ветряные электростанции

<< Начало

Таким образом, задача «построить хороший ветряк» трансформируется в задачу «построить «правильный» ветряк для конкретного места и конкретного потребителя». Здесь уместно посмотреть на существующий рынок и прояснить для себя плюсы и минусы существующих конструкций.

Для того чтобы сравнивать, нужно остановиться на каких-то параметрах (желательно цифровых) и приложить эти параметры к районам эксплуатации. Важнейшей характеристикой места эксплуатации является его «производительность», т.е. количество энергии, которое потенциально имеет ветер. Достаточно определенно эту «производительность» характеризует скорость ветра, например за год. Районы СНГ можно условно разбить на три, по среднегодовой скорости ветра:
– менее 3 м/с;
– от 3 до 5 м/с;
– более 5 м/с.

При этом нужно помнить, что скорость ветра распределена неравномерно по времени. Для просторов СНГ чаще всего общей является зависимость – слабые ветра 70-80% времени, средние ветра – 15-20% времени, сильные ветра – 5-7%, очень сильные ветра – 2-3%, штормы – 1%. Таким образом, чаще всего дует ветер 1-3 м/с. Штормы встречаются очень редко. Отсюда следует, что разумно ориентироваться на слабые ветра, даже если при сильных и штормовых ветрах придется ветряк остановить или сложить. Система увода ветряка из-под сильного ветра, конечно усложняет его конструкцию, но это уже следующий вопрос.

Теперь само время посмотреть на предложение. Большинство предлагаемых моделей – лопастные ветряки с горизонтальной осью разных размеров и соответственно мощности с двумя, тремя и четырьмя лопастями. Реже встречаются ветряки с большим количеством лопастей. Фирмы предлагают разнообразную комплектацию: от отдельных узлов до полного комплекта с монтажом и наладкой у заказчика. Некоторые модели собственного производства, много предложений импортных агрегатов – от китайских до уважаемых европейских производителей.

Если обратиться к цифровым показателям – видно, что заявленные мощности ветрогенераторы «выдают» при скоростях ветра 8-15 м/с; при этом минимальная скорость ветра (так называемая скорость страгивания) 2,5-4 м/с., максимальная эксплуатационная – 25-45 м/с. Несколько другие показатели имеют многолопастные и стаксельные ветряки. Минимальная скорость ветра 0,5-1,5 м/с. Максимальная мощность при скоростях ветра 6-20 м/с. максимальная эксплуатационная скорость ветра – 15-30 м/с.
Разница характеристик определяется в основном «заполненностью» окружности, которую описывают лопасти. Когда лопасти вращаются достаточно быстро, вся окружность используется достаточно эффективно и мало зависит от количества и площади лопастей. А вот на слабых ветрах многолопастные и стаксельные ветряки явно выигрывают. Им есть чем «ловить» ветер, они способны преобразовать в полезную работу очень слабые потоки воздуха. При усилении ветра они теряют преимущество, а на сильных ветрах проигрывают «лопастникам». Потери на трение растут вместе со скоростью.

Теперь попытаемся характеристики ветряков «привязать к местности». Становится понятно что в большинстве районов СНГ «лопастники» как правило стоят или работают в пол-силы. Исключение составлять будут прибрежные районы. Об этом же говорят и отзывы потребителей – часто ветроагрегаты не оправдывают ожидания потребителей. Мощность оказывается недостаточной на больших промежутках времени.
По многолопастным и стаксельным ветрякам опыта эксплуатации меньше, но расчетные показатели и тот опыт что есть говорят о более высокой эффективности на большей территории СНГ.

Проблемы эксплуатации и их решения

Если обобщить проблемы эксплуатации ветряков то их две: слабый ветер и сильный ветер. Потребителя раздражает, когда дорогостоящее устройство простаивает из-за слабого ветра или после поломки от сильного ветра. Причем тут важно правильно оценивать последствия. Разработчики умаляют последствия простоя от безветрия и сильно преувеличивают последствия от сильного ветра. В реальности простой – это прямые потери. И несколько недель безветрия могут принести больше потерь чем замена детали в течении пары дней после поломки от шторма.

Увеличивать запас по мощности тоже не выход. Если покупать ветрогенератор максимальной мощностью в 10 кВт для того, чтобы он вырабатывал 2 кВт, как минимум дороговато. А в конечном итоге лишние затраты ложатся на стоимость энергии.
С другой стороны, способность противостоять штормовым ветрам тоже ложится бременем на цену из-за утяжеления конструкции. А может быть не нужно противостоять шторму? Трава ведь не борется с ветром! Она ложится на землю, а потом поднимается, как ветер стихнет. А пальма «отдает» все листья, но спасает ствол. Листья быстро отрастают заново.

Можно попытаться описать «идеальный» ветряк:
– простая генераторная головка заданной мощности, способная работать на малых скоростях;
– легкие лопасти большой площади, чтобы «снять» энергию с минимального ветра;
– система складывания лопастей при усилении ветра;
– опора, опускающая генератор с лопастями при усилении ветра;
– нужно иметь возможность увеличивать/уменьшать мощность ветроагрегата в некоторых пределах, не перестраивая всю конструкцию.

Конструкция генератора для ветряка должна удовлетворять одновременно нескольким основным требованиям:
– генератор должен быть тихоходным;
– никаких щеток и скользящих контактов;
– возможность коммутирования обмоток с целью удержания напряжения в определенных пределах;
– простота;
– технологичность;
– ремонтопригодность.

Сайт постоянно обновляется! См. также рубрики:

• Ветроголовка и лопасти
• Генератор
• Мачта
• Электрооборудование
• Спецификация и цена

Вадим Беляев,
главный конструктор компании “Ветронет”

Человек использовал энергию ветра всегда. Вентиляция пещер или провеивание семян для удаления шелухи – это все использование ветра. Пересечение озера на бревне для любого дикаря есть опыт помощи или противодействия ветра. Вполне понятно, что лодки оснащались парусами с незапамятных времен.
Затем наступил черед «сухопутных парусников» – ветряков.

Ветряки – достаточно древнее устройство и использовались они для подъема воды, распиливания бревен, помола зерна – говоря современным языком: для получения механической энергии. Благодаря ветрякам цивилизация получила ощутимый толчок в развитии. Затем наступил спад. Парусники почти не бороздят морей и океанов, ветряки с трудом находят себе место в энергетике. Почему же так произошло?

Конечно, появились более мощные и удобные источники энергии. Конечно, повысились требования к качеству энергии – отсутствие напряжения или даже его перепады раздражают всех потребителей.
Но ведь и технология материалов и устройств не стоит на месте! Сегодня никого не удивишь композитными материалами и преобразователями энергии. Автоматы и роботы заменяют людей на тяжелой и опасной работе.

Почему современные ветряки очень дороги?
Почему современный владелец джипа с сотней лошадиных сил под капотом не в состоянии иметь ветряк, а его пра-прадедушка имея двух лошадок строил ветряную мельницу и потом молол муку всему селу. Стояли мельницы десятки и даже сотни лет почти в каждом селе. Причин конечно много, но мне кажется основные из них неправильно трактуются или замалчиваются.

Современная энергетика тяготеет к гигантизму. Самый мощный реактор или самая мощная турбина – это дело престижа государства! Такой же подход проповедуется и с ветряками: самый большой ветряк или самая мощная ветроэлектростанция – предмет гордости и зависти. Одним из показателей богатства и успешности страны является количество энергии на душу населения – чем больше, тем лучше!

С другой стороны централизованные сети – это способ контроля населения страны и даже мира. Добропорядочный гражданин потребляет энергию, работает чтобы ее оплатить и не высовывается. А если что-то не так – рубильник вниз! Тот, кто владеет энергией – владеет сегодня миром.

Совсем иначе выглядит экологическая, нетрадиционная, «зеленая» энергетика. С одной стороны, энергия есть практически везде – солнце, ветер, волны встречаются на Земле довольно часто. С другой стороны, плотность этой энергии относительно невелика и чтобы ее «собрать», нужно иметь приемники энергии большой площади. И тут возможны два подхода – можно сделать генератор «до неба» очень большой и очень дорогой (что мы и видим обычно), или сделать много маленьких, разбросанных по большой территории почти в каждом дворе.

Но в централизованную систему со всеобщим контролем населения ложится только «гигант», а много маленьких – это потеря контроля и в конечном итоге потеря власти. А кто же власть просто так отдаст! Вот отсюда и происходит явное и скрытое противодействие «малой энергетике». Никто не заинтересован в исследованиях и разработках небольших доступных устройств. Силами энтузиастов разрабатываются и изготавливаются некоторые модели, которые часто копируют промышленных гигантов в соответствующем масштабе.

Здесь кроется следующая проблема – достоверность расчетных характеристик. Вообще в последнее время расчеты стали более доступны и необходимость экспериментального подтверждения как-то отодвинулась на второй план. Если заглянуть на любой интенет-форум технической направленности, видно? что множество грамотных (и не очень) участников «ломают копья» в теоретических спорах и практически никто не берется проверять теорию на практике. А если находятся смельчаки и все же доводят свои идеи до металла, то даже к их практическим данным относятся недоверчиво. Правило «хорошая теория проверяется практикой» как-то забылось. В результате появляются бестолковые конструкции, которые компрометируют толковые идеи.

Если вышеизложенные идеи проиллюстрировать в ветроэнергетике, то видно, что огромная часть суши неперспективна для установки ветряков, потому что недостаточной является интенсивность ветров. Но позвольте! Если бы такой подход использовали транспортники, то никто бы не строил вездеходы, потому что железная дорога выгоднее для перевозки грузов! Для разных задач должны использоваться разные подходы. Наши прадеды при слабых ветрах натягивали паруса между лопастями мельниц и мололи зерно. А современные «специалисты» не приемлют стаксельный ветряк, потому что он мало похож на винт от самолета и мелют чушь! Теория самолетного винта, конечно, разработана хорошо, но почему она применяется к практически статическому механизму? Для районов с разной интенсивностью ветров должны применяться разные конструкции ветряков! Не может машина «Формула-1» делать то, что делает карьерный самосвал!

Таким образом, задача «построить хороший ветряк» трансформируется в задачу «построить «правильный» ветряк для конкретного места и конкретного потребителя». Здесь уместно посмотреть на существующий рынок и прояснить для себя плюсы и минусы существующих конструкций.

Продолжение в статье “Критерии идеального ветряка“…

Вадим Беляев,
главный конструктор компании “Ветронет”