Ветряные электростанции для дома

Ветер – бесплатный, безопасный, возобновляемый источник энергии. Его использовали с древних времен для помола муки, подъема воды в акведуки. Современные технологии получения электричества сделали такой источник, как ветряные электростанции для дома, рациональным и экономически эффективным. Однако перед тем как принять решение приобрести такое устройство, стоит тщательно оценить его полезность и срок окупаемости.

В чем сложность

Стоит сказать сразу: для большинства пользователей ветряной генератор для дома будет экономически неэффективным. Причин этому несколько:

• для работы устройства необходимы определенные показатели скорости ветра. Чем ниже стартовое значение, тем сложнее ветрогенератор для дачи или другого потребителя;
• цена, которой характеризуются ветряные генераторы для дома, включает не только саму турбину с лопастями. Для достижения приемлемой эффективности производства энергии часто приходится сооружать многометровую мачту;
• для установки генератора необходимо пространство, где не должно быть преград для ветра. Например, деревьев или других строений;
• вертикальные ветряки удобнее монтировать, но их показатель стартовой скорости ветра весьма велик.

Учитывая это, чтобы получить приемлемое количество энергии, потребуется вложить немало денежных средств. Типичное решение для дома выглядит как мачта высотой 15–20 метров, на которой устанавливается генератор горизонтального типа, с флюгерной системой поворота или оснащенный сервоприводом, работающим на основе показателей датчиков давления. Кроме этого, для работы системы потребуется ветреный регион, желательно расположение установки на возвышенности, поскольку скорость движения воздуха в низине мала, за исключением редко встречающихся каньонов и ущелий.

Как это работает

Ветровые электростанции для дома, независимо от вертикального или горизонтального расположения оси вращения генератора, состоят из стандартных узлов и механизмов.

1. Лопастной ротор. Он может иметь разный диаметр, системы с сервоприводным регулированием имеют от 2 до 4 лопастей, флюгерные системы могут насчитывать несколько десятков.
2. Редуктор, который передает вращающий момент на генератор. Это своеобразная автоматическая коробка передач, задача которой – гарантировать стабильные обороты на валу преобразователя.
3. Инвертор, преобразующий постоянный ток с выхода генератора в переменный для потребителя.
4. Аккумуляторная батарея, задача которой – сглаживать броски напряжения при изменении скорости ветра.
5. Корпус устройства, защищающий механику и электронику ветряка для дома от непогоды.

Для определения лучшего направления оси, чтобы как можно эффективнее использовать силу ветра, применяются два принципа. Самый простой – у флюгерных систем. Такая ветряная электростанция имеет жесткий внешний кожух, соединенный с хвостовой частью большой площади. Под давлением воздуха система поворачивается на оси, оснащенной шарикоподшипниками.

Второй принцип – использование сервопривода. В этом случае ветряки на дачу оснащаются небольшим хвостовым оперением. Его угол поворота влияет на показатели контрольного датчика, который дает команду электрическому приводу, вращающему корпус генератора. Такое решение эффективно в случае работы массивной, тяжелой системы, которая позволяет не реагировать на малые изменения ветра и одновременно гарантировать высокий КПД установки.

Домашние разработки

Сегодня можно найти достаточно решений, которые уже реализованы домашними умельцами. Инструкции, как сделать свой преобразователь ветра, также доступны. Однако у созданных в домашних условиях генераторов есть общие черты:

• уровень выработки энергии крайне мал;
• применяются сложные лопасти, для изготовления которых трудно найти исполнителя;
• в качестве систем преобразования, хранения и стабилизации потока энергии используются серийные изделия. Это увеличивает стоимость решения в целом.

Стоит честно сказать: для питания светодиодного освещения, обеспечения энергией ноутбука, заряда аккумуляторов различных бытовых устройств самодельного ветрогенератора хватит. А если тщательно изучить, как сделать эффективную систему хранения энергии, можно значительно повысить уровень удобства ее использования. Однако цена решения вырастет резко, не показав соответствующего роста выходной мощности и других параметров.

Краткие соображения экономической эффективности

Стоимость энергии, полученной от ветряка для частного дома, никогда не сравнится с ценой, которая характеризует классические источники – газ, твердое и жидкое топливо, воду и даже солнце.

Проблема в том, что ветер крайне нестабилен. По исследованиям голландских ученых (регион с постоянной розой интенсивных ветров), уровень задействования ветростанции составляет всего лишь 10% времени в год. При этом система преобразования энергии обладает низким показателем КПД. Он находится на уровне 0.3 для горизонтальных длиннолопастных систем и 0.4 – для компактных многолопастных флюгерных конструкций.

На практике такие показатели означают, что не получится приобрести недорогой, компактный и одновременно мощный генератор. Для дома или небольшой дачи достаточно 3 кВт мощности. Но ветровая электростанция с такими показателями потребует сооружения высокой мачты, а стоимость самого генератора на рынке составляет более 90000 рублей.

Существует некоторое лобби среди производителей ветровых электростанций. Они утверждают, что среднестатистический ветряк окупается в течение 5–7 лет, а дальше – энергия бесплатна. На практике такой показатель будет наблюдаться только в крайне ветреных районах, с плоским рельефом, со стабильными среднестатистическими характеристиками розы ветров в течение года. Таких областей на территории России относительно мало. Вдобавок не приводится окупаемость, привязанная к конкретной мощности генераторного оборудования, не учитываются дополнительные расходы на сооружение мачты, прочие траты.

Надежность, которой характеризуется ветроэлектростанция – также не столь велика, как это указывается в рекламных проспектах. Механическая часть требует обслуживания, выходят из строя подшипники, могут возникнуть неполадки и в электронных системах преобразования. Существует опасность поражения конструкции молнией даже при сооруженной системе грозозащиты.

Немного положительных вариантов

Несмотря на множество ограничений и требований, которые необходимо учесть перед покупкой ветрогенератора, есть решения, способные пригодиться на даче или в частном доме. К примеру:

1. Безредукторные генераторы. Работа данных устройств основана на принципе совмещения лопастного блока и генератора. На конце каждой лопатки ветровой турбины установлен постоянный магнит. По круговому контуру расположена обмотка. В результате действия ветра лопастной блок раскручивается, изменение магнитного поля продуцирует электрический ток. Данный тип ветрогенератора избавлен от высокого механического сопротивления. Старт работы происходит уже при скорости воздуха в 0.2 м/с, что усиливает привлекательность решения и расширяет возможности его применения. На оптимальные показатели мощности турбины производства Windtronics выходят уже на 0,9 м/с скорости ветра. Такой показатель позволяет устанавливать их на небольшой высоте. Например, на коньке крыши дома.
2. Ветрогенераторы вертикального типа со спиральными лопастями обладают самыми высокими показателями стабильности вращения. У них есть негативная сторона – стартовая скорость ветра составляет около 3.2 м/с. Однако это компенсируется хорошей выходной мощностью, отсутствием необходимости поворачиваться навстречу потоку, высоким КПД. Сегодня существует разработка российского изобретателя, которая уже положена в основу серийных изделий.
3. Можно снизить расходы на сооружение мачты, если выбирать генератор с лопастями изменяемой жесткости. Эта конструкция похожа на древнюю мельницу. Лопасти крепятся в круговом блоке, изготавливаются из тонкого профиля, на который натянута полимерная пленка. Под действием ветра плоскость может поворачиваться, это дает возможность лучше регулировать скорость вращения, обходясь без сложного и массивного редуктора. В результате масса инженерного решения в целом – меньше, генератор компактнее, стартовая скорость воздуха ниже.

Резюмируя вышесказанное, можно уверенно заявить: подбирая оптимальную конструкцию для конкретной местности, можно получить эффективное и оптимальное по стоимости решение энергопитания дачи или загородного дома. Негатив использования энергии ветра кроется в закономерности: конструкции, рассчитанные для установки на высотных мачтах в полях, дороги и в среднестатистических условиях крайне неэффективны.