Расчет мощности ветрогенератора

Содержание

Ветрогенератор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 19 октября 2017; проверки требуют 13 правок. Работа ветрогенератора Промышленные ветрогенераторы в Северном море Ветер раскручивает ротор. Выработанное электричество подаётся через контроллер на аккумуляторы. Инвертор преобразует напряжение на контактах аккумулятора в пригодное для использования

Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или сокращенно ВЭУ) — устройство для преобразования кинетической энергии ветрового потока в механическую энергию вращения ротора с последующим её преобразованием в электрическую энергию.

Ветрогенераторы можно разделить на три категории: промышленные, коммерческие и бытовые (для частного использования).

Промышленные устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветровая электростанция. Её основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) — полное отсутствие, как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС — высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 8 МВт.

Мощность ветрогенератора зависит от мощности воздушного потока ( N {\displaystyle N} ), определяемой скоростью ветра и ометаемой площадью N = p S V 3 / 2 {\displaystyle N=pSV^{3}/2} ,

где: V {\displaystyle V} — скорость ветра, p {\displaystyle p} — плотность воздуха, S {\displaystyle S} — ометаемая площадь.

Типы ветрогенераторов

Существуют классификации ветрогенераторов по количеству лопастей, по материалам, из которых они выполнены, по оси вращения и по шагу винта.

Существуют два основных типа ветротурбин:

  • с вертикальной осью вращения («карусельные» — роторные (в том числе «ротор Савониуса»), «лопастные» ортогональные — ротор Дарье);
  • с горизонтальной осью круглого вращения (крыльчатые). Они бывают быстроходными с малым числом лопастей и тихоходными многолопастными, с КПД до 40%.

Также существуют барабанные и роторные ветротурбины.

Ветрогенераторы, как правило, используют три лопасти для достижения компромисса между величиной крутящего момента (возрастает с ростом числа лопастей) и скоростью вращения (понижается с ростом числа лопастей).

Преимущества и недостатки разных типов ВЭУ

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса (КИЭВ) горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен, 0.593. Это объясняется тем, что роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0.4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4-0.45 — вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

Устройство

ВЭУ состоит из:

  1. ветротурбины, установленной на мачте с растяжками и раскручиваемой ротором либо лопастями;
  2. электрогенератора;

полученная электроэнергия поступает в:

  • Контроллер заряда аккумуляторов, подключенный к
    • аккумуляторам (обычно необслуживаемые на 24 В)
  • Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети

Промышленная ветровая установка Устройство ветрогенератора

Состоит из:

  1. Фундамент
  2. Силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления
  3. Башня
  4. Лестница
  5. Поворотный механизм
  6. Гондола
  7. Электрический генератор
  8. Система слежения за направлением и скоростью ветра (анемометр)
  9. Тормозная система
  10. Трансмиссия
  11. Лопасти
  12. Система изменения угла атаки лопасти
  13. Обтекатель
  • Система пожаротушения
  • Телекоммуникационная система для передачи данных о работе ветрогенератора
  • Система молниезащиты
  • Привод питча

Маломощная модель ветряного генератора

Состоит из:

  1. Небольшой электродвигатель постоянного тока (3-12 В) (используемый как генератор)
  2. Кремниевый выпрямительный диод
  3. Электролитический конденсатор (1000 мкФ 6 В)

Проблемы эксплуатации промышленных ветрогенераторов

Внутри башни 11 × E-126 бельгийской ВЭС Estinnes в июле 2010, за месяц до завершения строительства станции 11 × E-126 (11 × 7,5 МВт) бельгийской ВЭС Estinnes 10 октября 2010 года.

В этом разделе не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена.
Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники.
Эта отметка установлена 3 апреля 2016 года.

Промышленный ветрогенератор строится на подготовленной площадке за 7-10 дней. Получение разрешений регулирующих органов на строительство ветровой фермы может занимать год и более. Кроме того, для обоснования строительства ветроустановки или ветропарка необходимо проведение длительных (не менее года) исследований ветра в районе строительства. Эти мероприятия значительно увеличивают срок реализации ветроэнергетических проектов.

Для строительства необходимы дорога до строительной площадки, место для размещения узлов при монтаже, тяжёлая подъёмная техника с выносом стрелы более 50 метров, так как гондолы устанавливаются на высоте около 50 метров.

В ходе эксплуатации промышленных ветрогенераторов возникают различные проблемы:

  • Неправильное устройство фундамента. Если фундамент башни неправильно рассчитан, или неправильно устроен дренаж фундамента, башня от сильного порыва ветра может упасть.
  • Обледенение лопастей и других частей генератора. Обледенение способно увеличить массу лопастей и снизить эффективность работы ветрогенератора. Для эксплуатации в арктических областях части ветрогенератора должны быть изготовлены из специальных морозостойких материалов. Жидкости, используемые в генераторе, не должны замерзать. Может замёрзнуть оборудование, замеряющее скорость ветра. В этом случае эффективность ветрогенератора может серьёзно снизиться. Из-за обледенения приборы могут показывать низкую скорость ветра, и ротор останется неподвижным.
  • Отключение/поломка тормозной системы. При этом лопасть набирает слишком большую скорость и, как следствие, ломается.
  • Отключение. При резких колебаниях скорости ветра срабатывает электрическая защита аппаратов, входящих в состав системы, что снижает эффективность системы в целом. Так же для больших ветростанций большая вероятность срабатывания защиты на отходящих ЛЭП.
  • Нестабильность работы генератора. Из-за того, что в большинстве промышленных ветрогенерирующих установках стоят асинхронные генераторы, стабильная работа их зависит от постоянства напряжения в ЛЭП.
  • Пожары. Пожар может возникнуть из-за трения вращающихся частей внутри гондолы, утечки масла из гидравлических систем, обрыва кабелей и т. д. Пожары ветрогенераторов редки, но их трудно тушить из-за отдалённости ветровых электростанций и большой высоты, на которой происходит пожар. На современных ветрогенераторах устанавливаются системы пожаротушения.
  • Удары молний. Удары молний могут привести к пожару. На современных ветрогенераторах устанавливаются молниеотводящие системы.
  • Шум и вибрация.

Перспективные разработки

Норвежская компания StatoilHydro и немецкий концерн Siemens AG разработали плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне 2009 года. Турбина под названием Hywind, разработанная Siemens Renewable Energy, весит 5 300 тонн при высоте 65 метров. Располагается она в 10 километрах от острова Кармой, неподалеку от юго-западного берега Норвегии. Компания планирует в будущем довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 метров. Аналогичные разработки ведутся в США.

Компания Magenn разработала специальный аппарат с установленным на нём ветрогенератором, который сам поднимается на высоту 120—300 метров. Нет необходимости строить башню и занимать землю. Аппарат работает в диапазоне скоростей ветра от 1 м/с до 28 м/с. Аппарат может перемещаться в ветряные регионы или быстро устанавливаться в местах катастроф.

Компания Windrotor предлагает конструкцию ротора мощной турбины, позволяющую значительно увеличить его размеры и коэффициент использования энергии ветра. Предполагается, что эта конструкция станет новым поколением роторов ветровых турбин.

В мае 2009 года в Германии компанией Advanced Tower Systems (ATS) был запущен в эксплуатацию первый ветрогенератор, установленный на гибридной башне. Нижняя часть башни высотой 76,5 метров построена из железобетона. Верхняя часть высотой 55 метров построена из стали. Общая высота ветрогенератора (вместе с лопастями) составляет 180 метров. Увеличение высоты башни позволит увеличить выработку электроэнерии до 20 %.

В конце 2010 года испанские компании Gamesa, Iberdrola, Acciona Alstom Wind, Técnicas Reunidas, Ingeteam, Ingeciber, Imatia, Tecnitest Ingenieros и DIgSILENT Ibérica создали группу для совместной разработки ветрогенератора мощностью 15,0 МВт.

Евросоюз создал исследовательский проект UpWind для разработки офшорного ветрогенератора мощностью 20 МВт.

В 2013 году японская компания Mitsui Ocean Development & Engineering Company разработала гибридную установку: на единой плавающей в воде оси установлена ветровая турбина и турбина, работающая от приливной энергии.

Крупнейшие производители

Таблица 10 крупнейших производителей промышленных ветрогенераторов в 2010 году, МВт:

Название Страна Объём производства, МВт.
1 Vestas Дания Дания 5 842
2 Sinovel КНР КНР 4 386
3 GE Energy США США 3 796
4 Goldwind КНР КНР 3 740
5 Enercon Германия Германия 2 846
6 Suzlon Energy Индия Индия 2 736
7 Dongfang Electric КНР КНР 2 624
8 Gamesa Испания Испания 2 587
9 Siemens Wind Германия Германия 2 325
10 United Power КНР КНР 1 600

В 2014 году суммарные мощности производителей турбин достигли 71 ГВт.

Цены

Компания Bloomberg New Energy Finance производит расчёт ценового индекса ветрогенераторов (Wind Turbine Price Index). С 2008 года до 2010 года средние цены на ветрогенераторы снизились на 15 %. В 2008 году средняя цена ветрогенератора составляла 1,22 млн евро за 1 МВт мощности.

В августе 2010 года средняя цена одного МВт ветрогенератора составляла 1,04 млн евро.

Малые ветрогенераторы

Три типа ветрогенераторов в действии Малый роторный ветрогенератор на крыше здания Парусный ветрогенератор

К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.

Строение малой ветровой установки

  1. Ротор; лопасти; ветротурбина; хвост, ориентирующий ротор против ветра
  2. Генератор
  3. Мачта с растяжками
  4. Контроллер заряда аккумуляторов
  5. Аккумуляторы (обычно необслуживаемые на 24 В)
  6. Инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц), подключенный к электросети

Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети.

Некоторые современные бытовые ИБП имеют модуль подключения источника постоянного тока специально для работы с солнечными батареями или ветрогенераторами. Таким образом, ветрогенератор может быть частью домашней системы электропитания, снижая потребление энергии от электросети.

Плюсы и минусы эксплуатации

В настоящее время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительную величину у основной массы производств на фоне других затрат. Ключевым для потребителя остаётся надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии для использования в промышленности, получаемой от ветрогенераторов, являются:

  • необходимость получения электроэнергии промышленного качества ~ 220 В 50 Гц (применяется инвертор, ранее для этой цели применялся умформер)
  • необходимость автономной работы в течение некоторого времени (применяются аккумуляторы);
  • необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (применяется дизель-генератор);

Считается, что применение малых автономных ветрогенераторов в быту малоцелесообразно из-за:

  • высокой стоимости аккумуляторных батарей: ~ 25 % стоимости установки (используется в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети);
  • достаточно высокой стоимости инвертора (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в переменное напряжение стандарта бытовой электросети (220 В, 50 Гц).
  • нередкой необходимости добавлять к нему дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

Однако, при наличии общей электросети и современного ИБП с двойным преобразованием эти факторы становятся неактуальными, также часто такие ИБП предусматривают возможность дополнения различными нестабильными источниками постоянного тока, такими как ветрогенератор или солнечная батарея.

Наиболее экономически целесообразным в настоящее время является получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:

  • Отопление является основным энергопотребителем любого дома.
  • Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
  • Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
  • В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
  • Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности, температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широком диапазоне: 19-25 °С; в бойлерах горячего водоснабжения: 40-97 °С, без ущерба для потребителей.

Развитие

Строительство Фундамента для ветрогенератора Монтаж ветрогенератора

Индустрия домашних ветрогенераторов активно развивается, и за вполне умеренные деньги уже сейчас можно приобрести ветровую установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому. Обычно для обеспечения электроэнергией небольшого дома вполне достаточно установки номинальной мощностью 1 кВт при скорости ветра 8 м/с. Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором, а ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами (например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. При этом одно другому не мешает — источники будут дополнять друг друга).

Наиболее перспективными регионами для развития малой ветроэнергетики считаются регионы со стоимостью электроэнергии более $0,1 за кВт·ч. Себестоимость электроэнергии, производимой малыми ветрогенераторами в 2006 г. в США составляла $0,10-$0,11 за кВт·ч.

Американская ассоциация ветровой энергетики (AWEA) ожидает, что в ближайшие 5 лет себестоимость снизится до $0,07 за кВт·ч. По данным AWEA, в США в 2006 г. было продано 6807 малых ветровых турбин. Их суммарная мощность 17 543 кВт. Их суммарная стоимость $56 082 850 (примерно $3200 за кВт мощности). В остальном мире в 2006 г. были проданы 9502 малых турбины (без учёта США), их суммарная мощность 19 483 кВт.

Департамент Энергетики США (DoE) в конце 2007 года объявил о готовности финансирования особо малых (до 5 кВт) ветрогенераторов персонального использования.

AWEA прогнозирует, что к 2020 году суммарная мощность малой ветровой энергетики США вырастет до 50 тыс. МВт, что составит около 3 % от суммарных мощностей страны. Ветровые турбины будут установлены в 15 млн домах и на 1 млн малых предприятий. В отрасли малой ветроэнергетики будут заняты 10 тыс. человек. Они ежегодно будут производить продукции и услуг на сумму более чем $1 млрд.

В России тенденция установки ветрогенераторов для оснащения домов электричеством только зарождается. На рынке присутствуют буквально несколько производителей маломощных бытовых ветрогенераторов именно для домашнего использования. Цены на ветрогенераторы мощностью 1 кВт с полной комплектацией начинаются от 35-40 тыс. рублей (на 2012 год). Сертификация на установку данного оборудования не требуется.

Информация в этой статье или некоторых её разделах устарела. Вы можете помочь проекту, обновив её и убрав после этого данный шаблон.

См. также

  • Ветроэнергетика
  • Ветровая электростанция
  • Закон Беца

Примечания

  1. ↑ Виды ветрогенераторов. Проверено 5 февраля 2013. Архивировано 11 февраля 2013 года.
  2. ↑ 1 2 Билимович Б. Ф. Законы механики в технике. — М.: Просвещение, 1975. — Тираж 80000 экз. — С. 173.
  3. ↑ Почему у ветрогенераторов три лопасти, а не две или четыре? // Популярная механика. — 2018. — № 5. — С. 16.
  4. ↑ Что лучше — вертикальный или горизонтальный ветрогенератор? Преимущества и недостатки. КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА.
  5. ↑ Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 131 — ISBN 5-477-00749-4.
  6. ↑ В Норвегии запустят плавучую прибрежную ветровую турбину
  7. ↑ 1 2 Jorn Madslien. Floating wind turbine launched, BBC NEWS, London: BBC, стр. 5 June 2009. Проверено 10 января 2019.
  8. ↑ New Tower Reaches High to Catch the Wind
  9. ↑ Spanish Companies Plan a 15-MW Wind Turbine December 1, 2010
  10. ↑ http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/07/wind-turbine-blades-push-size-limits?cmpid=rss Chris Webb Wind Turbine Blades Push Size Limits, 10.07.2012
  11. ↑ Hybrid Wind-Tidal Turbine To Be Installed off Japanese Coast Июль 12, 2013
  12. ↑ Tildy Bayar. World Wind Market: Record Installations, But Growth Rates Still Falling (англ.). renewableenergyworld.com (4 August 2011). — 10 крупнейших поставщиков 2010 года по данным компании. Проверено 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.
  13. ↑ http://www.windtech-international.com/industry-news/news/industry-news/global-wind-turbine-manufacturing-capacity-has-far-surpassed-demand Global wind turbine manufacturing capacity has far surpassed demand Published: 11 December 2014
  14. ↑ Stephen Lacey. Wind Turbine Prices Remain Low (англ.). renewableenergyworld.com (4 August 2010). — По данным компании, цены ветряных турбин снизилась на 15% за последние два года. Проверено 28 мая 2013. Архивировано 28 мая 2013 года.

Литература

  • Валерий Чумаков. Токи ветров (рус.) // Вокруг света : журнал. — 2008. — Август (№ 8 (2815)). — С. 98-106. — ISSN 0321-0669.
  • Ветростанция в высотном здании // «Популярная механика»
  • Ю.В. Кожухов, А.А. Лебедев, А.М. Данилишин, Э.В. Давлетгареев. Аудит характеристик ветрогенераторов с применением CFD-моделирования на суперкомпьютере (рус.) // CAD/CAM/CAE Observer : журнал. — 2016. — № 7 (107). — С. 81-87.

Ссылки

Ветрогенератор на Викискладе
  • Журнал «Академия Энергетики»
  • Программы ЕС и США по развитию ветроэнергетики

Мифы о ветрогенераторах и насколько ветряные электростанции выгодны и экологичны

Вопрос сохранения экологии становится все более актуальным с каждым годом. Одним из самых важных его факторов является поиск альтернативных источников энергии, к которым относится и ветряная электроэнергия. Многие форумы, посвященные экологии, переполнены информацией о том, что ветроэлектростанции — это один из самых эффективных и экологичных источников энергии. Действительно ли ветрогенераторы помогают сохранить экологию и правда ли то, что они быстро окупаемые? Чтобы разобраться с этими вопросами я решил обратиться к авторитетным источникам.

Действительно ли ветряная электроэнергия является экологически чистой?

Безусловно, сами по себе ветровые электростанции не загрязняют окружающую среду, но только в тех местах, где они установлены. Срок службы промышленного ветрогенератора средней мощности — 2 МВт составляет 20 лет. Исследователи Орегонского университета, проведя оценку окупаемости ветровой установки, вычислили, что одних только смазочных материалов для обслуживания ветрогенератора за этот период необходимо от 273 до 546 тонн, в зависимости от модели. Эти данные были опубликованы в журнале «International Journal of Sustainable Manufacturing»

Согласно результатам, полученным американскими экспертами, около 78% электроэнергии, вырабатываемой средним ветрогенератором за 20-летний цикл тратится при его производстве: изготовление деталей из металла, пластмассы и других материалов, а также установке, для которой необходим цемент и металл. В цикле производственных процессов в атмосферу осуществляется большое количество выбросов CO2.Стоит учитывать и дополнительные факторы такие, как транспортная доставка и установка с помощью кранов (ветряки устанавливаются на высоте от 7-10 метров для большего воздействия ветра), что тоже предполагает дополнительные выбросы углекислого газа в атмосферу.

Как правило, в течении всего срока службы ветрогенератор как минимум 2-3 раза будет нуждаться в капитальном ремонте, стоимость которого может достигать себестоимости всей установки. Для ее обслуживания также необходимы аккумуляторы емкостью 150-200 Ач.

Большинство из них являются литий-ионными, а добывание лития — процесс предполагающий большие выбросы CO2 в атмосферу. Через каждые 4-5 лет аккумуляторы нужно будет менять, а изношенные батареи — необходимо будет утилизировать, что несет определенный вред для экологии.

Что выгоднее — производить киловатты из ветра или традиционно покупать у государства?

Для обслуживания частного дома нужен источник электроэнергии мощностью 2-3 кВт. Исходя из того, что ветроустановка в среднем будет работать на 35% рассчитанной мощности (слабый ветер или его временное отсутствие), то для бесперебойного энергообеспечения дома необходим будет генератор мощностью 5-6 кВт. Средняя стоимость одной такой модели вместе со всей системой (аккумуляторы, инверторы и т.д.) на рынке достигает 15 тыс. долларов США, плюс за 20 лет 2-3 раза нужно будет сделать ремонт и замену батарей — это еще около 10 тыс. долларов — итого имеем 25 тыс. долларов (643 тысячи гривен).

Если покупать электроэнергию у государства при ее сегодняшней стоимости 1,68 грн за 1 кВт*час, при среднем показателе энергопотребления 1,5 кВт в час, то мы получаем:

1,5 кВт х 24 (часа) х 365 (дней) х 20 (лет) = 262 800 кВт — употребленных за 20 лет;

За 20 лет при сегодняшнем тарифе, мы потратим:

262 800 кВт х 1,68 грн = 441 504 грн = 17 182 доллара США

Выходит что, при условии сохранения сегодняшних тарифов, за 20 лет пользование ветрогенератором будет даже на 201 496 гривен более затратным, чем если просто платить за электричество государству.

Можно предположить, что со временем тариф будет увеличиваться в цене и параллельно будет расти выгода от использования ветрогенераторов, но, вряд ли, она выйдет за грань их самоокупаемости. Ветровая электроэнергия может быть выгодной только в том случае, если сильно вырастет тариф на ее потребление или ветрогенераторы резко подешевеют, сейчас же применять ветрогенератор для обеспечения электросети частного дома — невыгодно!

Можно ли заработать, продавая электроэнергию государству по зеленому тарифу?

Давайте рассмотрим ситуацию, если вы приобретаете ветрогенератор не для себя, а для того, чтобы продавать электричество государству. Мы выяснили, что покупка и эксплуатация на протяжении 20 лет службы 5 кВт-ного ветрогенератора будет нам стоить 643 тысячи гривен.
Стоимость зеленого тарифа в Украине

Период Тариф без НДС
с 01 июля 2015 по 31 декабря 2019 года 327,02 коп/кВт×час
с 01 января 2020 по 31 декабря 2024 года 293,71 коп/кВт×час
с 01 января 2025 по 31 декабря 2029 года 261,92 коп/кВт×час

*ссылка на источник: Киевэнерго

Расчет прибыльности ветрогенератора

И так, давайте посчитаем, сколько прибыли может принести небольшой бытовой электрогенератор за 20 лет службы. Если учесть, что мы ввели в эксплуатацию ветрогенератор в период до 31 декабря 2019 года и он вырабатывает 2 кВт в день, то мы заработаем:

3,2702 грн х 2 (кВт) х 24 (часа) х 365 (суток) х 20 (лет) = 1 145 878 грн

Если от этой суммы отнять стоимость ветрогенератора, дополнительного оборудования и его обслуживания, то мы получим:

1 145 878 грн — 643 000 грн = 502 878 грн

А если еще отнять стоимость электроэнергии, которую мы при этом 20 лет покупали у государства, то получим:

502 878 грн — 441 504 грн =61 374 грн

(в таком плюсе мы будем через 20 лет)

Украина — безветренный регион, если сравнивать со странами Западной Европы и Средиземноморья. Взглянув на карту ветровых нагрузок, станет ясно, что более или менее стабильно ветры дуют только на Западе Украины (Прикарпатский регион) и берегу Азовского моря. Размещение ветроэлектростанции где-нибудь в Киеве вряд ли бы имело прибыль.

Карта ветровых нагрузок на территории Украины

Стоит еще учесть тот факт, что согласно действующему законодательству, для того, чтобы продавать электричество необходимо оформить ФОП и получить государственную лицензию. Таким образом, можно сделать вывод, что заработать на ветрогенераторах, продавая электроэнергию по зеленому тарифу государству, довольно сложно. А для того, чтобы «выйти в ноль» вообще может потребоваться до 20 лет — не самый прибыльный вид заработка.

К тому же, ветрогенераторы издают много шума – в пределах 34 – 45 дБ, что может сравняться с шумом проезжающего по шоссе автомобиля или звуком отбойного молотка, работающего на расстоянии 10 метров.

Зачем тогда нужны ветрогенераторы?

Ветрогенераторы могут быть хорошим решением в том случае, если они используются в качестве резервного источника электроэнергии или если это единственный возможный источник питания электросети. Они могут устанавливаться в некоторых небольших предприятиях или частных домах для того, чтобы на случай отключения электричества (обрыв линий ЛЭП, отключение электричества при аварии в ближайших зданиях, плановые отключения и т.д.) можно было задействовать энергию ветра для поддержания освещения в помещении и подзарядки гаджетов.

В ином случае ветровыми генераторами могут пользоваться метеорологические станции, обсерватории, небольшие санатории, которые находятся слишком далеко от населенных пунктов и не имеют возможности подключиться к централизованным ЛЭП.
В качестве альтернативного источника электроэнергии для домашних нужд лучше купить генератор.

Владислав Сиромаха Поделиться

Расчет мощности ветроколеса

Методика расчета мощности ветроколеса ветрогенератора относительно точная и довольно простая.

Ниже формула расчета мощности энергии ветра P=0.6*S*V^3, где

P- мощность Ватт

S- площадь ометания кв.м.

V^3- Скорость ветра в кубе м/с

r- радиус окружности в квадрате

К примеру если взять площадь винта 3кв.м. и посчитать мощность на ветре 10 м/с, то получится 0,6*3*10*10*10=1800ватт. Но это мощность ветрового потока, а винт заберет часть мощности, которая в теории может достигать 57%, но на практике для горизонтальных трехлопастных ветрогенераторов этот параметр 35-45%. А для вертикальных типа Савониус 15-25%.

Тогда в среднем для горизонтального трехлопастного винта коэффициент использования энергии ветра поставим 40% и посчитаем, 1800*0,4= 720 ватт. Винт заберет 720 ватт у ветра, но еще есть КПД генератора, который у генераторов на постоянных магнитах примерно 0,8 , а с электровозбуждением 0,6. Тогда 720*0,8=576 ватт.

Но на практике все может быть гораздо хуже, так-как генератор не во всех режимах работы имеет высокий КПД, так-же eсть потери в проводах, на диодном мосту, в контроллере, и в аккумуляторе. Поэтому можно скинуть смело еще 20% мощности и останется примерно 576-20%=640,8 ватт.

У вертикального ветрогенератора это параметр будет еще меньше так-как во-первых КИЭВ всего 20%, а так-же мультипликатор, КПД которого 70-90%. Тогда изначальные из 1800 ватт мощности ветра лопасти отнимут 1800*0,2=360ватт. Минус КПД генератора 0,8 и мультипликатора 0,8 равно 360*0,8*0,8=230,4ватт. И еще минус 20% на потери в проводах, диодном мосту, контроллере и АКБ., и останется 230,4-20%=183,6ватт.

Из реальной жизни практический расчет мощности ветрогенератора.

Эту формулу можно встретить на многих форумах и сайтах по ветрогенераторам. Для проверки формулы я хочу сравнить реальные данные двух ветрогенераторов небольшой мощности с почти одинаковыми по площади винтами, но один горизонтальный, а второй вертикальный.

На фото два реальных самодельных ветрогенератора, первый горизотальный трехлопастной с диаметром винта 1,5м., второй вертикальный шириной 1м высотой 1,8м. Не считая данные сразу напишу что мощность горизонтального на ветру 10м/с около 90 ватт, и вертикального 60ватт. КИЭВ первого так-как лопасти сделаны на глазок наверно 0,3 , а второго вертикального вроде хорошо сделанного 0,2.

Теперь вычислим площадь винта ометаемую ветром, для первого это 1,76м, для второго вертикального 1,8м.

значит для горизонтального 0,6*1,76*10*10*10=1056*0,3*0,8-20%=202ватт.

значит для вертикального 0,6*1,8*10*10*10=1080*0,2*0,8-20%=138ватт.

Получились вот такие теоретические данные, но зная реальные становится становится понятно что КИЭВ обоих ветрогенераторов и КПД их генераторов далек от хороших показателей. В таком случае для большинства самодельных генераторов, которые делаются на глазок без расчетов можно смело скидывать еще 50% и получить в итоге реальную ожидаемую мощность от ветроустановки с ветроколесом определенной площади.

Реальная мощность самодельного ветрогенератора.

Горизонтальный ветрогенератор мощностью 202ватт.-50%=101ватт, а реальных 90ватт.

Вертикальный ветрогенератор мощностью 138ватт.-50%=69ватт,а реальных 60ватт.

Уже продолжительное время интересуясь ветрогенераторами я сделал ( может и ошибочный) вывод что большинство самодельных ветроустановок далеки от заводских аналогов. Только лишь с применением точных расчетов можно добиться высокого КПД всей ветроустановки и это удается не многим.

А с большинства самодельных ветрогенераторов можно при расчете мощности смело скидывать половину ожидаемой мощности и сразу делать ветрогенератор в два раза мощнее чем нужен, чтобы компенсировать все недочеты домашней сборки и применяемых материалов.

Расчет мощности ветроколеса
Как расчитать диаметр и мощность ветрогенератора, в принципе все достаточно просто.Формула для расчета ветроколеса, а так-же реальные примеры расчетов мощности.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

В связи с ростом цен на энергоносители, все больше владельцев частных домов обращаются к возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), таких как ветровая, солнечная, гидроэнергия и геотермальная. Здесь расскажем, как рядовому гражданину нашей страны рационально и доступно, с финансовой точки зрения, можно воспользоваться энергией ветра.

Перед тем как будет продемонстрирован пример выбора ветроэлектростанции (ВЭС), следует узнать, каким образом поток воздуха трансформируется в электрическую энергию и сколько такой энергии можно будет получить на своем участке. По приведенной формуле можно рассчитать энергию, которая «гуляет» вашим участком:

Например, на площадь, равной 3 кв.м дует воздушный поток обычной плотности со скоростью 5 м/с. При таких условиях получим:

Где,
V — скорость ветра, единица измерения — м/с
ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3
S — площадь, на которую дует (пожимает) воздушный поток, единица измерения — м2

Почти 2 кВт, в идеале, если не учитывать ту часть потока, которая пойдет на завихрения, обтекание объекта и т.д. В реальных условиях максимально мы можем получить 30-40% от потенциальной энергии воздушного потока. Это ограничение связано с технологическим и физическим выполнением ветрогенератора. Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

Где,
ξ — коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина
R — радиус ротора, единица измерения — м
V — скорость воздушного потока, единица измерения — м / с
ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3
ηред — КПД редуктора, единица измерения — проценты
ηген — КПД генератора, единица измерения — проценты

Для следующих данных:
ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м / с
ρ = 1,25 кг/м3
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Не так много выходит. почему тогда использование ВЭС выгодно? Лучшим подтверждением в данном случае послужит «живой» пример. Для этого, как пример, приведем характеристики установки одной из украинских компаний, которая вежливо согласилась предоставить расчетные данные из собственных продуктов. Калькулятор для расчета ветрогенератора

Рассматриваемые модель имеет номинальную мощность 5кВт и следующие важные для нас технические параметры:

По данным инженерного центра компании WindElectric модель WE3000 имеет следующую характеристику (мощность в зависимости от скорости ветра): При скорости ветра 10 метров в секунду такая установка будет генерировать более 3кВт ч, такого количества энергии полностью хватит для маленького коттеджа, но стоит помнить, что в нашей стране далеко не всегда ветренно.

Пришло время выяснить важнейший вопрос, сколько же это будет стоить и через какое время окупится? Стоимость электроэнергии приближенно можно определить по следующей схеме:

Где,
В — полная стоимость ВЭС, единица измерения — грн, рубли, $ и т.д.
ЕВ — эксплуатационные расходы за год, единица измерения — (грн / год, рубли / год, $ / год)
Р — количество произведенной энергии за год, единица измерения — кВт • время
Т — срок службы ветрогенератора в годах (считается Т = 20 лет)

Выработка энергии за год,

Совершая покупку, мы не всегда точно знаем, что с ней делать и насколько она нам необходима. В случае с ветроэлектростанцией это следует непременно выяснить.

Вариант первый: Я хочу частично обеспечить свою квартиру независимым источником энергии (мой дом подключен к внешней сети. В таком случае мощность установки будет зависеть от количества энергии, которую вы хотите получать не из сети, а генерировать самостоятельно.

Вариант второй: Я хочу обеспечить свою квартиру независимым источником энергии, поэтому выбираю вариант ВЭС (мой дом не подключен к внешней сети. В этом случае нужно точно знать свои потребности в электроэнергии.

В чем отличие этих двух вариантов? В обоих случаях требуется ВЭС, но необходимо знать, в какой мере она будет использоваться, следовательно, какой мощности установка будет нам нужна.

Подготовка к выбору ВЭС. правильнее будет написать подготовка к разговору с компанией-специалистом, кто же еще сможет предоставить услуги по установке, настройке и гарантийного обслуживания? Прежде чем сделать вам предложения, компания должна иметь некоторые сведения. Попробуем узнать о них. Это заинтересует и вас. Для двух приведенных выше вариантов подготовка имеет несколько общих пунктов:

1. Потребности. Если вы решили купить сок, то сначала оцениваете силу жажды, которую чувствуете. После этого покупаете бутылку сока соответствующего объема. Для установки ВЭС нужно знать свои «аппетиты». Под «аппетитами» в нашем случае следует иметь в виду количество потребляемой электроэнергии за сутки, месяц, время года. Необходимо также установить границу верхней нагрузки (к примеру, в праздничные дни в вашем доме работают одновременно два телевизора, музыкальный центр, компьютер, освещение в нескольких комнатах, микроволновая печь и т.д.), т.е. верхний предел нагрузки — это максимальное энергопотребление вашего жилища. Необходимо также знать продолжительность этой максимальной нагрузки. Установить общее энергопотребление очень просто, однако это потребует от вас изрядной тщательности. Ваша задача — выяснить мощность каждого электроприбора в помещении и время его работы, а после внести сведения в таблицу.

2. Размещение. Следующим подготовительным этапом будет ориентировочный (!) выбор места расположения ВЭС. Ориентировочный, поскольку только специалисты смогут определить наилучший вариант для Вашего индивидуального случая. Однако есть несколько пунктов, которые позволяют лучше представить возможное расположение ВЭС. Следует помнить 3 золотых правила:
* Турбулентность. Ветротурбина должна размещаться на 10 метров выше наивысшиего объекта в радиусе 100 метров (включая ЛЭП).
* По возможностью, ВЭС должны размещаться на открытых участках (берегах рек, морей, озер).
* Орография местности. Следует учитывать, что в природных ущельях, каньонах поток воздуха имеет свойство сжиматься и, как следствие, увеличивается его скорость. Подобную ситуацию можно наблюдать на пригорках.

3. В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:
* ВЭС + Солнечные батареи
* ВЭС + Дизель

Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты
В статье приводится упрощенный расчет ветрогенератора (расчет мощности ветрогенератора). Расчет ветрогенератора представлен на практических примерах.

Бытовой ремонт №1

Выберите надежных мастеров без посредников и сэкономьте до 40%!

  1. Заполните заявку
  2. Получите предложения с ценами от мастеров
  3. Выберите исполнителей по цене и отзывам

Разместите задание и узнайте цены

Ветрогенераторы как источник электроэнергии не так давно завоевали популярность у жителей загородных участков. Перед установкой необходимо сделать расчет ветрогенератора для своей местности. Этот экологически чистый прибор для выработки электричества бывает двух видов:

  • с горизонтальной осью
  • с вертикальной осью

Последние более эффективны и технологичны. Единственным минусом вертикальных ветрогенераторов является их высокая цена. Часто такие приборы окупаются в течение пятнадцати лет. Поэтому ветрогенераторы используют как дополнительный источник энергии. Установить их можно своими руками.

Как выбрать ветрогенератор

Если грамотно подойти к вопросу покупки вертикального ветрогенератора, можно увеличить его производительность и сократить срок окупаемости. Сначала следует рассмотреть разные виды вертикальных ветрогенераторов:

  • ортогональные генераторы, которые не нуждаются в направляющих механизмах. Они имеют несколько лопастей параллельно основной оси. Работа такого генератора не зависит от направления ветра
  • ветрогенераторы с ротором Дарье. Они имеют две-три лопасти на плоском винте. Главное достоинство конструкции в том, что ее можно монтировать на уровне земли
  • генераторы с ротором Савониуса. Они очень эффективны, так как работа винта может быть проведена на низких скоростях, что существенно снижает расход аккумулятора
  • устройства с большим количеством лопастей на оси. Это более усовершенствованная версия ортогонального прибора. Они очень эффективны, но и цены на них ощутимо выше
  • приборы с геликоидным ротором. Они также произошли от ортогонального прибора. Благодаря своей сложной технологии лопасти на оси оказывают небольшую нагрузку на катушку. Это повышает срок эксплуатации генератора. Но и на них цена очень высока

Самыми популярными ветрогенераторами являются ортогональные и с ротором Савониуса. Почти каждый ветрогенератор с вертикальной осью работает на неодимовых магнитах. Они достаточно эффективны, при этом стоимость не слишком высока. Чтобы не переплатить при выборе ветрогенератора, можно сделать правильные расчеты своими руками.

Что нужно рассчитать при выборе генератора

Когда вы решили приобрести такой полезный прибор, как ветрогенератор, нужно учитывать следующие параметры:

  • мощность ветрогенератора на неодимовых магнитах. Если в вашей местности нет сильных ветров, вам нужен генератор с маленькой мощностью
  • направление ветра. Если ветра часто меняют направление, вам подойдет только вертикальный ветрогенератор с подвижными лопастями
  • марка. От производителя напрямую зависит цена прибора. Следует помнить, что импортный товар всегда дороже российских аналогов

Конечно, в первую очередь нужно высчитать мощность.

Как сделать расчет ветрогенератора самостоятельно

Чтобы рассчитать мощность ветрогенератора для вашей местности, воспользуйтесь специальными формулами. Сначала нужно рассчитать количество энергии, которую сможет выработать генератор в течение года в вашей местности. Для этого нужно выполнить ряд действий:

  • произвести расчет. На основе результатов будут выбраны длина лопастей и высота башни
  • провести анализ скорости ветра в вашей местности. Это можно сделать своими руками с помощью специального прибора, наблюдая за ветром несколько месяцев, или запросить результаты с местной метеостанции

Методика расчета мощности ветреного потока своими руками подразумевает использование формулы — P*= krV 3S/2, . В этой формуле используются следующие обозначения:

  • r — плотность воздуха, которая при нормальных условиях составляет 1,225 кг/м3
  • V — скорость потока в м/с
  • S — площадь потока в квадратных метрах
  • k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

С помощью этих расчетов вы сможете выявить подходящую мощность для вашей местности. На упаковке ветрогенератора указано, при каком потоке ветра его работа эффективнее всего. Как правило, это значение находится в промежутке 7-11 м/с.

Ветрогенераторы (от ортогонального до Савониуса) являются оптимальным источником дополнительной или основной электроэнергии в частном доме. Если вы сделаете правильный расчет ветрогенератора своими руками, то сможете приобрести подходящий под вашу местность агрегат.

Бытовой ремонт №1
↪ ℹ Расчет ветрогенератора. ✔ Какие виды вертикальных ветрогенераторов бывают. ✔ Как самостоятельно рассчитать мощность ветрогенератора для своей местности.

Расчет мощности ветрогенератора для дома или дачи

Для расчета номинальной мощности ветрогенератора для организации электроснабжения частного дома или загородной недвижимости предлагаем воспользоваться следующими принципами

Для выбора ветрогенерирующей электроустановки требуется как можно более точно определить наиболее постоянное направление и среднюю скорость ветра в месте предполагаемого монтажа оборудования. При этом необходимо понимать, что лопасти ветрогенератора начинают вращение при скорости ветра от 2 м/с. Наиболее максимальный коэффициент полезного действия (КПД) установки достигается при скорости ветра 9 – 12 м/с.

Для обеспечения электроэнергией небольшого загородного дома необходим генератор с номинальной мощностью не менее 1 кВт час, вырабатываемых при скорости ветра порядка 8 м/c.

Мощность ветрогенерирующей электроустановки во многом зависит от скорости ветра и диаметра рабочего винта.

Для расчета эксплуатационных характеристик ветряка для небольшого загородного дома можно воспользоваться следующими формулами:

1.Рассчет ветрогенератора по площади вращения

P = 0,6*S*V 3 ,

S — Площадь (м 2 ), перпендикулярная относительно направления ветра,

V — Скорость ветра (метров в секунду).

P – Мощность генератора, кВт

2.Рассчет ветрогенератора по диаметру винта

Р = D 2 *V 3 /7000,

D — Диаметр винта (метров),

V – Скорость ветра (метров в секунду).

P – Мощность генератора, кВт

3.Более сложный расчет с учетом плотности воздушного потока

Более точный расчет можно сделать по следующей формуле:

P = ξ • π • R2 • 0,5 • V3 • ρ • ηред • ηген

ξ — коэффициент использования энергии ветра (в номинальном режиме для быстроходных ветряков достигает максимум ξmax = 0,4 ÷ 0,5), безмерная величина

R — радиус ротора, единица измерения — м

V — скорость воздушного потока, единица измерения — м / с

ρ — плотность воздуха, единица измерения — кг/м3

ηред — КПД редуктора, единица измерения — проценты

ηген — КПД генератора, единица измерения — проценты

Общие рекомендации

Очевидно, что для выбора наиболее оптимального диаметра винта ветрогенератора необходимо знать среднюю скорость ветра на месте планируемой установки. Количество электроэнергии, произведенной ветряком возрастает в кубическом соотношении с повышением скорости ветра. Например, если скорость ветра увеличится в 2 раза, то кинетическая энергия, выработанная ротором, увеличится в 8 раз. Поэтому можно сделать вывод, что скорость ветра является самым важным фактором, влияющим на мощность установки в целом.

Для выбора места установки ветрогенерирующей электроустановки наиболее подойдут участки с минимальным количеством преград для ветра (без больших деревьев и построек) на расстоянии от жилого дома не менее 25-30 метров (не забывайте, что ветрогенераторы весьма громко гудят во время работы). Высота расположения центра ротора ветряка должна быть не менее чем на 3-5 метров выше ближайших построек. На линии ветреного прохода деревьев и построек быть не должно. Для расположения ветрогенератора наиболее подойдут вершины холмов или горные хребты с открытым ландшафтом.

В случае, если ваш загородный дом не планируется подключать к общей сети, то следует рассмотреть вариант комбинированных систем:

  • ВЭС + Солнечные батареи
  • ВЭС + Дизель

Комбинированные варианты помогут решить проблемы в регионах, где ветер переменчивый или зависит от времени года, а также данный вариант является актуальным для солнечных батарей.

Расчет мощности ветрогенератора для дома или дачи
Для расчета номинальной мощности ветрогенератора для организации электроснабжения частного дома или загородной недвижимости предлагаем воспользоваться следующими

Альтернативные энергии

Энергетика XXI века

Расчёт ветрогенератора

Прежде чем приобретать для дома ветрогенератор, необходимо понимать, откуда берутся параметры его мощности, действительно ли он будет выдавать те параметры, что записаны в его паспорте, и на что вы можете рассчитывать.

Скорость ветра

Независимо от того, планируете ли вы купить готовый генератор, либо будете делать его сами, скорость ветра будет одним из важнейших параметров при определении мощности установки.

Во-первых, у каждого типа ветрогенераторов есть своя начальная скорость работы. Для большинства установок это 2-3 м/с. Если скорость ветра ниже этого порога, работать генератор не будет вообще, и, соответственно, электричество вырабатывать тоже.

Помимо начальной скорости, существует и номинальная, при которой ветрогенератор выходит на свою номинальную мощность. Для каждой модели производитель указывает эту цифру отдельно.

Однако, если скорость выше начальной, но ниже номинальной, то и выработка электричества будет существенно снижена. А для того, чтобы не остаться без электричества, вам нужно всегда прежде всего ориентироваться на среднюю скорость ветра в вашем регионе и непосредственно на вашем участке. Первый показатель вы можете узнать, взглянув на карту ветров, либо посмотрев прогноз погоды в своём городе, где обычно указывается скорость ветра.

Вторая же цифра в идеале должна измеряться специальными приборами непосредственно в том месте, где будет стоять ветроустановка. Ведь ваш дом может быть как на возвышении, где скорость ветра будет выше, так и в низине, в которой ветра практически не будет.

В данной ситуации те, кто постоянно страдает от ураганных порывов ветра, находятся в более выгодном положении, и могут рассчитывать на большую производительность ветрогенератора.

Диаметр винта

Если вы думаете, что ветрогенератор – это небольшая установка, которая буквально может стоять у вас на крыше и питать электричеством ваш дом на 100 кв.м., вы заблуждаетесь. Если установка используется как самостоятельный источник энергии, который должен обеспечить все ваши потребности, а не малую их часть, то винты могут быть на самом деле огромными. Для небольшого дома необходим радиус хотя бы 3-4 метра. Соответственно, диаметр – 6-8 метров.

Не достаточно просто рассчитать по формуле мощность вашей установки. Всегда существуют потери, которые заберут до 70% мощности. Первые потери, с которыми вы столкнётесь – это коэффициент использования энергии ветра. Он равен примерно 0,6.

Далее потери будут на винте, который берёт от 40 до 50% мощности. Потери генератора составляют около 20%, а потери проводов – ещё 20%.

Все эти параметры нужно учесть при планировании ветроустановки. Здесь приведены примерные потери. Реальные величины вы можете узнать в описании тех элементов, которые будете использовать. Они обычно указаны производителем.

Простая и сложная формулы

Существует две формулы, по которым вы можете определить мощность ветрогенератора, зная скорость ветра и радиус либо диаметр лопастей.

Первая формула немного сложнее, и реже используется.

Мощность = коэффициент использования энергии ветра * ((плотность возд. потока * скорость ветра в кубе)/2 * п * радиус в квадрате)

Вторая формула несколько упрощена.

Мощность = 0,6 * п * радиус в квадрате * скорость ветра в кубе

Скорость ветра для расчёта стоит брать ниже среднегодовой, чтобы реально понимать, на какие цифры вам стоит рассчитывать.

Примеры расчётов для дачи и дома с учётом использования определённых электроприборов, мы рассмотрим в другой статье. Сейчас же выясним, какую реальную мощность нам может дать предлагаемый производителем ветрогенератор.

Для примера рассмотрим ветрогенератор с длиной лопасти 4м, при средней скорости ветра 5 м/с (эта цифра может доходить и до 10-15, однако, мы рассмотрим менее удачный вариант.

По первой формуле получится такая цифра:

Мощность = 0,6 * (1,225 * 125/2) *3,14 * 16 = 2307,9 Вт.

По второй формуле:

Мощность = 0,6 * 3,14 * 16 * 125 = 3768 Вт.

Вторая цифра ближе к реальности, и именно такую формулу стоит использовать в ваших подсчётах. Однако, давайте посчитаем потери на винт от второго результата.

Мощность = 3768 * 0,6 = 2260.8 Вт.

Уже намного ближе к первому результату. Однако, от этой цифры нам нужно отнять ещё потери генератора и проводов.

Мощность = 2260.8 * 0,8 * 0,8 = 1446,9 Вт.

Именно на такую величину вы можете рассчитывать при использовании ветрогенератора с винтами 4 метра. Конечно же, при более сильном ветре его мощность возрастёт, но этот параметр индивидуален для каждого дома.

Альтернативные энергии
Формулы и примеры расчёта ветрогенератора для дома, полезные советы и подводные камни

Как произвести расчет ветрогенератора: формулы + практический пример расчета

Альтернативная энергия, получаемая от энергетических ветряных установок, вызывает в обществе высокий интерес. Подтверждений тому на уровне реальной бытовой практики множество.

Владельцы загородной недвижимости строят ветряки собственными руками и довольствуются полученным результатом, хотя результат бывает и кратковременным. Причина — при постройке установки не был произведён расчёт ветрогенератора должным образом.

Расчёт ветрогенераторной установки

С чего начать рассчитывать систему воспроизводства электроэнергии из энергии ветра? Учитывая, что речь идёт о ветрогенераторе, логичным видится предварительный анализ розы ветров в конкретной местности.

Такие расчётные параметры, как скорость ветра и характерное его направление для данной территории – это важные расчётные параметры. Ими в какой-то степени определяется тот уровень мощности ветряка, который будет реально достижим.

Ветрогенераторы такой мощности сложно даже представить. Но подобные конструкции существуют и эффективно работают. Однако расчёты подобных конструкций показывают относительно небольшую мощность по сравнению с традиционными источниками энергии

Что примечательно, процесс этот носит долговременный характер (не менее 1 месяца), что вполне очевидно. Вычислить максимально вероятные параметры скорости ветра и его наиболее частое направление невозможно одним или двумя замерами. Потребуется выполнить десятки замеров. Тем не менее, операция эта действительно необходима, если есть желание построить эффективную производительную систему.

Как рассчитать мощность ветряка

Ветрогенераторам бытового назначения, тем более сделанным своими руками, удивлять народ высокими мощностями ещё не приходилось. Оно и понятно. Стоит лишь представить массивную мачту высотой 8-10 метров, оснащённую генератором с размахом лопастей винта более 3 метров. И это не самая мощная установка. Всего-то около 2 кВт.

Для обслуживания ветряков такой мощности используются вертолёты и бригады специалистов, насчитывающие до десятка человек. Чтобы произвести расчёт такой энергоустановки, привлекается ещё большее число исполнителей

Вообще, если опираться на стандартную таблицу, показывающую соотношение мощности ветрогенератора и требуемого размаха лопастей винта, есть чему удивиться. Согласно таблице, для ветряка мощностью 10 Вт необходим двухметровый пропеллер. На 500-ваттную конструкцию потребуется уже винт диаметром 14 метров. При этом параметр размаха лопастей зависит от их количества. Чем больше лопастей, тем меньше размах.

Но это всего лишь теория, обусловленная скоростью ветра, не превышающей значения 4 м/сек. На практике всё несколько иначе, а мощность установок бытового назначения, реально действующих продолжительное время, ещё никогда не превышала 500 Вт. Поэтому выбор мощности здесь обычно ограничен диапазоном 250-500 Вт при средней скорости ветра 6-8 м/сек.

Таблица зависимости мощности ветряной энергетической системы от диаметра рабочего винта и количества лопастей. Эту таблицу можно применить для расчётов, но с учётом её составления под параметр скорости ветра до 4 м/сек

С теоретической позиции, мощность ветряной энергетической станции считают по формуле:

N=p*S*V3/2

Здесь p – плотность воздушных масс; S – общая обдуваемая площадь лопастей винта; V — скорость воздушного потока; N – мощность потока воздуха. Так как N – параметр, кардинально влияющий на мощность ветрогенератора, по сути, реальная мощность установки будет находиться недалеко от вычисленного значения N.

Расчёт винтов ветряных установок

При конструировании ветряка обычно применяются два вида винтов:

  1. Вращение в горизонтальной плоскости (крыльчатые).
  2. Вращение в вертикальной плоскости (ротор Савониуса, ротор Дарье).

Конструкции винтов с вращением в любой из плоскостей можно рассчитать при помощи формулы:

Z= L*W/60/V

Для этой формулы: Z – степень быстроходности (тихоходности) винта; L – размер длины описываемой лопастями окружности; W – скорость (частота) вращения винта; V – скорость потока воздуха.

Такой выглядит конструкция винта под названием «Ротор Дарье». Этот вариант пропеллера считается эффективным при изготовлении ветрогенераторов небольшой мощности и размеров. Расчёт винта имеет некоторые особенности

Отталкиваясь от этой формулы, можно легко рассчитать число оборотов W – скорость вращения. А рабочее соотношение оборотов и скорости ветра можно найти в таблицах, которые доступны в сети. Например, для винта с двумя лопастями и Z=5, справедливо следующее соотношение:

Число лопастей Степень быстроходности Скорость ветра м/с
2 5 330

Также одним из важных показателей винта ветряка является шаг. Этот параметр можно определить, если воспользоваться формулой:

H=2πR* tg α

Здесь: 2π – константа (2*3.14); R – радиус, описываемый лопастью; tg α – угол сечения.

Подбор генераторов для ветряков

Имея расчётное значение числа оборотов винта (W), полученное по вышеописанной методике, можно уже подбирать (изготавливать) соответствующий генератор. Например, при степени быстроходности Z=5, количестве лопастей равном 2 и частоте оборотов 330 об/мин. при скорости ветра 8 м/с., мощность генератора приблизительно должна составлять 300 Вт.

Генератор ветряной энергетической установки «в разрезе». Показательный экземпляр одной из возможных конструкций генератора домашней ветряной энергосистемы, собранной самостоятельно

При таких параметрах подходящим выбором в качестве генератора для бытовой ветряной электростанции может стать мотор, который используется в конструкциях современных электровелосипедов. Традиционное наименование детали – веломотор (производство КНР).

Так выглядит электрический веломотор, на базе которого предлагается делать генератор для домашнего ветряка. Конструкция веломотора идеально подходит для внедрения практически без расчётов и доработок. Однако мощность их невелика

Характеристики электрического веломотора примерно следующие:

Параметр Значения
Напряжение, В 24
Мощность, Вт 250-300
Частота вращения, об/мин. 200-250
Крутящий момент, Нм 25

Положительная особенность веломоторов в том, что их практически не нужно переделывать. Они конструктивно разрабатывались как электродвигатели с низкими оборотами и успешно могут применяться под ветрогенераторы.

Расчёт и выбор контроллера заряда

Контроллер заряда АКБ необходим для ветряной энергетической установки любого типа, включая бытовую конструкцию.

Расчёт этого устройства сводится к подбору электрической схемы прибора, которая бы соответствовала расчётным параметрам ветровой системы. Из тих параметров основными являются:

  • номинальное и максимальное напряжение генератора;
  • максимально возможная мощность генератора;
  • максимально возможный ток заряда АКБ;
  • напряжение на АКБ;
  • температура окружающего воздуха;
  • уровень влажности окружающей среды.

Исходя из представленных параметров, ведётся сборка своими руками или подбор готового устройства контроля заряда аккумуляторов – контроллера.

Контроллер заряда аккумуляторов, применяемых в составе ветровой энергоустановки. Прибор промышленного изготовления, выбирая который требуется лишь внимательно изучить технические характеристики для точного согласования с имеющейся системой

Конечно, желательно подбирать (или собирать) устройство, схема которого обеспечивала бы функцию лёгкого старта в условиях течения слабых потоков воздуха. Контроллер, рассчитанный под эксплуатацию с батареями разного напряжения (12, 24, 48 вольт) тоже лишь приветствуется. Наконец, при расчёте (подборе) схемы контроллера, рекомендуется не забывать о присутствии такой функции, как управление инвертором.

Подбор аккумуляторной батареи для системы

На практике используются аккумуляторы разного типа и почти все вполне пригодны для использования в составе ветряной энергетической системы. Но конкретный выбор придётся делать в любом случае. В зависимости от параметров системы ветряка, подбор аккумулятора ведётся по напряжению, ёмкости, условиям заряда.

Традиционными комплектующими для домашних ветряков считаются классические кислотно-свинцовые аккумуляторы. Они показали неплохие результаты в практическом смысле. К тому же стоимость этого типа батарей более приемлема по сравнению с другими видами. Свинцово-кислотные АКБ особо неприхотливы к условиям заряда/разряда, но включать их в систему без контроллера недопустимо.

Блок аккумуляторов домашнего ветрогенератора. Не самый лучший вариант эксплуатации, учитывая хаос из проводов и требования к хранению. При таком состоянии накопителей энергии рассчитывать на их долгосрочное действие не приходится

При наличии в составе ветрогенераторной установи профессионально выполненного контроллера заряда, имеющего полноценную систему автоматики, рациональным видится применение аккумуляторов типа AGM или гелиевых. Оба вида накопителей энергии характеризуются большей эффективностью и долгим сроком службы, но предъявляют высокие требования к условиям заряда.

То же самое относится к так называемым панцирным АКБ гелиевого типа. Но выбор этих аккумуляторов для бытового ветряка значительно ограничивается ценой. Однако срок службы этих дорогостоящих батарей самый продолжительный по отношению ко всем другим видам. Эти аккумуляторы выделяются также более значительным циклом заряда/разряда, но при условии применения к ним качественного зарядного устройства.

Расчёт инвертора под домашний ветряк

Сразу следует оговориться: если конструкция домашней энергетической ветроустановки содержит один аккумулятор на 12 вольт, смысл ставить инвертор на такую систему полностью исключается.

В среднем потребляемая мощность бытового хозяйства составляет не менее 4 кВт на пиковых нагрузках. Отсюда вывод: количество аккумуляторных батарей для такой мощности должно составлять не менее 10 штук и желательно под напряжение 24 вольта. На такое количество АКБ уже есть смысл устанавливать инвертор.

Инвертор небольшой мощности (600 Вт), который может быть использован для домашней малой энергетической установки. Запитать от такой техники напряжением 220 вольт можно телевизор или небольшой холодильник. На лампы в люстре тока уже не хватит

Однако чтобы обеспечить полностью энергией 10 аккумуляторов с напряжением по 24 вольта на каждый и стабильно поддерживать их заряд, потребуется ветряк мощностью не менее 2-3 кВт. Очевидно, для бытовых простеньких конструкций такую мощность не потянуть. Тем не менее, рассчитать мощность инвертора можно следующим образом:

  1. Суммировать мощность всех потребителей.
  2. Определить время потребления.
  3. Определить пиковую нагрузку.

На конкретном примере это будет выглядеть так.

Пусть в качестве нагрузки есть бытовые электроприборы: лампы освещения – 3 шт. по 40 Вт, телевизионный приёмник – 120 Вт, компактный холодильник 200 Вт. Суммируем мощность: 3*40+120+200 и получаем на выходе 440 Вт.

Определим мощность потребителей для среднего периода времени в 4 часа: 440*4=1760 Вт. Исходя из полученного значения мощности по времени потребления, логичным видится подбор инвертора из числа таких приборов с выходной мощностью от 2 кВт. Опираясь на это значение, рассчитывается вольт-амперная характеристика требуемого прибора: 2000*0,6=1200 В/А.

Классическая схема воспроизводства и распределения энергии, полученной от ветряного генератора бытового типа. Однако чтобы обеспечить долговременной энергией такое количество приборов, нужна достаточно мощная установка

Реально нагрузка от домашнего хозяйства на семью в три человека, где имеется полноценное оснащение бытовой техникой, будет выше рассчитанной в примере. Обычно и по времени подключения нагрузки параметр превышает взятые 4 часа. Соответственно, инвертор ветряной энергосистемы потребуется более мощный.

Выводы и полезное видео по теме

Как происходит анализ исходных данных и как применяются формулы, представлено на видео:

Пользоваться расчётными данными необходимо в любом случае. Будь то промышленная энергетическая установка или изготовленная под бытовые условия, расчёт каждого узла всегда несёт за собой максимум эффективности устройства и главное – безопасность эксплуатации. Зачастую предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.


  1. Алексей

    Короче, очень понятно, что если ты не инженер, то за изготовление самодельного ветряка лучше даже и не браться. Зря потерянное время и деньги. Вот с готовыми элементами, если купить отдельно ветряк, аккумуляторы, инвертор контроллер, разберется практически любой, у кого руки из правильного места растут, и это будет оптимальный вариант. Ну, а если денег много — можно заказать монтаж со всей аппаратурой вместе.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *