Главная >>> Энергосберегающие технологии >>> Ветрогенераторы
Выбор ветрогенератора
Критерии для выбора ветрогенератора:
Перед выбором ветрогенератора необходимо оценить три основных величины: пиковую нагрузку на объекте, среднее месячное потребление электроэнергии и среднюю скорость ветра.
Среднее месячное потребление электроэнергии можно посчитать самостоятельно. Для этого достаточно выписать в табличку все электроприборы, указать их мощность, умноженную на время работы, и сложить полученные результаты (cм. «Расчет домашней фотоэлектрической системы»).
Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя (инвертора). Сейчас довольно широкий выбор инверторов с типовым рядом выходных мощностей и входящих напряжений –Рном: 1,5, 2, 3, 4,5, 6 кВА, и т. д., и Uвх:. 24, 48, 120, 240 В.
Среднюю скорость ветра для каждого региона можно найти в метеоданных различных служб, а также на сайте NASA. При этом необходимо помнить, что приведенные величины могут существенно отличаться от значения скорости в конкретном предполагаемом месте установки ветрогенератора. На нее могут влиять как рельеф местности - затенение высокими деревьями, строениями; близость обширных водоемов, открытых пространств; а так же высота мачты. Чем больше высота мачты, тем больше скорость ветра, который крутит ротор ветряка. Однако с увеличением высоты мачты растет стоимость материалов и её монтажа. Оптимальным, по мнению специалистов, считается ветрогенератор, поднятый на 10 метров над самым высоким деревом или строением в радиусе 100 метров (См. «Выбор места установки ветрогенератора»).
Все ветрогенераторы имеют максимальную скорость вращения ветра, выше которой они не могут работать. Когда скорость ветра превышает это значение, то в ветрогенераторе должен сработать тормозной механизм, не допускающий превышения критического значения.
Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места; они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.
Мощность ветрогенератора
Мощность, вырабатываемую ветрогенератором, исходя из скорости ветра, можно рассчитать по следующей формуле:
Р = 0,5*rho*S*Ср*V3*Ng*Nb
где P – мощность, Вт; rho – плотность воздуха (примерно 1,225 кг/куб.м); S – площадь ометания ротора; V - скорость ветра, м/с; Ср – аэродинамический коэффициент (теоретически 0,5); Ng – КПД генератора; Nb – КПД редуктора (если есть).
Все составляющие этой формулы для конкретного ветрогенератора, кроме скорости ветра, являются константами (плотность воздуха зависит от температуры, но ее изменениями можно пренебречь, как малыми). Поэтому можно сказать, что энергия, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра.
Это означает, что выходная мощность ветрогенератора на слабых ветрах, не смотря на вращение ротора, очень мала. Но с увеличением скорости идет резкое возрастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая ветрогенераторная система имеет буферное стабилизирующее звено.
В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника энергии: если большинство других источников (дизельные, либо другие генераторы, инверторы) выбираются по мощности своей пиковой нагрузки, то ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины произведенной им электроэнергии в месяц, или в год.
Но одной из проблем при выборе и сравнении ветрогенераторов различных производителей является отсутствие единого стандарта отражения их выходной мощности и производительности энергии.
Производители ветряков сами выбирают, исходя из конструктивных особенностей того, или иного ветрогенератора, при какой скорости ветра указывать выходную мощность, и сколько он выработает энергии. Два простых примера - "Euro Wind 600" и "ProStar 600Вт/24В" - у обоих ветрогенераторов заявленная мощность 600 Ватт. Но у "Euro Wind 600" это мощность при скорости ветра 8 м/с, в то время как у "ProStar 600Вт/24В " это мощность при cкорости 12 м/с. Вследствие того, что энергия ветра пропорциональна скорости ветра в кубе, то ветряк "Euro Wind 600" при скорости ветра 8 м/с будет выдавать заявленные 600 Вт, в то время как "ProStar 600Вт/24В" всего 275 Ватт! Но из-за конструктивных особенностей "ProStar 600Вт/24В", тот может при скоростях порядка 14 м/с выдавать около 800 Вт, а у "Euro Wind 600", опять же из-за применения конструктивных особенностей и защитных мер, после 11 м/с наступает снижение выходной мощности. Вывод – один ветрогенератор рассчитан на высокие скорости ветров, легче, меньше и дешевле (в т. ч. и мачта к нему), а другой отлично подходит для малых ветров, но больше, тяжелее и дороже.
Для средних и не больших ветров довольно точным является
сравнение ветрогенераторов по площади и размеру лопастей. Чем больше площадь
(см. формулу), тем больше энергии может вырабатывать ветряк.
Если же не известна площадь лопастей ветряка, то вы можете косвенно сравнивать
по диаметру ротора. Незначительное увеличение диаметра ротора ведет к
значительному увеличению отдаваемой электроэнергии от ветрогенератора (см.
рисунок ). Значения, указанные на рисунке, являются теоретически достижимыми, и
на них в оценке выходной мощности опираться не следует.
Характер нагрузки ветрогенератора
Для иллюстрации различия мощности, потребляемой нагрузкой, и выходной мощности ветрогенератора ниже приведено несколько примеров
В ветреном месте, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит гостевой домик, куда приезжают на выходные. Электрооборудование включается тоже только на пару дней в неделю. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-800 Ваттный ветрогенератор. Для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости; а так же инвертор, который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное, с выходной мощностью не менее 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.
Другой пример. В местности со средней скоростью ветра 5 м/с стоит телекоммуникационный объект, который постоянно потребляет в среднем 2 кВт электроэнергии, при этом пиковая нагрузка не превышает тех же 3 кВт. В данном случае умножаем 2 кВт на количество часов в месяц (720) и получаем 1440 кВт*ч – величина потребления объекта в месяц. Чтобы при такой скорости ветра обеспечить выработку 1420 кВт*ч, необходим ветрогенератор мощностью 10-15 кВт. При этом работать он будет через тот же инвертор мощностью 3 кВт.
Как видно из примеров, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность, потребляемая нагрузкой, определяет мощность преобразователя (инвертора) . Сам же ветрогенератор определяет только величину выработанной энергии в определенный временной промежуток при определенной скорости ветра.
Из приведенных примеров также можно сделать вывод о характере нагрузки, для питания которой наиболее целесообразно применять ветрогенератор. Это неравномерная нагрузка, при которой пиковая нагрузка превышает в 10 и боле раз нагрузку среднюю.
Наиболее распространенный случай для использования относительно небольшого ветрогенератора – бытовая нагрузка. Например, для дома со средней нагрузкой – 0,5 кВт (360 кВт*ч в месяц) и пиковой нагрузкой – 5 кВт, когда включена электроплита, стиральная машина, микроволновка и другие, менее мощные приборы. 5-киловаттный ветрогенератор может обеспечить эти приборы даже в не очень ветреном месте. Постоянная же нагрузка, например, отопление, когда круглосуточно работает даже один отопительный прибор мощностью 1 кВт; в месяц требует 720 кВт*ч, которые ветрогенератор мощностью 5 кВт может обеспечить только в местности с хорошими ветровыми ресурсами (например, на берегу моря, в степи и т.д.), то есть, в месте с высокой средней скоростью ветра.
Подводя итоги, уточним – на какую примерно мощность должен ориентироваться человек, решивший установить ветрогенератор? Специалисты подсчитали, что для обеспечения быта жильцов загородного дома (семьи из 3–4 человек), расположенного в регионе со средней скоростью ветра 3,5–4,5 м/с, вполне хватит одного ветряка мощностью 3-5 кВт. Он будет вырабатывать энергию, достаточную для перекрытия всех потребностей в быту: для освещения здания, а так же обеспечит работу домашней техники - телевизора, холодильника, компьютера и т. д.
Однако необходимо помнить, что ветрогенератор – это только часть системы электроснабжения. А стабильную её работу обеспечит грамотно рассчитанное и подобранное аккумулирующее и преобразовывающее оборудование – аккумуляторные батареи, контроллер заряда, инвертор.
