ветрогенератор

В течение трех лет мне пришлось жить в загородном доме без централизованного электроснабжения и за это время удалось наладить автономную энергетическую систему, которая позволяет жить и работать семье в любое время года.

В современной жизни многие стремятся построить загородные дома и по возможности проводить там больше времени. При этом энергетика пригородов развивается слабо, оборудование в сильно изношенном состоянии, провода воруют, отключения на неопределенный срок (как правило тогда, кода больше всего нужно) стали привычным явлением.

Прогноз развития ситуации скорее всего пессимистический – ситуация будет только ухудшаться, а электроэнергия дорожать??? Тем, кто не хочет ждать “у моря погоды”, обращен этот материал и надежда найти единомышленников. Вот некоторые соображения и описание достигнутого.

Задача автономного электроснабжения может решаться двумя принципиально разными способами:
1) установка постоянно (когда это необходимо) работающей электростанции, которая обеспечивает все потребности в электричестве;
2) создание комплексной системы электропитания, которая может в себя включать и электростанцию, но работающую только тогда, когда нужна большая мощность или другие источники энергии исчерпаны.

Первый способ обладает тем преимуществом, что позволяет не решать множество задач и дает возможность пользоваться стандартными техническими решениями, но имеет несколько противопоказаний:
– необходима электростанция, имеющая большой моторесурс, малый расход топлива, предназначенная для круглосуточной эксплуатации в необслуживаемом режиме, не создающая радио помех, шума и вибраций, а следовательно дорогая (правда некоторые из этих проблем можно свести на нет своими силами);
– необходимо хранилище топлива и при том пожаробезопасное;
– для установки электростанции нужно специальное помещение, позволяющее отчасти скрыть недостатки доступных электростанций т.е. имеющее хороший фундамент, толстые стены, вытяжную вентиляцию, уходящую в небо выхлопную трубу;
– для устранения неприятных запахов желательно установить достаточно высокую выхлопную трубу, но у нее при эксплуатации в зимнее время возникнет проблема, состоящая в том, что большая часть трубы не будет прогреваться выше точки росы и как следствие после остановки электростанции собравшая в трубе вода будет замерзать и закрывать трубу. Эту проблему можно решить, установив у нижней точки трубы сливной кран с которого спускать конденсат перед выключением электростанции или (и) обеспечив теплоизоляцию всей трубы.

Снизить расходы на топливо можно переведя электростанцию с жидкого топлива на газообразное, что одновременно снизит токсичность выхлопных газов, но этот способ применим только для четырехтактных двигателей.  (далее…)

Как показала практика. Мне стало совершенно очевидно – надо использовать ветер. Дни стали более пасмурные и СБ не справляются. Для не продолжительного пребывания два/три дня, энергии накопленной в аккумуляторах еще хватает. А после начинаются сложности.

Поразмыслив мы (с сыном Вовкой), пришли к следующему: надо ставить ветрогенератор. Можно конечно докупить панели, но экономически это выйдет дороже. Можно поддерживать систему дизель генератором. Но этот вариант мы отметаем в принципе. Если участок не большой (12 соток) постоянный шум от работы дизеля доведет до бешенства соседей и вас самих. Заправлять надо постоянно, значит и подвозить топливо тоже надо постоянно. Солярка, или тем более бензин, стоят денег. А зимой? Мало радости остывшую технику заводить, даже если она и снабжена автозапуском, все равно не избежать возни. Лично я это не люблю. Опять же, основной провал случается ночью, поскольку ночью батареи не производят энергию вобще. И все потребители «высасывают» из аккумуляторов накопленное за день электричество. И что дизель всю ночь лопатить будет? Как-то «не комильфо».

На всякий случай сын сварганил коммутацию, которой в авральном режиме можно подзарядить АБ от машины. Ну там датчики всякие, амперметры и т.д. Тривиально «прикурить», т.е. подгоняем машину, заводим, протягиваем кабеля с клем автомобиля и даем на гелевые АБ зарядку. Очень не удобно, потому как предварительно надо отсоединить от системы гелевые аккумуляторы, заряжать их таким способом не рекомендуется долго, и т.д. и т.п. Вобщем- не элегантное решение.

Итак:

• докупать СБ не экономично и не продуктивно. Ночью они будут простаивать.
• дизельгенератор – не экологично, шумно, не удобно и опять же дорого.
• зарядка от авто – не удобно, тоже не дешево.

Остается ветрогенератор. Самое ценное в этом решении, что он будет подавать заряд на АБ ночью! Если конечно есть ветер. А он у нас присутствует почти всегда. Кстати, ветряк начинает подавать ток при ветре около 4 м/сек. Это легкий ветерок, очень легкий. Ну и ток будет при таком ветре тоже «легкий». Зато тихо и круглые сутки.  (далее…)

Подбирающие ветер

К теме использования альтернативных источников энергии, и прежде всего ветра, журнал “Наука и жизнь” обращается не впервые. Потому что тема эта из области сугубо теоретической плавно, но непрерывно и неумолимо перетекает в сферу непосредственных жизненных интересов каждого жителя нашей страны. Проблема нехватки энергии, казавшаяся бесконечно далекой всего каких-то двадцать лет назад, сегодня стала реальностью. Стремительный рост цен на топливо, энергетические кризисы, учащающиеся аварии и отключения – все это грозные признаки грядущих, еще более мощных катаклизмов. Можно ли защититься от них? Что сделать, дабы жизнь не превратилась в выживание?

Как слезть с нефтяной иглы?

Ощутив удары первых нефтяных кризисов в 70-х годах, Америка и Европа всерьез озаботились развитием альтернативных источников энергии. Именно тогда начались разработка и строительство ветроэнергетических установок. Запад пошел по пути создания больших агрегатов, мощностью от 500 кВт и выше, работающих на единую энергетическую сеть государства. Кстати, такие агрегаты можно нередко увидеть в эпизодах зарубежных фильмов: обширные поля ветряков, построенных посреди пустынной местности. Безлюдье, ветер и безостановочное вращение лопастей.

Гораздо меньше внимания и американцы и европейцы уделяли небольшим машинам автономного класса, предназначенным для энергообеспечения отдельных жилищ и объектов. Так на рынке образовалась ниша, которую сегодня успешно занимают российские производители.

Специальное конструкторское бюро “АТИК” (“Авиационные технологии и композиты”) занимается проектированием и строительством ветроэнергетических машин более десяти лет. Именно здесь была разработана уникальная машина, аналогов которой в мире сегодня нет. Двухлопастная ветроустановка ВЭУ-2000 создана на основе высоких технологий обороной промышленности и содержит набор оригинальных технических решений, которые и обеспечили ей значительный отрыв от конкурентов. Но прежде чем рассказать о ней подробнее, поговорим о другом.

Проблемы реальные и мнимые

Как ни странно, в свое время проекты развития ветроэнергетики имели немало противников. Они указывали на шум, необходимость отчуждения значительных территорий, возможный ущерб экологии. Наконец – на ненадежность, непостоянство энергоснабжения, напрямую зависящего от капризов погоды.

Лопасть с центробежно-аэродинамическим регулятором

Попробуем последовательно в этом разобраться.

Дмитрий ВОЛОСОВ, главный инженер ЗАО СКБ “АТИК”:

– Первый и самый очевидный вопрос: что делать, если ветра нет? В самом деле, ветер – структура переменчивая. Но только на первый взгляд. Потому что эта структура описывается четкими математическими законами для каждого данного участка земной территории. И во всех регионах Земли подобные исследования давно проведены метеослужбами. Существуют такие параметры, как среднегодовая скорость ветра, распределение ветров по месяцам. Они сведены в кадастры ветров, с которыми потенциальный потребитель может ознакомиться на ближайшей метеостанции. Зная эти параметры, почти всегда можно создать энергокомплекс, обеспечивающий полностью бесперебойное питание в течение всего года. Разумеется, в идеале кроме аккумуляторов комплекс следует дополнить солнечными батареями: мы исходим из того, что он должен обеспечивать энергоснабжение в течение двухсуточного штиля. Но сомневаться, что ветроуста новка способна надежно снабжать дом электричеством, не приходится.

Это возможно при обязательном соблюдении некоторых условий. Важнейшее из них – конкретная привязка к местности. Нужно оценить ветровой потенциал, класс открытости местности, есть ли поблизости ветрозатеняющие объекты, на каком расстоянии они находятся, наличие водных пространств. О чем идет речь? Если рядом протекает река, ветер, как правило, дует вдоль русла. Если большое озеро или море – главенствующие ветры дуют перпендикулярно береговой линии. Но это еще не все. При выборе места размещения установки нужно учитывать особенности огибания местности ветром. Поднимается ветер, и воздушный поток начинает закручиваться на складках рельефа. Как ни странно, даже в самой открытой ветрам местности всегда можно найти такую точку, где ветра вообще почти не будет – этакую “тень”. Нужно точно отыскать наилучшее место для установки мачты, выбрать ее высоту. От этого зависит количество энергии, которую получит потребитель. Наши специалисты вполне успешно решают подобные проблемы.

Дом в коттеджном поселке под Новосибирском. Справа у дома – панель солнечной батареи

Второе распространенное предубеждение – шум. Да, шум работе ветряков сопутствует. Но все исследования по шумам проводились для очень больших ветрокомплексов мегаваттных мощностей. Они действительно являются источником колебаний в инфразвуковом диапазоне, создают нагрузку на почву, влияют на экологию, затрудняя миграцию насекомых и птиц.

Маленькие машины шумят совсем на других частотах. Мы много раз пытались специальной аппаратурой замерить уровень шума нашей установки – и ничего не получалось. Потому что естественный, фоновый шум ветра ее перекрывал. Нужно сказать, что ни от кого от наших клиентов жалоб на шум мы ни разу не слышали.

Третье – надежность и долговечность. Люди спрашивают: как и кто будет обслуживать? Но ветроустановка – это не автомобиль. Она собрана, обкатана, все поверхности вращения прошли специальную обработку по технологии, которая до сих пор применялась в основном в оборонном комплексе. Специальная металлокерамическая пленка покрывает трущиеся поверхности, снижая трение до чрезвычайно малых значений. Точно так же обрабатываются подшипники установки. Поэтому никакого обслуживания, как ни странно, вообще не требуется. Смонтировали, ввели в эксплуатацию, и система начинает работать без человеческого участия. Единственное, за чем нужно следить, это натяжение тросов, крепящих мачту ветряка. Под действием температур их длина меняется. Значит, летом нужно подтянуть, зимой – отпустить. Ничего сложного тут нет.

Назначенный гарантированный изготовителем ресурс бесперебойной работы нашей установки 40 тысяч часов – десять лет эксплуатации, хотя мы рассчитываем, что на самом деле срок работы гораздо выше.

Ветроустановка ВЭУ-2000. Иткул, Башкирия

О гарантийном и послегарантийном обслуживании все же следует сказать подробнее. Часто случается, что, если какой-либо товар приобретается через посредников, потребителю приходится довольно долго ждать поставки запасных частей, прибытия специалиста и так далее. У нас ситуация простая. Поскольку претензий к качеству очень мало (те, что возникают, связаны с ошибками при самостоятельном монтаже), мы имеем возможность оперативно выезжать в любую точку страны для исправления недостатков. Но лучше всего, когда наши специалисты монтируют установку сами. Тогда и ездить больше не приходится.

Где стоять ветрякам?

Когда специалисты СКБ “АТИК” начинали свои разработки, предполагалось, что ветроустановки прежде всего будут снабжать энергией навигационные, метеорологические, радиорелей ные и другие автономные станции, расположенные в удаленных от населенных пунктов районах. Но очень скоро стали поступать заказы от руководителей территорий, озабоченных проблемами своих избирателей. В Салехарде, например, недавно закупили две установки для снабжения электричеством удаленных поселков. А еще через какое-то время клиентами СКБ начали становиться частные граждане, и количество таких заказов постоянно увеличивается.

Схема ветроустановки: 1 – ветроагрегат; 2 – блок электропитания;

3 – выпрямительно-коммутационная коробка; 4 – разборная вышка;

5 – фундаментные узлы; 6 – растяжки; 7 – солнечная батарея;

8 – аккумуляторные батареи; 9 – теплоэлектронагреватель; 10 – инвертор

Несколько лет назад на окраине Новосибирска людям выделили участки для индивидуальной застройки. Вырос поселок, однако разрешение на подключение электричества и водопровода застройщикам не дали до сих пор. То ли по причине изношенности оборудования, то ли по какой-то иной. Жители вынуждены были искать выход самостоятельно. Большинство установили дизельные генераторы. Но какими бы современными они ни были, недостатки все равно очевидны – шум, выхлоп, да и топливо все дорожает. О надежности при непрерывной работе тоже говорить приходится с большой осторожностью. Один из жителей обратился в СКБ “АТИК”. Специалисты смонтировали на его участке ветроустановку. Произошло это два года назад, и за прошедшее время никаких претензий от потребителя не поступало.

Разумеется, разместить ветрогенератор можно не на всяком участке. Отчуждаемая площадь составляет 70 м² и дачных 6-ти соток тут маловато. То есть цветы вокруг мачты сажать, конечно, получится, а деревья уже нет. Но и для таких случаев существуют приемлемые технические решения. Смонтировать установку можно непосредственно на крыше, хотя подобную схему нужно предусмотреть заранее. Генератор крепится на специальной стальной ферме, которая является элементом конструкции строения. Кстати, дальновидные клиенты сейчас так и поступают, ставя соответствующую задачу архитекторам своих домов.

Разработанный специалистами ЗАО СКБ “АТИК” электронный блок

управления невелик и компактен. Его вес чуть превышает 3 кг

Заказчик из Башкирии пожелал обеспечить независимым энергоснабжением охотничий домик. ВЭУ-2000, смонтированная в комплексе с солнечными панелями, эту независимость дала. А вскоре заказчик вновь обратился к изготовителю, попросив сделать то же самое на его даче, которую он строит на Рублевском шоссе.

Поймать малый ветер

Ураганы, подобные тропическим, в нашей стране, к счастью, случаются крайне редко. Повторяемость малых ветров на большей части территории России гораздо выше, чем больших. Поэтому задачей специалистов СКБ стало создание такого агрегата, который смог бы максимально использовать малые ветра. Подобрать их! И отдать потребителю.

Основа любой ветроустановки – ее “крылья”, ветряк. От того, с какой скорости ветра он начнет раскручиваться, зависит все остальное. На ветрополигоне под Истрой установлен ветрогенератор одной из ведущих в этой области американских фирм-производителей. Хорошая машина, надежная, ничего не скажешь. Но не работает она на малых подмосковных ветрах! Не для тех условий проектировалась! Хотя в паспорте и записано, что выработка энергии начинается при ветре 3 метра в секунду, реально это происходит только с 5 м/с. Почему? Да потому, что лопасти ветряка закреплены жестко, угол атаки не меняется, не позволяя уловить малый ветер. Соответственно и суммарная выработка энергии ниже.

Технические характеристики ВЭУ-2000

Генератор СКБ “АТИК” запускается при скорости ветра всего 2,5 м/с, а с 3 м/с энергия уже поступает в сеть. Чтобы добиться такого результата, был разработан и создан оригинальный центробежно-аэродинамический регулятор. Пока ветра нет, лопасти развернуты в положение максимального пускового режима. Чтобы, образно говоря, они могли начать движение от дуновения крыльев бабочки. Как только ротор тронется с места и начнет раскручиваться, регулятор устанавливает лопасти под рабочими углами. В этот момент происходит резкое увеличение скорости вращения и начинается отдача энергии. А когда сила ветра достигает штормовых величин, регулятор переводит лопасти в отрицательные углы, обеспечивая торможение.

Вообще, своим ветрогенератором конструкторы гордятся неслучайно. Это ноу-хау предприятия, аналогов которому у конкурентов нет. Он весь, целиком – корпус, обтекатель винта и лопасти – изготовлен из композиционного материала – стеклоуглепластика. При малой массе – высокая прочность и износоустойчивость. Материал обладает повышенным ресурсом, у него нет усталостных разрушений. Успех закономерен, поскольку в создании установки принимали участие выдающиеся отечественные специалисты, такие, как один из старейших российских ветротехников И. А. Бабинцев и главный специалист по прочности КБ “Туполев” И. Б. Гинко, ближайший соратник и друг А. Н. Туполева.

Ветроэнергетическая установка ВЭУ-2000, разработанная инженерами СКБ “АТИК”

на основе собственных технических решений и технологий, сегодня не имеет в

мире конкурентов. Она способна бесперебойно снабжать электроэнергией фермы и

загородные коттеджи, навигационные и метеорологические станции.

На фото: одна из установок, работающих в Башкирии. Эта ВЭУ-2000 обеспечивает

энергией охотничий домик

Следующая оригинальная составляющая установки – электронный блок управления. Он следит за тем, чтобы система не испытывала перегрузок, обеспечивает подзарядку аккумуляторных батарей, переключение на режим использования солнечных батарей, направляет излишки электроэнергии в теплоэлектронагреватель для накопления тепла. Вообще, этот блок позволяет собрать установку, равно приспособленную для использования любых доступных потребителю источников энергии: как ветрогенератора, солнечных батарей, так и дизельного генератора и централизованного электроснабжения. Все зависит только от желания потребителя.

И тут мы подходим еще к одному важному моменту.

На что хватает энергии?

Клиенты СКБ “АТИК” достаточно часто задают вопрос: а нет ли ветроустановки мощнее, чем 2 кВт? “А зачем?” – спрашивают разработчики. Покупатель начинает перечислять, какие приборы он собирается использовать в загородном доме жилой площадью, например, 200-300 м². Тогда изготовители садятся вместе с клиентом и считают.

На освещение потребуется 10-15 ламп. Естественно, нужно использовать современные, энергосберегающие, по 10-11 ватт. Далее: холодильник, телевизор, компьютер, аудиоцентр, насос для подачи воды и циркуляционный насос для системы отопления. Суммируем. Оказывается, что потребности в энергии полностью покрываются. Изготовители объясняют: “Мы продаем пользователям не абстрактную мощность установки, а конкретную возможность получать гарантированное количество электроэнергии. Установка может заявляться и как 5-киловаттная, а энергии достаточно не даст. Потому что не умеет подбирать малые ветра”.

На выставке в Лас-Вегасе ВЭУ-2000 интересовала не только специалистов,

но и конкретных покупателей – фермеров

А в паспорте ВЭУ-2000 записано: при такой-то среднегодовой скорости ветра потребитель получает не менее 2100 кВт·ч в год. Это примерно 180 кВт·ч в месяц. То есть даже в потенциально неблагоприятном ветровом районе, каким является Подмосковье, где не бывает тайфунов с женскими именами, обеспечивается уровень потребления не менее чем в просторной московской квартире. При условии, конечно, что у вас нет электроплиты и полов с подогревом. Подчеркнем, что это лишь минимальный гарантируемый уровень.

Собственно, возможность даже в Подмосковье жить в условиях автономного снабжения с помощью комплекса ВЭУ-2000 давно доказана практически.

Надо сказать, что поначалу у специалистов СКБ “АТИК” было намерение пойти по пути готовых технических решений: приобрести импортное оборудование и приспособить к своей ветроустановке. Однако расчеты показали: дорого. К тому же не всегда конструктивно удачно и применимо в условиях России. Поэтому, чтобы сделать надежную, дешевую энергоустановку, которую можно серийно производить для конкретного потребителя, пришлось самостоятельно разрабатывать весь ветроагрегат, включая собственные генератор и электронику. Так и родилась эта машина. Сравнение с американской установкой того же класса на Истринском полигоне показало, что собственные технические решения позволили поднять реальную выработку энергии в полтора-два раза. При этом российская установка весит почти вдвое меньше.

Сегодня создатели энергоустановки работают только с отечественными производителями. Она вся – продукт российского производства и российских технологий, что позволило выйти на новый уровень не только технических решений, но и качества. Оборонный комплекс страны до сих пор по многим позициям не имеет в мире конкурентов.

Установку весьма высоко оценили специалисты за рубежом. Среди клиентов СКБ “АТИК” европейские страны, Мексика, США, ЮАР. Кстати, в Мехико, куда была поставлена одна из машин, ей нашли оригинальное применение. Страхуясь от обвальных отключений электричества, подобных нью-йоркскому и московскому, ВЭУ-2000 разместили на крыше небоскреба, чтобы обеспечить аварийное электроснабжение высотных лифтов.

Борис РУДЕНКО

Щит-концентратор воздушного потока

Первая оценка эффективности щита-концентратора

Ветроконцентратор, преграждая поток, создает повышенное давление на наветренной стороне. Задача об истечении жидкости эквивалентна плоскому щиту-концентратору в выходную трубу которого вставлена турбина. Поэтому ветровая плотина имеет ограниченную скорость свободного истечения, определяемую разностью давлений на наветренной и подветренной сторонах.

В технике известны сопла Лаваля, в которых скорость газа в самом узком месте достигает скорости звука, и на выходе разгоняется даже до сверхзвуковых скоростей. Но такой любопытный эффект достигается лишь при отношении давлений по разные стороны устройства превышающего 1,9. В ветроустановках отношение давлений до установки и после составляет величину около 1,01 -1,001. Поэтому рассчитывать на околозвуковые скорости в концентраторах нереально.

(далее…)