Высота мачты ветрогенератора расчет

Мачта для ветрогенератора

Дата публикации: 4 декабря 2013

Ветрогенератор любит высоту. Поэтому в общей системе установки мачта для ветрогенератора занимает значительное место. При этом надо знать основные правила выбора опоры для ветряка. Сразу скажем самое важное условие: нижний край окружности крутящихся лопастей обязан находиться метров на 10 выше крыш домов, верхушек деревьев – вообще любых препятствий на расстоянии от них не менее 150 метров. Именно на такой высоте действует преобладающая сила ветра в любой местности.

Оптимальную высоту выбираем следующим образом. Допустим, ваш ветряк диаметром 6 метров (размах лопастей). Поблизости располагаются 12-метровые деревья. Вопрос: какой высоты должна быть опора, чтобы ветроустановка давала расчётную мощность? Поскольку мы уже знаем, что нижний край лопасти должен быть, как минимум, на 10 метров выше препятствий, в данном случае деревьев. Сама лопасть – 3 метра, да плюс 10 метров требуемое расстояние над препятствием, плюс 12-метровые деревья. Значит, минимальный рост устанавливаемой опоры должен быть 25 метров. Выше – лучше.

Короче говоря, о низких ветряных электрических установках мечтать не приходится. Хотя они были бы удобны для обслуживания. Но основной ветер гуляет в 25 метрах от поверхности и выше. Разместить ветрогенератор ниже и надеяться получить электроэнергию равносильно тому, что ловить сачком птичку высоко в небе, стоя на табуретке.

Какую мачту выбираем?

На сегодняшний день специалисты определили четыре самых ходовых вида опор для бытовых ветрогенераторов:

1. Растяжная мачта
2. Коническая
3. Гидравлическая
4. Сварная.

Первый вид делается из труб небольшого диаметра. Она не требует мощного фундамента благодаря трём стальным тросам – растяжкам. Устанавливается для ветрогенераторов малой мощности и имеет максимальную высоту до 20 метров.

Её плюсы: простейшая установка и небольшие финансовые затраты. Минусы: на такую мачту подниматься нельзя, что затрудняет осмотр и ремонт ветрогенератора. И второй недостаток – растяжные тросики занимают немалую площадь. Если места много, то советуем ставить мачту с растяжками — она дешевле на пять порядков всех остальных.

В следующем видео — пример такой мачты:

Второй вид – коническая мачта. Делается она тоже из труб, но большого диаметра и пригодна для ветрогенераторов мощностью до 5 квт. Она достигает 36 метров. Плюсы: малая вибрация и надёжность в эксплуатации при любых ветрах. Минусы – более высокая стоимость, чем у растяжной.

Третий вид – гидравлическая мачта. Поднимается высоко и опускается с помощью гидросистемы. Поэтому для обслуживания ветряка не нужен кран, её можно опустить для осмотра и ремонта. Единственный недостаток – уж больно дорогая.

И четвёртый вид – сварной вариант, или мачта-ферма. Её делают из отдельных деталей и монтируют по частям. Надёжна в работе, низкая себестоимость, но подводит внешний вид и ветер гудит в сварных деталях – большая парусность. Зато дёшево и сердито.

Основание опоры

Прежде всего, выбираем место под фундамент. Учитываем преобладающее направление ветров, чтобы перед установкой не было никаких препятствий для воздушного потока. Площадь около 4 кв. м. Примечание: чем выше расположение ветряка, тем мощнее должен быть фундамент.

Готовим котлован глубиной не менее 70 см. На дно укладываем слой щебня до 20 см, трамбуем, затем слой песка такой же толщины. Хорошо уплотняем, трамбуем. Затем помещаем на дно основу опоры с таким расчётом, чтобы она выходила над поверхностью почвы на 15 см. И заливаем бетон марки М400 толщиной до 40 см.

Ждём застывания полсуток. Заливаем остальную часть траншеи. Месяц — пауза для отстоя бетона. Теперь всё. Фундамент готов для монтажа установки.

В следующем видео показано, как изготовить мачту для ветрогенератора:

Источник

Мачта ветрогенератора: обзор конструкций

Мачта — очень важный элемент конструкции ветрогенератора. От правильного выбора типа опоры, её высоты зависит как производительность всей ветроустановки, так и собственная безопасность при эксплуатации.

Выбор типа мачты для ветрогенератора напрямую зависит от того, какой ветряк должен быть установлен. Важно учитывать особенности местности, где планируется установка ветряка, а так же вопрос технического обслуживания силовой установки в дальнейшем.

Расчет высоты опоры

Несомненно, высота установки ветряка очень важна, важно рассчитать минимальную, на которую нужно будет поднять генератор, чтобы он выдавал номинальное напряжение. Посредством климатических наблюдений, а именно измерением силы ветра на различных высотах от поверхности земли, установлено, что от нижнего края лопастей до верхушек деревьев, крыш домов и других препятствий должно быть 10 метров или более. Здесь сила ветра будет оптимальной, вне зависимости от местности.

Также мачту ветрогенератора необходимо устанавливать на удалении в 150 м или более от зданий или древесных насаждений. Исходя из вышеизложенного, можно легко рассчитать необходимую высоту мачты ветряка. К примеру, на участке находятся 12-метровые древесные насаждения, значит, нижняя лопасть генератора должна находиться над землей на высоте 22 метров. К этой цифре необходимо прибавить длину лопасти и получим высоту мачты.

Так для ветряка с диаметром 6 м длина лопасти составит 3 метра, а высота мачты должна быть не менее 25 метров. Располагать генератор ниже 25 метров от поверхности земли нецелесообразно, поскольку сила ветра будет недостаточной для того, чтобы ветряк вырабатывал необходимое количество энергии. Другим языком — это нерациональное использование средств, выделенных на такой проект.

Типы опор

Вторым основным вопросом является тип опоры, на которую будет установлен ветряк. Есть четыре основных вида опор, которые пользуются наибольшим спросом:

• растяжная;
• коническая;
• сварная;
• гидравлическая.

1. Растяжная мачта ветрогенератора изготавливается из стальных труб небольшого диаметра и имеет один или несколько поясов с растяжками, которые представляют собой металлические тросы. Благодаря растяжкам такая опора не требует мощного фундамента.

   Растяжные мачты используются для размещения маломощных ветряков, и имеют высоту до 20 метров. Положительные стороны такой конструкции — это ее относительная дешевизна и простота установки.
   
   В стоимость мачты входят затраты на сварочные работы для ее изготовления, монтаж и сами материалы: стальные трубы, тросы, крепежные элементы, бетон для фундамента. Устанавливается такая конструкция, как правило, с помощью лебедки.

   Минусом растяжной опоры является то, что на нее нельзя подниматься, а, следовательно, для обслуживания генератора каждый раз придется опускать и поднимать всю опору.

   Еще один недостаток — это большая площадь, занятая растяжными тросами. Но если место позволяет, то лучше установить такую мачту, поскольку стоимость ее будет на порядок ниже других вариантов.

2. Конические мачты также изготавливаются из труб, но гораздо большего диаметра. На такую опору можно устанавливать генераторы мощностью до 5 кВ. Благодаря своей конструкции, она может иметь высоту до 36 метров. Коническая конструкция опоры это ее главный плюс — благодаря этому генератор на такой мачте можно использовать при любых ветрах и вибрации при работе генератора будут минимальными. Отрицательной стороной конических опор является их стоимость, которая значительно выше по сравнению с растяжными мачтами, поскольку на ее изготовление уходит гораздо больше материалов и времени.
3. Сварная мачта или мачта-ферма — ее делают из отдельных деталей, которые монтируют непосредственно на месте. Такая конструкция надежна в работе и имеет низкую себестоимость. Минусами сварных мачт является их внешний вид и высокая парусность — постоянный гул ветра в деталях. Однако если такая мачта находится вдали от домов и внешний вид имеет второстепенное значение, можно обратить внимание на такой вариант.
4. Гидравлическая мачта имеет говорящее название — в ней применяется гидравлическая система, поднимающая и опускающая генератор на необходимую высоту. Это полностью автономная система, для установки мачты и обслуживания ветряка не нужен подъемный кран или другая техника. Однако такая мачта имеет один большой недостаток — она самая дорогая из всех перечисленных.

к содержанию ↑

Фундамент

Любая мачта для ветрогенератора представляет собой массивную конструкцию, которая должна иметь очень прочный фундамент. В случае с растяжной мачтой, требуется также заливка фундамента для крепления растяжек. Очевидно, что чем выше и массивнее мачта, тем прочнее должен быть фундамент.

Первоначально необходимо выбрать место для опоры с учетом ветров и наличия препятствий. Для фундамента потребуется площадь примерно 2х2 метра. Работы по заливке фундамента начинаются с подготовки котлована, его глубина должна составлять около 70 см. На дно котлована укладывается слой щебня толщиной до 20 см, утрамбовывается, а на него слой песка такой же толщины.

На утрамбованный песок устанавливается основа мачты так, чтобы она возвышалась над поверхностью земли на 15 см, и заливается бетоном марки М-400. Толщина слоя бетона должна составлять до 40 см. 12 часов спустя таким же бетоном заливается оставшаяся часть котлована. Устанавливать опору можно спустя месяц — после паузы для отстоя бетона.

Для промышленных генераторов

Промышленные ветрогенераторы, как правило, используются крупными энергетическими корпорациями. Такие установки объединяют в сети, которые образовывают ветровые электростанции.

Мачта для промышленного ветряка представляет собой капитальное сооружение, имеющее надежный фундамент. У основания установлен силовой шкаф, включающий силовые контакторы и цепи управления. Сама башня полая внутри, в ней расположены лестницы и силовые кабели, идущие от генератора к силовому шкафу.

На самом верху опоры расположен поворотный механизм, к которому непосредственно крепится гондола ветрогенератора, включающая в себя сам генератор, трансмиссию и тормозную систему.

Для вертикальных ветряных установок

Вертикальные ветрогенераторы имеют существенные конструктивные различия по сравнению с традиционными горизонтальными. Опоры для таких ветрогенераторов также имеют особенности.

Для этих установок не требуются высокие опоры и большие открытые пространства. Мачта для вертикального ветрогенератора представляет собой легкую разборную металлическую конструкцию высотой 3,5-6 м, которая может быть установлена на крыше любого здания.

Источник

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

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.

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:

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:

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

Ветрогенератор вертикальный

Рассмотрим вертикальный ветрогенератор внимательнее. Существует масса вариантов конструкции, из которых большинство является лишь проектом, не производится и в продаже не имеется. Недолгий поиск в сети выдает следующую картину: при наличии эффективных и производительных опытных образцов, производятся только разные варианты ортогональных роторов. Стоимость значительно различается — китайские модели заметно дешевле, хотя заявленные показатели вполне соответствуют европейским или американским установкам.

Учитывая реальную выработку 10 % от номинала, рассмотрим установки мощностью 20 кВт. Ветрогенератор Falcon Euro мощностью 20 кВт стоит 1050000 руб. В день он сможет произвести около 48 кВт. Простейший расчет показывает, что за 20 лет службы он произведет 350400 кВт энергии. Разделив цену комплекта на количество энергии получаем цену 1 кВт около 3 рублей. Эта цена расчетная, на практике затраты возрастут, а выработка снизится.

Если использовать более доступные китайские модели, то возникает вопрос о качестве. Насколько оборудование сможет выполнять свои функции в условиях сильных морозов, каков срок службы? Ответы на эти вопросы может дать только практика, поэтому использование таких устройств ограничено. Оптимальным вариантом остается самостоятельное изготовление вертикальных конструкций, позволяющее использовать наиболее производительные проекты, существенно снизить затраты на материалы и монтаж.

Генератор для ветровой турбины

Для функционирования ветряков необходимы обычные трехфазные генераторы. Конструкция таких устройств аналогична моделям, применяемым на автомобилях, но имеет большие параметры.

В приборах для ветряных турбин предусмотрена трехфазная обмотка статора (соединение по типу «звезда»), откуда выходят три провода, идущие на контроллер, где происходит трансформация переменного напряжения в постоянное.

Ротор генератора для ветротурбины изготовляется на неодимовых магнитах: в подобных конструкциях нецелесообразно использовать электровозбуждение, поскольку катушка потребляет много энергии

Для повышения оборотов нередко применяется мультипликатор. Такое приспособление позволяет увеличить мощность действующего генератора или использовать устройство меньшего размера, что снижает стоимость установки.

Мультипликаторы чаще применяются в вертикальных ветрогенераторах, у которых процесс вращения ветроколеса осуществляется медленнее. Для горизонтальных устройств с высокой скоростью вращения лопастей мультипликаторы не требуются, что упрощает и удешевляет конструкцию.

Способы увеличения КПД

Для того, чтобы увеличить КПД ветрогенератора, надо изменить в положительную сторону его рабочие или эксплуатационные характеристики. В первую очередь, надо повысить чувствительность крыльчатки к слабым и неустойчивым ветрам. Россия считается самой богатой ветровыми ресурсами страной, но это только из-за большой площади. Средние показатели в нашей стране относительно невысокие, скорости потока слабые или средние. Это вынуждает изыскивать пути повышении эффективности крыльчатки.

Одним из интересных предложений в этой области является «лепестковый парус», разработанный Евгением Цукановым. Он предложил идею создания своеобразной односторонней мембраны для воздушного потока, свободно пропускающей ветер в одну сторону и являющейся плотной непроницаемой преградой для потока обратного направления.

Согласно разработке Цуканова, полотно лопастей состоит из сетки, покрытой лепестками. Они прикреплены одной кромкой к сетке, свободно свисают вниз, частично перекрывая друг друга. При фронтальном направлении лепестки прижимаются к сетке, образуя непроницаемую поверхность, принимающую энергию ветра в полном объеме. Если направить поток с обратной стороны, лепестки под действием ветра поднимаются и пропускают воздух без сопротивления.

Этот вариант требует некоторых промышленных мероприятий, в частности, создании технологических линий по производству подобного полотна, но сама по себе идея весьма удачно позволяет устранить воздействие ветра на обратные стороны лопастей, что очень увеличит КПД вертикальных конструкций и позволит получить от них совершенно другие результаты.

Существуют и другие способы, например, использование диффузоров или защитных колпаков, отсекающих поток с противодействующих поверхностей. Все эти варианты конструкции имеют свои достоинства и недостатки, но, в целом, они намного эффективнее традиционных образцов, поэтому нуждаются в активной доработке, запуске в промышленное производство.

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

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.

Калькулятор расчета прогнозируемой мощности ветрогенератора

Пояснения по проведению расчетов

Следует правильно понимать – никакой, даже самый совершенный и напичканный современной электроникой генератор не берет энергию ниоткуда, и не способен выдать больше того показателя, который определяется скоростью ветра и размерами ветряка. Иными словами, даже в идеальных условиях можно получить только ту энергию, которая переносится ветровым потоком через определенную площадь. Понятно, что площадью выступает в данном случае площадь круга, образованного вращением лопастей горизонтального ветряка.

Но весьма значительная часть этой энергии расходуется, так сказать, бесполезно – это создание завихрений воздуха, несоврешенсво крыльчатки, потери на силы трения в механике самого ветряка, системы передачи вращательного момента и в генераторе. Это банальный нагрев механизмов, потери в целях преобразования и передачи тока и многое другое. И считается очень неплохим показателем, если на выходе остается порядка 30÷40% от исходного энергетического потенциала. А на практике получается и того меньше.

Значит, задумывая создание ветровой энергетической установки, следует оценить, какое же от неё ожидается поступление электрической энергии. Оно зависит от скорости ветра (в кубической зависимости) и диаметра ветряка (в квадратичной).

Скорость ветра, понятное дело – величина непостоянная. Но для каждой местности рассчитаны среднегодовые показатели, на которые можно ориентироваться, если составляется прогноз на некоторую перспективу (месяц, год и т.п.). Эти показатели можно подсмотреть на карте схеме, размещённой ниже, но лучше все же уточнить в местной метеорологической службе.

Карта-схема среднегодовых скоростей ветра по регионам России

Итак, если есть намётки по размерам лопастей создаваемого генератора, можно провести и расчет мощности. Формула уже заложена в алгоритм калькулятора.

• Пользователю для начала предлагается указать скорость ветра. Некоторые пояснения на этот счет. Прогнозы выработки электроэнергии на определенный период проводятся именно по среднегодовой скорости. А вот номинальная мощность ВЭУ обычно вычисляется по так называемой расчётной скорости ветра, которая может быть в 1,5÷2 раза выше.
• Вторым пунктом указывается радиус ротора ветрогенератора, то есть расстояние от его оси до края лопасти.

(Интересно, что от количества лопастей ничего в данном случае не зависит. Точнее, даже несколько обратная картина – если лопастей больше трех, то может стать только хуже, так как теряется скорость вращения).

Если известны показатели КПД самого генератора и системы передачи вращения (редуктора), то они указываются в соответствующих полях. Если таких данных нет – можно оставить без изменения по умолчанию.

Остается нажать на кнопку расчета и получить результат. При вычислении от среднегодовой скорости ветра имеется возможность представить, какое количество энергии можно будет получить за определенный период.

К великому разочарованию многих, показатели могут быть более чем скромными. Так что есть над чем подумать, прежде чем принимать какое-то решение.

Расчет параметров ветроколеса

Расчет ветроколеса имеет важное значение при создании ветрогенератора. Именно крыльчатка принимает на себя поток ветра, передает его энергию в виде вращательного движения на ротор генератора

Для расчета потребуется, прежде всего, знание параметров генератора — мощность, номинальная скорость вращения ротора и т.д.

Следует учитывать, что увеличение количества лопастей снижает скорость вращения, но увеличивает мощность вращательного движения. Соответственно, малое число лопастей надо применять на быстроходных генераторах, а большое количество —торах, нуждающихся в большом усилии вращения.

Формула быстроходности ветроколеса выглядит следующим образом:

Где Z — искомая величина (быстроходность),

L — длина окружности, описываемой лопастями.

W — частота (скорость) вращения крыльчатки.

V — скорость ветра.

Специалисты рекомендуют для самостоятельного изготовления выбирать многолопастные образцы с количеством лопастей от 5 штук. Они не требовательны к балансировке, имеют более стабильную аэродинамику и более активно принимают на себя энергию воздушного потока.

Сколько экономии энергии дает ветряк?

Величина экономии, полученной от использования ветрогенератора, рассчитывается по собственным данным. Она складывается, с одной стороны из расходов на приобретение и сборку ветряка или его деталей, расходов на обслуживание комплекта. С другой стороны, учитывается стоимость сетевой электроэнергии в данном регионе, либо цена подключения и прочие расходы, связанные с этим.

Разница полученных величин и будет являться величиной экономии. Необходимо учесть также отсутствие возможности для подключения в некоторых районах, когда ветрогенератор становится единственным доступным вариантом. В таких случаях разговор об экономии становится неуместным.

Сколько электроэнергии вырабатывает?

Количество вырабатываемой энергии зависит от параметров крыльчатки и собственно генератора. Максимально возможным количеством следует считать номинальные данные генератора, уменьшенные на величину КИЭВ крыльчатки. На практике показатели намного ниже, так как в получении результата большое значение имеет скорость ветра, которую невозможно заранее предсказать.

Кроме того, имеются различные тонкие эффекты, в сумме оказывающие заметное влияние на конечную производительность ветряка. Принципиально важными значениями являются диаметр крыльчатки и скорость ветра, от них напрямую зависит количество полученной энергии.

Минимальная скорость ветра для ветряка

Минимальная скорость ветра — в данном случае это величина, при которой лопасти ветряка начинают вращаться. Это значение показывает степень чувствительности крыльчатки, но на конечный результат влияет слабо. Генератор имеет собственные потребности, для него само по себе вращение еще не решает все вопросы.

Требуется определенная скорость и стабильность движения, отсутствие резких рывков. Рассматривать минимальную скорость вращения следует только с позиций общей эффективности рабочего колеса, позволяющей оценивать его способность обеспечить выработку энергии на слабых потоках.

Окупаемость ветрогенератора

Использование ветряка начинается с определенных финансовых вложений

Неважно, приобретался он в готовом виде, или изготавливался из подручных материалов своими руками, расходы присутствуют всегда. Любые затраты вызывают вполне естественное желание знать, что именно приобретается за эти деньги и какой экономический эффект такая покупка создаст

Установка по производству электроэнергии — специфическое устройство, в корне отличающееся от других источников. Прежде чем начинать подсчет барышей, надо разобраться, где их искать.

О чем идет речь?

Говоря об окупаемости, следует правильно понимать, о чем идет речь. В обычном понимании, окупаемость — это возможность возместить затраты. Срок окупаемости — это время, которое необходимо для возмещения расходов. Это базовые понятия, но окупаемость — это просто явление, некий процесс.

Срок окупаемости — это величина, которую можно учесть в каких-либо расчетах, изменить в ту или иную сторону. При этом, если есть окупаемость, значит присутствует либо торговля, либо альтернатива. То есть, купленный ветряк производит энергию, которая продается другим потребителям. Через какое-то время доход перекроет расход, что будет означать окончание срока окупаемости.

Другой вариант — присутствие альтернативного источника энергии, расходы на который за определенный период времени сопоставляются с расходами на ветряк.

Если использование ветряка является единственным способом получения энергии, без продажи другим пользователям, то ни о какой окупаемости речи быть не может. В такой ситуации некорректно даже использование этого термина.

Специфика эксплуатации ветряка

Ветрогенератор — это установка, производящая электрический ток. Он работает на совершенно бесплатном сырье, т.е. ветер достается даром, не требует расходов на изготовление, добычу и т.п. Такие условия существенно отличают ветряки от других электростанций, использующих углеводородное топливо. При этом, ветер — неустойчивый и нестабильный источник.

Для России он является малоперспективным, так как на территории страны преобладают слабые ветра. Ветрогенератор с номинальной мощностью 1 кВт на практике развивает 10 % мощности, т.е. около 100 Вт. В таких условиях приобретение дорогостоящего оборудования при имеющейся возможности подключения к дешевой сетевой энергии исключается.

Актуальным остается лишь вариант использования самодельного устройства, либо приобретение установки при полном отсутствии сетевого подключения.

Приведенные данные показывают, что отдельный ветрогенератор, даже при относительно большой мощности, не окупится никогда. Срок службы оборудования, заявленный производителями, составляет 20 лет. Учитывая сложные климатические условия России, морозные зимы, суточные перепады температур, можно предположить сокращение срока эксплуатации.

Генераторы на многолопастном роторе с направляющим аппаратом

Многолопастный роторный ветряк — это основательно переработанный ортогональный ветрогенератор. Роторный комплекс состоит из двух лопастных блоков, вертикальной установки.

Наружный блок состоит из неподвижных лопастей, вращается лишь внутренний. Внешние неподвижные лопасти захватывают воздушный поток, направляя его не внутреннюю лопастную карусель, приводя ее в движение. КПД такого ветрогенератора примерно в два раза выше, чем аналогичных роторных конструкций вертикальной установки. Но ветрогенератор с многолопастным ротором самый дорогой среди вертикальных роторных ветряков, что сдерживает их распространение среди частных потребителей.

Схемы работы ветрогенераторов

Вариантов работы ветрогенератора может быть несколько:

1. Автономная работа ветрогенератора.

Автономная работа ветрогенератора

1. Такая совместная работа считается очень надежным и эффективным способом автономного электроснабжения. При отсутствии ветра, работают солнечные батареи. Ночью, когда не работают солнечные батареи, аккумулятор заряжается от ветровой установки.

Параллельная работа ветрогенератора с солнечными панелями

1. Ветрогенератор также может работать параллельно с электросетью. При избытке электроэнергии, она поступает в общую сеть, а при недостатке ее потребители электроэнергии работают от общей электросети.

Параллельная работа ветрогенератора с электросетью

Ветряные генераторы могут прекрасно работать с любыми видом автономного электроснабжения и общей электросетью. Создавая при этом единую систему энергоснабжения.

Пример расчета лопастей из 160-й трубы для данного генератора

Самый лучший результат я получил из 160-й трубы при диаметре 2,2м и быстроходности Z3,4 — лопастей 6шт, но такой диаметр винта из трубы 160мм лучше не делать, слишком тонкие и хлипкие лопасти получатся. При 3м/с номинальные обороты винта составили 84об/м и мощность винта 25ватт, то-есть примерно подходит. Надо конечно с запасом на КПД генератора, но 160-я труба и так тонкая и скорее всего уже при 7м/с будет наблюдаться флаттер. Но для примера пойдет

Теперь если изменять скорость ветра в таблице, то видно что мощность винта и его обороты будут примерно совпадать с параметрами винта, что нам и требуется, так-как важно чтобы винт был не перегружен и не недогружен — иначе пойдет вразнос на большом ветре.
>

Так при разном ветре я получил такие данные винта. Ниже на скриншоте данные винта при 3м/с, максимальная мощность винта (КИЭВ) при быстроходности Z3,4 Обороты и мощность при этом примерно совпадают с мощностью генератора при этих оборотах

Обороты генератора 100об/м- 2 Ампер 30 ватт
>

Далее вводим скорость 5м/с, это как видно на скриншоте 141об/м винта и мощность на валу винта 124 ватта, тоже примерно совпадает с генератором. Обороты генератора 150об/м — 8 Ампер 120 ватт
>

При 7м/с винт начинает по мощности обходить генератор и естественно недогруженный набирает большие обороты, по этому быстроходность я поднял до Z4 , получилось тоже примерное совпадение по мощности и оборотам с генератором. Обороты генератора 200об/м -14 Ампер 270 ватт
>

При 10м/с винт стал гораздо мощнее генератора при номинальной быстроходности так-как мало-оборотистый и не может раскрутить генератор быстрее. Так при Z4 мощность винта 991ватт, а обороты всего 332об/м. Обороты генератора 300об/м — 26 Ампер 450 ватт. Но недогруженный генератор позволяет раскрутится винту до быстроходности Z5 и выше, при этом КИЭВ винта падает, а следовательно и мощность, но при этом возрастают обороты, по этому получилось так что винт раскрутит генератор немного больше, но сам при этом потеряет в мощности и где то наступит баланс. Данные при этом примерно совпадут с генератором, но винт явно по мощности обгоняет генератор, по-этому при этом ветре пора делать защиту уводом винта из под ветра.
>

Так мы подогнали винт из ПВХ трубы диаметром 160мм под генератор. Сразу скажу что именно шести-лопастной винт такой быстроходности оказался самым подходящим. А так можно считать винт любого диаметра и количества лопастей. Просто трех-лопастной винт диаметром 2,3м для этого генератора оказался слишком скоростным и он не набрал бы обороты для своего максимального КИЭВ, так-как генератор сразу бы его начал тормозить.

По этому увеличением количества лопастей я понизил обороты винта и сохранил его мощность. Так винт получился подходящим под генератор, но 160-я труба внесла свои ограничения, в частности и так диаметр слишком большой и на ветру от 7м/с винт с хлипкими и тонкими лопастями скорее всего получит флаттер, и будет рокотать как взлетающий вертолет. Да и этим винтом мы снимаем с генератора грубо говоря при ветре 10м/с всего ватт 600-700, а можно в два раза больше, если поднять быстроходность винта и немного увеличить его диаметр.

Ниже скриншот с вкладки «Геометрия лопасти». Это размеры для вырезания лопасти из трубы

>

Как работает простой ветрогенератор

Ветрогенератор – прибор, позволяющий преобразовывать энергию ветра в электричество.

Принцип работы его заключается в том, что ветер вращает лопасти, приводит в движение вал, по которому вращение поступает на генератор через редуктор, увеличивающий скорость.

Работа ветряной электростанции оценивается по КИЭВ – коэффициенту использования энергии ветра. Когда ветроколесо вращается быстро, оно взаимодействует с большим количеством ветра, а значит забирает у него большее количество энергии

Подразделяют две основные разновидности ветряных генераторов:

Вертикально ориентированные модели построены так, чтобы ось пропеллера была расположена перпендикулярно земле. Таким образом, любое перемещение воздушных масс, независимо от направления, приводит конструкцию в движение.

Такая универсальность является плюсом данного типа ветряков, но они проигрывают горизонтальным моделям по производительности и эффективности работы

Для контроля и улавливания изменений направления ветра устанавливают специальные приборы. КПД при таком расположении винта значительно выше, чем при вертикальной ориентации. В бытовом применении рациональней использовать ветрогенераторы этого типа.

Расчет мощности ветрогенератора

Самостоятельное изготовление ветряка также нуждается в предварительном расчете. Никому не хочется потратить время и материалы на изготовление неведомо чего, хочется иметь представление о возможностях и предполагаемой мощности установки заранее. Практика показывает, что ожидания и реальность между собой соотносятся слабо, установки, созданные на основе приблизительных прикидок или предположений, не подкрепленных точным расчетами, выдают слабые результаты.

Поэтому обычно используются упрощенные способы расчетов, дающие достаточно близкие к истине результаты и не требующие использования большого количества данных.

Формулы для расчёта

Для расчета ветрогенератора надо произвести следующие действия:

• определить потребность дома в электроэнергии. Для этого необходимо подсчитать суммарную мощность всех приборов, аппаратуры, освещения и прочих потребителей. Полученная сумма покажет величину энергии, необходимой для питания дома
• полученное значение необходимо увеличить на 15-20 %, чтобы иметь некоторый запас мощности на всякий случай. В том, что этот запас нужен, сомневаться не следует. Наоборот, он может оказаться недостаточным, хотя, чаще всего, энергия будет использоваться не полностью
• зная необходимую мощность, можно прикинуть, какой генератор может быть использован или изготовлен для решения поставленных задач. От возможностей генератора зависит конечный результат использования ветряка, если они не удовлетворяют потребностям дома, то придется либо менять устройство, либо строить дополнительный комплект
• расчет ветроколеса. Собственно, этот момент и является самым сложным и спорным во всей процедуре. Используются формулы определения мощности потока

Для примера рассмотрим расчет простого варианта. Формула выглядит следующим образом:

Где P — мощность потока.

K — коэффициент использования энергии ветра (величина, по своей сути близкая к КПД) принимается в пределах 0,2-0,5.

R — плотность воздуха. Имеет разные значения, для простоты примем равную 1,2 кг/м3.

V — скорость ветра.

S — площадь покрытия ветроколеса (покрываемая вращающимися лопастями).

Считаем: при радиусе ветроколеса 1 м и скорости ветра 4 м/с

P = 0,3 × 1,2 × 64 × 1,57= 36,2 Вт

Результат показывает, что мощность потока равняется 36 Вт. Этого очень мало, но и метровая крыльчатка слишком мала. На практике используются ветроколеса с размахом лопастей от 3-4 метров, иначе производительность будет слишком низкой.

Что нужно учитывать

При расчете ветряка следует учитывать особенности конструкции ротора . Существуют крыльчатки с вертикальным и горизонтальным типом вращения, имеющие разную эффективность и производительность. Наиболее эффективными считаются горизонтальные конструкции, но они имеют потребности в высоких точках установки.

Не менее важным будет обеспечение достаточной мощности крыльчатки для вращения ротора генератора. Устройства с тугими роторами, позволяющие получать хороший выход энергии, требуют немалой мощности на валу, что может обеспечить только крыльчатка с большой площадью и диаметром лопастей.

Не менее важным моментом являются параметры источника вращения — ветра. Перед производством расчетов следует как можно подробнее узнать о силе и преобладающих направлениях ветра в данной местности. Учесть возможность ураганов или шквалистых порывов, узнать, с какой частотой они могут возникать. Неожиданное возрастание скорости потока опасно разрушением ветряка и выводом из строя преобразующей электроники.

Расчёт и выбор ветрогенератора

На что нужно обращать внимание при выборе ветрогенератора. Для начала поймите, что зарубежные дорогие модели необязательно будут оптимальным решением

Здесь нужно исходить из ваших потребностей в выработке электричества. Так, что подсчитайте, сколько электричества вы будете расходовать.

Ветрогенератор с геликоидным ротором

При выборе стоит учитывать тот факт, что все модели ветрогенераторов рассчитаны на свою скорость ветра. То есть, они выдают мощность, указанную производителем, только при определённой скорости ветра. А значит, не последнюю роль играют климатические условия в вашем регионе. К примеру, максимальная мощность достигается при 10-12 метров в секунду. А в вашем регионе это значение в среднем 4-5, то заявленная электроэнергия вырабатываться не будет. Получится так, что просто переплатите и не получите ожидаемой мощности.

Мощность ветрогенератора напрямую зависит от диаметра того круга, который образуют лопасти. Приблизительно можно вычислить мощность по следующей формуле:

P = D^2 * R^3 / 7000, где

D – диаметр лопастей;

R – скорость ветра.

Если диаметр будет равен 1,5 метра, а скорость в вашей местности 5 метров в секунду, то мощность будет примерно 0,04 киловатта. Как видно мощность можно увеличить двумя способами: наращивая диаметр и скорость ветра. Причём последний параметр от нас не зависит

Обращайте внимание при покупке и на ёмкость аккумуляторов. Штиль может быть практически везде, кроме прибрежных зон

И в такие периоды ваши электроприборы будут брать электричество от аккумуляторов. Их ёмкость ограничена. Поэтому лучше дополнительно иметь резервное питание.

Какое количество электроэнергии требуется обычной семье? В рядовой квартире у нас набегает за месяц примерно 360 кВтч. Ветрогенератор мощностью 5 киловатт выработает это количество даже при небольшой скорости ветра, какая обычно бывает в средней полосе России. А вот если энергопотребление велико (к примеру, стоит электрообогреватель, электрокотёл и т. п.), то ветрогенератора мощностью в 5 киловатт уже не хватит. Если только он не установлен у берега моря или крупного водоёма.

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.

Предварительно выполненные расчёты определяют целесообразность реализации проекта, помогают установить, насколько затратным или экономным получается проект.

Имеете опыт в решении подобных задач? Или остались вопросы по теме? Пожалуйста, поделитесь своими навыками расчета и проектирования ветрогенератора. Оставлять комментарии и задавать вопросы можно в форме, расположенной ниже.

Источник