Ветряная турбина дома: анализ практики внедрения домашнего ветрогенератора

Ветряная турбина: анализ практики внедрения домашнего ветрогенератора

Ветер — непредсказуемый и неисчерпаемый источник энергии. Этот источник энергии люди давно пытаются использовать в качестве «топлива». По сути, ветряная турбина дома производит ветровое «топливо», однако, трудно поддающееся контролю. Чтобы добыть «топливо» ветра, изначально придётся позаботиться о защите добывающей системы. Представим газовый генератор, лишённый дроссельной заслонки. В любой момент такой генератор способен остановиться, и в любой момент способен раскрутиться до невероятной скорости. Так, есть ли смысл энергии ветра для дома в условиях полного отказа от централизованного энергообеспечения? Попробуем сделать анализ неоднозначной темы домашней ветроэнергетики.

Ветряная турбина – критерии эксплуатации в бытовых условиях

Для людей, проживающих в зонах отсутствия электросети, энергия ветра и солнца видится полезным сочетанием под применение. Природа часто демонстрирует ситуацию, когда солнце спрятано за облаками, но при этом дует ветер. И наоборот. Наличие ветряной турбины для автономной энергосистемы позволяет иметь меньше солнечных панелей и меньший объём батареи накопления-хранения электричества.

Эффективность солнечной и ветряной энергии во многом зависит от доступности таких природных ресурсов. Где солнечный свет доступен 300 и более дней в течение года, соответственно в таких районах имеет смысл вырабатывать солнечную энергию. Однако наряду с энергетикой солнца, на местности присутствует также ветровой ресурс. Поэтому, как правило, оба вида энергии удачно сочетаются вместе.

Ветряная турбина дома и солнечные батареи - сочетание двух технологий
Сочетание двух технологий выработки возобновляемой электрической энергии – удачное решение устройства систем в регионах, где отмечается переменная погода

Напротив, существуют районы Земли, где солнечный свет недоступен неделями. Для таких регионов энергия ветра рассматривается наиболее экономически эффективным решением. Когда люди проживают достаточно далеко от ближайших инженерных сетей, использование энергии ветра видится экономичным по сравнению с другими вариантами.

Домашний ветрогенератор и отключение от общей электросети

Вариант отключения от централизованной подачи энергии не исключается, но вряд ли даст удешевление и экономическую эффективность от работы домашнего ветряка. Не просто так многие компании, продающие ветроэнергетические системы для дома, как правило, рекламируют только те критерии оборудования, какие хотят видеть потенциальные клиенты.

Желающим рискнуть и установить домашний ветряк, рекомендуется прежде провести тщательный анализ темы — найти информацию, предоставленную объективными источниками, не «повязанными» продажами. Выпущено много хороших книг по теме ветроэнергетики, также есть материал в сети Интернет. Разумным моментом видится изучение всех тонкостей ветроэнергетики, прежде чем начинать тратить деньги на домашний проект.

Вырабатывать собственное электричество в большинстве случаев получается дороже, нежели покупать энергию через коммерческую электросеть. Одна только стоимость батарей сбора и хранения энергии может оказаться сопоставимой с покупкой той же энергии в коммерческой сети. Затраты на выработку энергии варьируются в зависимости от приобретаемого оборудования, резко изменяя общую стоимость за киловатт-час для автономной системы.

Тем не менее, современный мир отмечает тенденцию к масштабированию использования энергии ветра в частном доме. А для проектов, предусматривающих эксплуатацию более крупных машин, такой подход видится экономически эффективным при достаточно коротком периоде окупаемости. В общем, думая о создании собственной энергии с целью снижения сумм счетов за потребляемое электричество — желательно сделать всё возможное для экономии.

Факты по отношению к домашней ветроэнергетике

Достаточно много вводящей в заблуждение информации встречается сегодня по тематике получения энергии ветра с помощью установок домашнего применения небольших по размерам. Поскольку точную скорость ветра измерить крайне сложно, а многие потенциальные клиенты недостаточно информированы, легко выдавать нереальные заявления о производительности бытовых ветряков.

Ветряная турбина для частного дома в групповом исполнении
Разве что установка нескольких экземпляров ветрогенераторов на кровле частного дома открывает возможности использовать больше чем одну лампочку накаливания, не говоря о других электроприборах

Ниже представлена одна из главных формул ветроэнергетики, при помощи которой вычисляется энергия ветра (но не извлекаемая энергия):

Pw = ½ * rho * A * V3

Здесь: rho = 1,23 (константа плотности воздуха); A = площадь, описываемая крыльчаткой турбины, м2; V = скорость ветра, м3.

Примеры производительности ветровой турбины

К примеру, ветряная турбина дома имеет диаметр лопастей 3 метра, площадь описываемая крыльчаткой, составляет чуть более 7 м2. Удвоение диаметра крыльчатки приведёт к увеличению площади в 4 раза. Мощность, получаемая от ветряной турбины, напрямую связана с «квадратом» диаметра лопасти.

Увеличение скорости ветра вдвое приводит к получению в 8 раз больше энергии. Этот момент также очень важен. Если домашняя ветряная турбина дома предназначена под выработку полезной мощности при скорости ветра 15 км/час, конструкции приходится иметь дело с 8-кратным увеличением энергии при скорости потока 30 км/час.

Примерно в 64 раза больше энергии получится при скорости ветра 60 км/час. Если же скорость потока воздуха достигает 120 км/час, энергии получается больше в 512 раз. Очевидно, для сохранения работы ветряной турбины и опорной башни, необходима некая система, при помощи которой осуществляется защита всей установки.

Между тем, наилучший результат, который возможно получить от ветряной турбины дома, — это 55-59% от мощности, получаемой по указанной выше формуле. То есть теоретически ветряная турбина с диаметром лопастей 1,5 м, способна производить 59 Вт при скорости ветра 15 км/час.

Ветряная домашняя турбина - примеры конструкций не выше 50 ватт
Примерно такими выглядят домашние ветрогенераторы, способные вырабатывать не более 50 ватт электроэнергии при условии подъёма на высоту 30-35 метров относительно самой высокой точки местности

На практике практически невозможно изготовить лопасть крыльчатки ветряной турбины идеальной формы. Однако даже идеальная лопасть небольшой крыльчатки ветряной турбины способна показать эффективность на уровне только 30-35%.

Таким образом, лопасть крыльчатки ветряной турбины диаметром 1,5 м выдаёт около 30 Вт мощности при скорости ветра 15 км/час и не более того. Однако речь идёт только о механической энергии на валу, без учёта эффективности работы альтернатора / генератора, где также есть потери.

Электрический КПД ветряной турбины домашнего применения

Большинство небольших по размерам ветряных турбин имеют хороший электрический КПД при слабом ветре. Эти же конструкции имеют тенденцию к снижению эффективности при сильном ветре.

При слабом ветре и более сильном ветре (40-50 км/ час) следует ожидать электрического КПД на уровне 80%. Однако КПД часто снижается примерно на 50%, если не используется силовая электроника для улучшения согласования вращения лопастей крыльчатки с вращением вала альтернатора / генератора.

Использовать приведенную выше формулу логично, когда ставится цель увидеть количество энергии доступной на ветру при любой известной скорости ветра. Все выдаваемые заявления о выходе энергии, превышающей 59,2%, определённо нарушают законы физики.

Все выдаваемые заявления о машине, КПД которой превышает 30% или около того, также являются нереальными. Это важно иметь в виду на фоне массовых некорректных заявлений разного рода производителей относительно домашних ветряных турбин.

Площадь охвата крыльчаткой + номинальная мощность

Для ветряной турбины значение «номинальная мощность» видится бессмысленным по сравнению с площадью, охватываемой крыльчаткой (винтом). Для бытовой практики желательными конструкциями видятся «лёгкие» малые ветряные турбины, достигающие мощности 1000 Вт, пусть даже выдаваемой лишь при сильном ветре.

На промышленном же уровне применяются большие тяжёлые низко-скоростные ветрогенераторы, способные легко обеспечить такую же мощность 1000 Вт и выше, но при гораздо более слабом ветровом потоке. Однако промышленные конструкции явно не подлежат сравнению по габаритам с домашними ветроэнергетическими установками.

Ветряные турбины - конструкция промышленного назначения
Вот такая установка промышленного изготовления уже позволяет говорить о действительно высоких мощностях вырабатываемой электроэнергии. Но даже такой системы недостаточно в единственном экземпляре

Следует помнить: сила ветра напрямую связана с «кубом» скорости ветра. Так, в условиях скорости ветра 40 км/час, мощность в два раза выше, чем при скорости ветра 30 км/час.

Таким образом, небольшая ветряная турбина, выдающая мощность 1000 Вт при скорости ветра 50 км/час, несравнима с более крупной ветровой турбиной той же мощности 1000 Вт, но вырабатываемой при скорости ветра 30 км/час.

Медленные ветры в диапазоне скоростей 15-25 км/час являются наиболее распространёнными на Земле. Напротив, ветер, дующий со скоростью более 40 км/час — крайне редкое явление. Фактически, разница в «средней» скорости ветра между удачной и неудачной точками установки составляет менее 10 км/час.

Нередко встречаются коммерческие предложения домашних ветрогенераторов с роторами диаметром  2 метра, отмеченными мощностью 2 кВт. Возможно, в условиях урагана такой ветряк способен производить 2 кВт. Реально же машины с роторной частью диаметром менее 2,5 метров способны вырабатывать не более 25 Вт от потока ветра скоростью 3–6 км/час.

Маловероятно, что большинство ветровых турбин способны вращаться при скорости ниже 8 км/час. Даже если конструкция наберёт вращение в таких условиях, от крыльчатки диаметром 2,5 метра машина не выдаст более 5-6 ватт при скорости ветра 6 км/час. Соответственно, при покупке (изготовлении) ветряной турбины важный момент имеет зона охвата, а не номинальная производительность, указанная изготовителем оборудования.

Мачта (башня) домашней ветряной турбины

Существует сугубо коммерческое мнение, что наиболее экономичным вариантом является установка большого количества ветряков на коротких мачтах или же установка ветряных турбин непосредственно на крыше дома. Производителей ветряков можно понять – продажа ветряной турбины вместе с башней стоит денег, а покупателям не нравятся дополнительные затраты / усилия установки.

Ветряная турбина домашнего типа методом 3D печати
Самодельный ветрогенератор, изготовленный с помощью технологии 3D печати. Мощность такого устройства до 100 ватт при условии скорости воздушного потока не менее 25 км/час

Однако любого типа ветряные турбины нуждаются в чистом, не турбулентном «топливе». Таким «топливом» крайне сложно обеспечить ветряк на земле или даже на крыше дома.

Профессиональные установщики и производители ветряков утверждают: наиболее экономически выгодный вариант — установка ветряной турбины на 10 метров выше всего, что располагается в окружности 100 метров от точки монтажа ветряка.

Когда наблюдается турбулентный воздушный поток со скоростью 15 км/час на высоте 10 метров и плавный воздушный поток при скорости 20 км/час на высоте 20 метров, имеет смысл поднять оборудование выше 20 метров. За счёт дополнительного подъёма удастся выйти из режима турбулентности и получить большую скорость вращения.

Тогда налицо увеличение энергии вдвое. Большинству качественных ветряных энергетических установок присуща стоимость опорной башни, намного превышающая стоимость отдельно взятой конструкции ветряка. Но эта разница стоимости обоснована вескими причинами.

Ветряная турбина дома — можно ли построить своими руками?

Строительство ветряных турбин своими руками – дело интересное, но действительно сложное. Правильное сопоставление крыльчатки ветрогенератора и конструкции заданного альтернатора / генератора переменного тока, как правило, сопровождается многочисленными испытаниями и ошибками. Если потенциальный механик готов пройти нелёгкий путь строительства домашнего реально продуктивного ветрогенератора, что же – как говорят оптимисты — всё возможно в этом мире.


При помощи информации: OtherPower