Как работает ветряная мельница и как получить электричество из нее

В статье «Ветряные мельницы для электричества, ветряк и как он работает» мы расскажем, как работает ветряная мельница и как она может использоваться для получения электроэнергии. Вы узнаете о принципах работы и преимуществах ветряных мельниц для производства электричества и увидите примеры успешного применения таких устройств в мире. В статье также рассмотрены различные типы ветряных мельниц, которые могут использоваться для производства электроэнергии, и приведены основные характеристики их работы.

Содержание

1. Что такое ветроэнергетика (ветряные мельницы для электричества)
2. Скорость ветра (ветряные мельницы для электричества)
3. Стартовая скорость ветра, момент страгивания ветряка и место установки
4. Цены и нагрузка (ветряные мельницы для электричества)
5. Из чего состоит ветровая электростанция
6. Когда стоит покупать ветряную мельницу (ветряк)
7. Основные разновидности ветряных мельниц для электричества
8. Горизонтальный тихоходный ветряк
9. Преимущества ветрогенераторов (ветряк)
10. Как выбирать ветряки (ветряные мельницы для электричества)
11. Выбор ветрогенератора по характеристикам мощности
12. Напряжение генератора
13. Заключение (ветряные мельницы для электричества)

Ветряные мельницы для электричества? Такой вопрос весьма актуален в наше инновационное время. С целью экономии электроэнергии, ветроэнергетики интересует очень многих. Кому доводилось бывать в Европе на своем авто, наверняка видели огромные ветропарки, где сотни генераторов встречаются по пути. Вопрос лишь в том, насколько это выгодно у нас? Ответ на этот вопрос когда, где и как ветряки использовать выгодно, а когда нет, вы найдете в нашей статье.

Для начала разберемся в самом понятии «ветряные мельницы для электричества».

Что такое ветроэнергетика (ветряные мельницы для электричества)

Ветроэнергетика — отрасль энергетики, специализируется на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую или в любую другую форму энергии, которая удобна для использования в народном хозяйстве. Такое преобразование может осуществляться с помощью следующих агрегатов: ветрогенератор (для получения электрической энергии), ветряная мельница (для преобразования в механическую энергию), парус (для использования в транспорте).

Энергию ветра относят к возобновляемым видам энергии, так как она является следствием активности Солнца. В настоящее время ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. Некоторые страны особенно интенсивно развивают ветроэнергетику. Согласно данным WindEurope, в 2019 году с помощью ветрогенераторов было произведено процентное соотношение от всего электричества: в Дании 48% всего электричества, в Ирландии — 33%, в Португалии — 27 %, в Германии — 26%, в Великобритании — 22%, в Испании — 21%, в ЕС в целом — 15%. В 2014 году 85 стран мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе.

Крупные ветряные электростанции включаются в общую сеть, более мелкие предназначаются для снабжения электричеством удалённых районов. В отличие от ископаемого топлива, энергия ветра практически неисчерпаема, повсеместно доступна и более экологична. Ветряные мельницы для электричества имеют свои нюансы. Сооружение ветряных электростанций сопряжено с некоторыми трудностями технического и экономического характера, замедляющими распространение ветроэнергетики. В частности, непостоянство ветровых потоков не создаёт проблем при небольшой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, однако при росте этой пропорции, возрастают также и проблемы надёжности производства электроэнергии. Чтобы решить подобные проблемы используется интеллектуальное управление распределением электроэнергии.

Скорость ветра (ветряные мельницы для электричества)

Работа ветряных мельниц во многом зависит от скорости ветра. Если говорить о нашей стране, то в ней не так много регионов, где скорость ветра находилась бы хотя бы на уровне 5-7 метров в секунду. Берутся данные в среднем за год. Получается, что в подавляющем большинстве широт, пригодных для проживания, эта самая скорость равняется максимум 2-4 м/с.

При таком потоке ветра мало вероятно, что ваша ветроустановка будет успешно работать большую часть времени. Ей элементарно не будет хватать скорости для стабильной выработки электричества. Нужен ветер хотя бы 10 м/с.

Фактически за час, 2квт генератор подарит вам не более 100Вт.

Есть еще другая проблема, связанная с ветром, о которой умалчивают производители. Ближе к земле его скорость гораздо меньше чем наверху, там где ставятся промышленные установки высотой 25-30м.

Скорей всего, что свою ветряную мельницу вы будете монтировать максимум на десяти метрах. Поэтому даже не ориентируйтесь на таблицы ветров с разных сайтов, поскольку эти данные вам не подходят.

Зачастую, производители скромно умалчивают, что для их карт ветроресурсов, замеры производятся на высоте от 50 до 70 метров! К тому же там не учтены данные по турбулентности, завихрениям.

Попробуйте установить чуть выше, чем на 10м, и обязательно задумаетесь о молниезащите. Наэлектризованные трением воздуха лопасти, очень вкусная приманка для разрядов! Кроме того, почему-то все беспокоятся только о таком параметре, как скорость ветра, и при этом забывают про его плотность или давление. Ведь разница для энергетики весьма существенная. Зависимость выработки электроэнергии от давления ветра непропорциональная.

Кроме того, есть определенные недосказанности в указанных технических характеристиках самих генераторов. Например на вашем дачном участке скорость ветра может быть такой, что не получится и вал прокрутить, а вырабатывать энергию — тем более. В осенне-весенний период, когда происходят наиболее активные перемещения воздушных масс.

Для тех кто занимается активным отдыхом. Лучшие солнечные батареи для туризма. Статья о всех преимуществах и типах тут

Стартовая скорость ветра, момент страгивания ветряка и место установки

Но есть альтернатива. В регионах, где штормовые воздушные потоки – большая редкость, основной задачей является выбор ветрогенератора, способного вырабатывать электричество даже при сравнительно слабом ветре около 4 -5 м/с. Способность установки начинать вращение при небольшом ветре характеризуется величиной его стартовой скорости.

Стартовая скорость напрямую зависит от стартового момента (момента страгивания) ветряка – это усилие, которое необходимо приложить на рабочий винт ветрогенератора, чтобы он начал свое вращение. Таким образом, вырисовывается следующая пропорция: чем меньше стартовая скорость ветра, тем больше дней в году генератор будет вырабатывать для вас альтернативную энергию. Большинство ветрогенераторов, которые используются в домашних условиях, имеют стартовую скорость – 2…3 м/с.

При этом бытует отдельная разновидность устройств (с парусным винтом), которые очень чувствительны к движению воздуха.

Стартовую скорость не следует путать с рабочей и номинальной скоростью, поскольку не всегда при минимальных оборотах ротора генератор способен давать ток, достаточный для зарядки аккумулятора.

Перед установкой ветряной мельницы, стоит задуматься об одной очень важной вещи — это наличие свободного места. Отметим, что по площади оно может уходить на 100 и более метров в каждую сторону от мачты.

Для ветра должно быть пространство, чтобы он мог свободно гулять по лопастям, и без помех их достигать со всех сторон. А при таком раскладе вы должны проживать либо в степи, либо возле моря (лучше непосредственно на его берегу).

Идеальным будет место на вершине холма. Где с позиции аэродинамики, воздушный поток уплотняется с соответствующим увеличением скорости и давления ветра.

Цены и нагрузка (ветряные мельницы для электричества)

В прайс листах у продавцов цены, мягко говоря несоответствующие действительности. В них никогда не показывается реальная стоимость всего необходимого оборудования.
Поэтому уже существующие цены всегда умножайте на 2, даже если выбираете так называемые готовые комплекты.

Еще не забудьте про периодическую замену АКБ. Поэтому не рассчитывайте, что ветряк может вам обойтись в 1 доллар за 1квт эл.энергии.

Как сделать ветрогенератор из автомобильного генератора своими руками, рассказываем об этом тут

Когда вы посчитаете все реальные затраты, окажется что каждый киловатт мощности такого ветрогенератора, обошелся вам минимум в 5 баксов. В совокупности стоимость ветряка, мачты и доп.оборудования для двух киловаттных качественных моделей будет доходить в среднем до 200 тыс. рублей. Производительность таких установок – от 100 до 200квт в месяц, не более. Имеется в виду, при хороших погодных условиях.

Выпадение осадков так же приводит к снижению мощности ветряков. Дождь на 20%, снег – на 30%.

Из этого следует, что ваша экономия – это 500 рублей. За 12 месяцев непрерывной работы, набежит уже чуть больше – 6 тысяч. Но если вспомнить начальные траты в 200тыс., то вернете вы их через тридцать два года.

Однако, в наше нестабильное время многие убеждены, что из-за бесконечного подорожания электроэнергии, ветрогенератор в один прекрасный момент, станет выгоднее прежнего.

Из чего состоит ветровая электростанция

Ветрогенератор отдельно взятый, без учета мощности и других технических характеристик никогда не сможет обеспечить бесперебойное питание подключенных к нему электроприборов. Поскольку скорость ветра – неравномерна. Как следствие, объем мощности, вырабатываемой ветрогенератором в течение суток, может очень сильно меняться. Время от времени ветряная мельница и вовсе может остановится. Поэтому была разработана классическая схема ветроэлектростанции, которая сможет обеспечивать питание потребителей даже в тихую и безветренную погоду. Итак, она должна иметь следующий вид:

Определения:

• ветрогенератор (ВГ) – установка, преобразующая энергию ветра в электричество (состоит из рабочего винта и генератора переменного тока);
• контроллер – устройство, преобразующие переменный ток, поступающий от генератора, в ток постоянный, необходимый для правильной зарядки аккумулятора (еще одна функция контроллера – регулировка оборотов ВГ);
• аккумуляторная батарея – она позволяет накапливать электроэнергию во время работы ветряка и отдавать ее потребителям, когда ВГ перестает вырабатывать электричество; 
• инвертор – устройство, которое служит для преобразования постоянного тока напряжением 12В (поступающего в сеть от АБ) в бытовой ток – 220В, обладающий заданной частотой.

Учитывая, что ветрогенератор является ключевым элементом электростанции, то следует его выбирать по вышеприведенным параметрам.

Когда стоит покупать ветряную мельницу (ветряк)

Безусловным фактом является подорожание электроэнергии с каждым годом. Так, еще 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Мы приведем для вас примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества.

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Ранее уже упоминалось, что стоимость такой модели около 200 тысяч. Но, учитывая все дополнительные расходы, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэффициента установленной мощности (для маленьких ветряков он не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите примерно 75квт.

К примеру, если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. То есть при подорожании ТЭС допустим, в 4 раза, стоимость электричества от индивидуального ветрогенератора, будет приходится выше.

Использование ветряка может быть обосновано в двух случаях:

• если поблизости нет внешних электросетей или вам не дают к ним подключаться 
• у вас есть дизель генератор, но доставить для него топливо нет возможности

Чтобы ветряная мельница для электричества была для вас хорошей альтернативой, стоит придерживаться основного принципа. Устанавливаться ветряк должен в районе со средне годовой скоростью ветра не менее 5-6 м/с.

В конечном результате, энергия, которую производит ветряк, зависит только от:

• скорости ветра 
• площади, которую описывают лопасти 

Основные разновидности ветряных мельниц для электричества

На сегодня наиболее популярны классические быстроходные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями.

Быстроходными считаются ветряки с минимальным количеством лопастей: 2, 3 или, вовсе, с одной, но оснащенной противовесом. Потоки сильного ветра обеспечивают таким генераторам очень быстрое вращение и при этом сильно шумят. Особенно это касается однолопастных устройств. Несмотря на то, что проблема шума может показаться незначительной, относиться к ней следует очень серьезно.

По мнению пользователей ВГ шуршит: начиная с 5–6 м/с ветер в ушах свистит, заглушая все звуки вокруг. Начиная с 1 кВт, контроллер начинает притормаживать ВГ, после чего устройство начинает не только шуршать, но еще и гудеть.

Это приведенный пример из жизненного опыта пользователя. Описание брендового быстроходного ветрогенератора, обороты которого (при скорости ветра в 10 м/с) приближаются к показателю 400 об/мин. Из чего напрашивается вывод: располагать ветрогенератор в непосредственной близи от жилых помещений, не целесообразно. Можно рассмотреть вариант с тихоходным ВГ (однако и тут надо учитывать человеческий фактор и реакцию доброжелательных соседей). Такие генераторы ввиду своих аэродинамических особенностей даже при сильном ветре не развивают больших оборотов. Кроме того, при сравнительно одинаковой мощности диаметр лопастей у тихоходного ветряка всегда меньше, чем у быстроходной ветряной мельницы. Это делает проще и монтаж, и эксплуатацию установки.

Горизонтальный тихоходный ветряк

Горизонтальный тихоходный ветряк – это установка, в конструкции которой имеется более трех лопастей, а показатель быстроходности (Z) соответствует значению Z ≤ 5. Где Z – отношение окружной (концевой) скорости лопастей ветряка к скорости ветра.

Дополнительным преимуществом тихоходной установки является низкая скорость страгивания. Благодаря высокому крутящему моменту, который лопасти передают на рабочий винт генератора, установка стартует даже при небольшом ветре. Все это обеспечивается за счет большей площади лопастей (в сравнении с быстроходными ветряками).

По причине наличия большого количества лопастей во время работы перед винтом тихоходного генератора образуется воздушная подушка. Образуется она, потому, что ветер не успевает проходить через лопасти. Эта особенность оказывает негативное влияние на производительность установки, и из нее вытекают основные недостатки устройства.

К основным недостаткам тихоходного ветряка можно отнести сравнительно низкий КИЭВ и высокую парусность. В штормовую погоду такая парусность может привести к фатальным для установки последствиям. При этом тихоходные ветряки оснащаются генераторами с увеличенным диаметр ротора, а иногда – дополнительными мультипликаторами, они облегчают запуск и вращение силовой установки. Перечисленные усовершенствования позволяют увеличить линейную скорость ротора и «снять» с генератора больше мощности при небольших оборотах. Именно за счет такой конструкции генератора стоимость установки дополнительно увеличивается.

Что касается быстроходных генераторов горизонтального типа: эти устройства получили достаточно широкое распространение, благодаря своей простоте и относительной дешевизне. И если в конструкции такой установки реализована защита от бури (например, механизм складывания хвоста при сильном ветре), то единственным неудобством во время ее эксплуатации может стать сильный шум.

Роторы Дарье наиболее популярны среди вертикальных установок, используемых в ветроэнергетике. Это обусловлено тем, что средний КИЭВ роторов с аэродинамическими крыльями равен 0,4 (что совпадает со средним значением КИЭВ горизонтальных ветряков).

Преимущества ветрогенераторов (ветряк)

Невзирая на выше перечисленные недостатки, такое устройство, как ветряная мельница, ветрогенератор имеет и свои преимущества. Недаром он распространен по всему миру. У моделей с вертикальной осью вращения они следующие:

• каким бы ни было направление ветра, лопасти вертикальных установок находятся в рабочем положении;
• просты в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте;
• во время работы не создают больших вибраций, следовательно, не производят сильного шума;
• просты в изготовлении.

Как выбирать ветряки (ветряные мельницы для электричества)

Людям, живущим далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, мы бы рекомендовали приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Поскольку от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Есть еще категория потребителей, которая вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а в пользу самодельных ветряных мельниц. Такие ветряки сделаны мастерами- самоучками. Свои выгоды в этом тоже имеются.

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. С ними можно договориться и подстраховаться, если что-то пойдет не так и нужно подремонтировать. Тогда практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку.

Промышленные китайские ветряки, конечно имеют внешний вид посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, тогда приготовитесь к небольшой замене. Сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

К сожалению бывает так, что птенцы иногда попадают под крутящееся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

Выбор ветрогенератора по характеристикам мощности

Что касается выбора ветрогенератора, с номинальной мощностью (предположительно – 800 Вт/ч) при скорости ветра 8 м/с, вам лучше не рассчитывать на то, что при ветре 4 м/с установка будет стабильно выдавать 400 Вт/ч. Значение мгновенной мощности ветрового потока, воздействующего на лопасти генератора, пропорционально скорости ветра, возведенной в куб. На практике это означает следующее: если скорость ветра падает в 2 раза, то мощность, генерируемая ветроустановкой, снижается примерно в 8 раз.

Ниже приведена зависимость мощности от ометаемой площади рабочего винта и скорости ветра.

График мощности ветрогенератора изначально учитывает КПД установки, который выражается в коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ). Средний КИЭВ всех современных электроустановок находится в пределах – от 0,3 до 0,4. Продвигаясь в исследованиях графика мощности, следует рассматривать не сколько номинальные характеристики устройства (данные характеристики можно получить только при ветре 9–10 м/с), сколько показатели, характерные для среднегодовых значений ветра, пригодных конкретно для вашей местности (например, 4–5 м/с). Таким образом можно правильно оценить потенциал того или иного ветрогенератора.

Выбирая устройство по мощности, дополнительно следует учитывать потери на преобразование электроэнергии (из переменного тока в постоянный, а потом обратно – в переменный ток бытовой частоты). Потери выражаются в энергии, которую потребляют во время работы контроллер и инвертор.

Напряжение генератора

Номинальное напряжение на выходе генератора при хорошем раскладе должно соответствовать параметрам ваших аккумуляторных батарей. К примеру, для двух последовательно соединенных аккумуляторов (12 В) будет соответствовать ветрогенератор номиналом 24В. Для четырех таких аккумуляторов (также соединенных последовательно) подойдет ветряк номиналом 48 В и т. д.

Некоторые современные контроллеры способны компенсировать большое различие между выходным напряжением ветрогенератора и номиналом аккумуляторов. Дополнительных устройства, входящих в комплект домашней электростанции, имеют свои особенности, котрые, если вы взялись за это дело, вам будет не лишним изучить самостоятельно.

В данной же статье мы ознакомили вас с ключевыми параметрами, которые следует брать во внимание, выбирая установку для домашней электростанции самостоятельно. Проявляя мудрость, лучше учиться следует на чужих ошибках. Нам же ничто не мешает использовать это правило применительно к чужим успехам.

Заключение (ветряные мельницы для электричества)

Итак, передовой опыт европейцев в использовании ветряных мельниц по добыче электричества, в нашим российских широтах не везде и не всегда преминем. Некоторые пользователи, которые не послушались всех доводов и вплотную столкнулись со всеми вышеописанными проблемами, считают, что самый дорогой флюгер для дома – это ветрогенератор. Поэтому, выбирая ветряные мельницы по модели роторов и их составляющим, руководствуйтесь чужим опытом. С помощью подсказок знающих людей, можно частично решить проблему электротехнических расчетов или, хотя бы, получить четкие ориентиры в этом направлении.

Сколько метров лопасти у ветряной мельницы?

Размер лопастей у ветряной мельницы может существенно варьироваться в зависимости от ее типа, мощности и дизайна. Традиционные горизонтальные ветряные мельницы с вертикальной осью вращения имеют длину лопастей от нескольких метров до более чем 20 метров. Вертикальные ветряные мельницы обычно имеют более короткие лопасти, их длина может составлять от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров.

Современные горизонтальные ветрогенераторы имеют лопасти обычно от 20 до 80 метров в длину, хотя есть и большие модели с лопастями длиной до 100 метров. Вертикальные ветрогенераторы могут иметь лопасти различных размеров, от нескольких метров до более чем 10 метров в длину.

Стоит отметить, что длина лопастей является одним из ключевых факторов, влияющих на мощность ветряной мельницы, поэтому при выборе конкретной модели ветряной мельницы необходимо учитывать как размер лопастей, так и другие технические параметры.