтальные ветряные генераторы обязательно требуют молниезащиты.

Электрическая схема

Рассмотрим подробнее электрическую схему. Понятно, что ветер может в любую минуту прекратиться. Поэтому ветрогенераторы не подключают напрямую к бытовым приборам, а вначале заряжают от них аккумуляторные батареи, для обеспечения сохранности которых, применяется контроллер заряда. Далее, учитывая то, что АКБ дают постоянный ток малого напряжения, в то время как практически все бытовые приборы потребляют переменный ток напряжением 220 вольт, устанавливается преобразователь напряжения или, как его ещё называют, инвертор и только потом подключают всех потребителей.

Для того чтобы ветрогенератор обеспечивал работу персонального компьютера, телевизора, сигнализации и нескольких энергосберегающих ламп достаточно установить аккумулятор ёмкостью 75 ампер/час, преобразователь напряжения (инвертор) мощностью 1,0 кВт, плюс генератор соответствующей мощности. А что ещё нужно, когда отдыхаешь на даче?

Типы ветрогенераторов

По мощности и области применения ветрогенераторы бывают

промышленные (мощность от 500 КВт);
бытовые (мощность 0-10 КВт).

Устройства с мощностью от 10 до 500 КВт используются крайне редко.

По конструкции бытовые типы ветряков отличаются конструкцией ротора (турбины)

С горизонтальной осью. Отличаются системой управления турбины (ротора), она может быть:
- аэромеханической (на лопастях установлены специальный «закрилышки», которые меняю угол направления ветра: чем больше скорость ветра, тем больше угол атаки лопастей и наоборот). Меняя угол атаки, мы можем управлять турбиной как на малых, так и на больших скоростях для эффективной и правильной работы устройства.
с азимутальным приводом (электроника фиксирует скорость и направление ветра, поворачивает или отворачивает турбину от ветра, если скорость ветра превышает номинальную).
С вертикальной осью – это малоэффективные устройства, которые не рекомендовано использовать из-за ряда недостатков. Они отличаются типом турбин:
- ротор Савониуса (Savonius).Их недостатком является коэффициент опережения. Если скорость ветра 10 м/с, то законцовка турбины будет вращаться со скоростью 100 м/с, соответственно, коэффициент опережения – 10. Фактически ветряк не может самостоятельно стартовать, его нужно раскручивать и только после этого он начинает работать. Если этого не делать, то он начет вырабатывать энергию только при скорости ветра 10 м/с и больше.
ротор Дарье (Darrieus). Применяются разве что как анемоскопы, так как малоэффективные.

Сейчас широкое применение получили ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения (крыльчатые), благодаря тому, что у них коэффициент использования энергии ветрового потока (КИЭВ) легко достигает 30% и больше, а у ветрогенераторов с вертикальной осью вращения КИЭВ составляет около 20%.

Система бытового энергоснабжения с использованием ветрогенератора похожа на систему с солнечными модулями, в одной системе могут использоваться как ветрогенераторы, так и солнечные модули.

От высоты мачты и диаметра ротора зависит количество выработанной энергии следующим образом: на каждые 10 метров подъёма ветряка добавляется 1 м/с скорости ветра. Чем выше мачта, тем больше вероятность того, что он будет работать максимально эффективно. И та же ситуация с ротором: чем больше диаметр, тем больше выработка энергии.

Значения силы ветрового потока для работы ветряка

Скорость ветра для начала вращения лопастей, при котором мощности нет вообще – от 1,5 м/с.
Минимальная скорость ветра при которой уже начинается генерация мощности – 3 м/с.
Номинальная скорость ветра (для ветрогенераторов украинского производства) – 7-9 м/с.
Максимальная скорость ветра, при которой ветрогенератор украинского производства сохраняет свою работоспособность– 52 м/с (200 км/час), что свидетельствует о высоком качестве сборки установки и прочности материалов изготовления.

Нюансы применения ветрогенераторов

В настоящее время ветряные турбины используются в различных сферах народного хозяйства. Промышленные модели разной мощности применяются нефтегазовыми, телекоммуникационными компаниями, буровыми и геолого-разведочными станциями, производственными объектами и государственными учреждениями.

Ветряк может использоваться в качестве дополнительного источника энергии в больницах и других учреждениях, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии в аварийных ситуациях

Особо следует отметить важность применения ветряных установок для оперативного восстановления нарушенного электричества при катаклизмах и стихийных бедствиях. С этой целью ветрогенераторы часто применяются подразделениями МЧС

Бытовые ветротурбины прекрасно подходят для организации освещения и отопления коттеджных поселков и частных домов, а также для хозяйственных целей на фермах.

При этом следует учесть некоторые моменты:

Устройства до 1 кВт могут дать достаточное количество электроэнергии лишь в ветряных местах. Обычно выработанной ими энергии хватает лишь на светодиодное освещение и питание мелких электронных приборов.
Чтобы полностью обеспечить электричеством дачу (загородный домик) понадобится ветряной генератор мощностью свыше 1 кВт. Такого показателя достаточно для питания осветительных приборов, а также компьютера и телевизора, однако его мощности недостаточно, чтобы снабдить электричеством круглосуточно работающий современный холодильник.
Для обеспечения энергией коттеджа понадобится ветряк мощностью 3-5 кВт, однако даже такого показателя не хватит для отопления домов. Чтобы воспользоваться подобной функцией необходим мощный вариант, начиная от 10 кВт.

При выборе модели следует учесть, что показатель мощности, указанный на устройстве, достигается лишь при максимальной скорости ветра. Так, установка в 300В будет вырабатывать указанное количество энергии лишь при скорости потоков воздуха в 10-12 м/с.

Желающим соорудить ветрогенератор собственными руками мы предлагаем следующую статью, в которой детально изложена полезная информация.

Частные ветряные электростанции

Для России наиболее актуальным вопросом является распространение именно небольших станций, обеспечивающих один дом или усадьбу. Строительство крупных ВЭС в климатических условиях нашей страны нецелесообразно и нерентабельно. Самая большая ценность ветрогенераторов кроется в создании возможности обеспечить энергией отсталые или отдаленные населенные пункты, где нет сетевого подключения.

Для таких районов применение небольших частных станций является оптимальным способом решения вопроса, так как работа ветряка не требует обеспечения топливом, устройство несложно и свободно поддается ремонту. Обеспечить такие регионы дополнительным оборудованием намного проще и дешевле, чем выделять большие средства на проведение линии электропередач, особенно, если речь идет о гористой местности. Небольшие ветряки способны вырабатывать достаточное количество энергии, не нуждаясь в расходах на содержание или топливо, что делает их весьма перспективными и привлекательными вариантами решения проблемы.

Плюсы и минусы

Основное преимущество ветряных электростанций – это их автономность.

Главные технические минусы оборудования этой разновидности – зависимость от погоды (кроме силы ветра влияет также снег и дождь) и сравнительно небольшая мощность, значение которой в среднем не превышает нескольких сотен Ватт. Требуют обязательного применения промежуточной буферной аккумуляторной батареи, которая требует замены через несколько лет службы.

При сравнении с дизель-генераторами уступают им по продолжительности работы, но зато не требуют подвоза топлива и выполнения сложных и дорогостоящих мероприятий по пожарной безопасности его хранения.

Солнечные батареи, которые в средних широтах реально работают максимум пять месяцев, заметно превосходит тем, что функционируют круглый год.

При существующих тарифах на электроэнергию не дают существенного выигрыша по приведенным затратам, однако не оказываются убыточными.

Изготовители ветровых электростанций большое значение уделяют их внешнему оформлению. Так что наличие этого агрегата на загородном участке не только свидетельствует о “технической продвинутости” его обладателя, но и может стать важным элементом дизайна и наглядной демонстрации заботы об окружающей среде.

О эстетических параметрах можно судить по рисунку 6.

Заключение.

Ветровые электростанции могут считаться полноценным альтернативным источником электрической энергии. С учетом типовых климатических условий большинства местностей нашей страны малые ветрогенераторы имеет смысл комбинировать в единую систему с солнечной батареей и дизельным генератором. В этом случае они вполне могут стать эффективным автономным вспомогательным средством выработки электроэнергии на даче или в загородном доме.

Кому это выгодно?

Видов ветряных генераторов очень много, а подвидов тем более. То, какое устройство следует установить на том или ином участке, зависит от следующих факторов:

скорость ветров на местности
назначение устройства
предполагаемая сумма затрат

Перед непосредственной установкой ветряка нужно несколько раз обдумать: окупятся ли затраты. Для начала следует определить скорость и направление ветра на предполагаемой для установки местности.

Получить эту информацию можно двумя способами: измерить самостоятельно или обратиться в местную метеослужбу. Для первого варианта потребуется портативная станция, которую можно взять в аренду или приобрести.

Плюс самостоятельных замеров в их точности, однако, на полноценное исследование потребуется не менее одного года. Данные, полученные в метеослужбе будут иметь приблизительные значения, но не потребуют затрат на оборудование и времени на дополнительные расчеты.

При значениях около 4-5 м/с вырабатываемая генератором средней мощности энергия будет равна 250 кВт-часов в месяц. Этого достаточно, чтобы обеспечить электричеством дом на 3-4 человек с отоплением и горячей водой. За год ветряк может вырабатывать до 3 тыс. кВт-часов. Стоимость установки такого ветрогенератора равняется примерно 180 тыс. рублей.

Создание собственной установки обходится в разы дешевле. При этом стоит учесть постоянный рост тарифов на электроэнергию. Таким образом, ветрогенератор может стать хорошим альтернативным источником электроэнергии.

Подключение установки к потребителю

Подключение ветрогенератора связано с необходимостью преобразования энергии, перед подачей потребителю.

Выработанная электроэнергия подаётся на контроллер.
Контроллер изменяет характеристики напряжения и подаёт его на аккумулятор.
Аккумулятор заряжается и накапливает энергию.
Контролер забирает часть энергии и подаёт её на инвертор.
Инвертор, преобразует постоянное напряжение в переменное и подаёт в сеть электропитания объекта.

Перед тем как купить ветрогенератор или решиться изготовить ветряную электростанцию самостоятельно необходимо оценить условия эксплуатации установки.

Выбор мощности ветрогенератора

Можно предположить, что домашние ветрогенераторы должны обладать наиболее высокой мощностью

Важно помнить, что чем выше потенциальная мощность, тем выше цена ветрогенератора, всего проекта. Инвестиции в профессиональную крупную ветряную электростанцию мощностью 20 кВт связаны с большими расходами

Поэтому большинство инвесторов решают установить модели более слабой производительности.

Пользуются популярностью следующие ветряные электростанции для дома:

Мощность, Вт	Характеристики	Область применения ветрогенератора
500	дешевое предложение; довольно маленькие; тихие; мобильные.	питание прудовых насосов; автоматических ворот; радиоприемников.
1000	Не самое дорогое предложение	нагрев воды; освещение частного дома (с использованием энергосберегающих светильников); питание основных бытовых приборов.
2000	Подходят для дачи, хорошо изолированных, небольших односемейных частных домов	питают основные бытовые приборы; домашнее освещение; водяное отопление.
3000	Решение для энергосберегающих домов.	мелкие бытовые приборы; освещение; подогрев воды.
5000	Достаточно для нужд одного дома, в котором проживает семья из нескольких человек. Лишнее электричество можно сбросить в сеть общего пользования.	питание бытовой техники; нагрев воды; поддержка центральной отопительной установки.
10000	Редко используются в домашних хозяйствах из-за высокой стоимости установки. Избыточная энергия может быть передана в общественную сеть.	Удовлетворит все потребности домашних пользователей одной семьи

Система торможения

Система торможения предотвращает механическое разрушение агрегата при слишком высокой скорости ветра. Суть этой системы заключается в том, что автоматика производит замыкание электрических цепей магнитной системы генератора, что приводит к появлению мощного тормозящего усилия.

Дополнительно алгоритм функционирования системы управления предусматривает полный останов воздушной турбины при ветрах ураганной силы. Порог останова может регулироваться пользователем, типовые заводские настройки этого параметра предполагают включение режима останова при скорости 80 км/час.