Избранные главы из книги В. Германович, А. Турилин «Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы».
Продолжение
Начало читайте здесь:
| Заказать книгу можно в интернет-магазине издательства |  |
1.1. Можно ли использовать бесплатный ветер?
Ветрогенератор (ветроэлектрическая установка или ветроэлектростанция) – устройство для преобразования кинетической энергии ветра в электрическую. Устройство ветроэлектрической установки в упрощенном виде представлено на рис. 1.1.
 |
|
| Рис. 1.1. | Устройство ветроэлектрической установки |
Ветрогенераторы можно разделить на две категории: промышленные и домашние (для частного использования). Промышленные ветроэлектростанции устанавливаются государством или крупными энергетическими корпорациями. Как правило, их объединяют в сети, в результате получается ветряная электростанция. Ее основное отличие от традиционных (тепловых, атомных) – полное отсутствие как сырья, так и отходов. Единственное важное требование для ВЭС – высокий среднегодовой уровень ветра. Мощность современных ветрогенераторов достигает 6 МВт.
Уже сейчас за вполне умеренные деньги можно приобрести ветряную установку и на долгие годы обеспечить энергонезависимость своему загородному дому.
|
|||||
Если местность не ветреная, ветрогенератор можно дополнить фотоэлектрическими элементами или дизель-генератором. При этом ветрогенераторы с вертикальными осями могут быть дополнены меньшими ветрогенераторами. Например, турбина Дарье может быть дополнена ротором Савониуса. И при этом одно другому не мешает – источники будут замечательно друг друга дополнять.
Где находятся ветрообильные районы
Обжитая часть России бедна ветровыми ресурсами. Средняя скорость ветра в 4–5 м в секунду характерна для большинства промышленных районов. Малая скорость ветра означает малую мощность ветрового потока. И, кроме того, значительное количество безветреных дней. ВЭУ в России в основном будут работать треть или половину времени.
Ветрообильные районы – это прибрежные территории, расположенные вдоль морей и крупных озер. Побережье Северного Ледовитого океана, побережье Тихого океана имеют хороший ветровой потенциал, но они мало обжиты, и поэтому создание ветроустановок, ветропарков представляет там сложности (http://www.manbw.ru).
К районам, благоприятным для размещения ветряков, можно, пожалуй, отнести несколько километров побережья в Ленинградской области вокруг Финского залива и Ладожского озера. Морское побережье Ростовской области и Краснодарского края. Приморский край (район Владивостока). Перспективны ветрозапасы в Мурманской и Архангельской областях, но там более суровые условия для исполнения проектов ветропарков. Средняя скорость ветра в некоторых городах сведена в табл. 1.1.
Ветроустановка хорошо работает только в связке с электросетью. Возможно, в будущем удастся довести до практического и дешевого использования водородную энергетику, что позволит безболезненно запасать энергию, произведенной ветроустановкой. Пока же ветроустановки привязаны к линии электропередач.
| Таблица 1.1. | Средняя скорость ветра в некоторых городах России |
|
Населенный пункт
|
За
отопительный период |
За три
наиболее холодных месяца |
|
Арзамас
|
4.1
|
6.6
|
|
Архангельск
|
5.5
|
5.1
|
|
Астрахань
|
4.7
|
4.6
|
|
Барнаул
|
3.9
|
3.6
|
|
Владивосток
|
7.1
|
7.5
|
|
Владимир
|
3.8
|
4
|
|
Вологда
|
5.1
|
5.3
|
|
Воронеж
|
4.8
|
5.1
|
|
Грозный
|
1.6
|
1.5
|
|
Екатеринбург
|
4
|
3.8
|
|
Иваново
|
4.1
|
4.3
|
|
Казань
|
4.6
|
4.7
|
|
Калининград
|
4.7
|
5
|
|
Кемерово
|
4.9
|
4.7
|
|
Кемь
|
5.1
|
5.2
|
|
Кировское
|
3.7
|
3.5
|
|
Комсомольск-на-Амуре
|
3.9
|
3.6
|
|
Курск
|
4.9
|
5.1
|
|
Москва
|
3.9
|
4
|
|
Мурманск
|
4.7
|
6.8
|
|
Нижний Новгород
|
4.7
|
4.5
|
|
Новороссийск
|
5.7
|
5.6
|
|
Новосибирск
|
3.9
|
3.7
|
|
Омск
|
5
|
4.9
|
|
Орел
|
5.7
|
6.1
|
|
Оренбург
|
4.8
|
5.1
|
|
Пенза
|
4.8
|
4.9
|
|
Петропавловск-Камчатский
|
2.9
|
9
|
|
Псков
|
3.9
|
4.2
|
|
Ростов-на-Дону
|
6.6
|
5.5
|
|
Санкт Петербург
|
3.2
|
3.3
|
|
Саратов
|
4.6
|
4.7
|
|
Смоленск
|
5.7
|
6.1
|
|
Чита
|
1.7
|
1.5
|
|
Якутск
|
2.1
|
1.4
|
|
Ярославль
|
4.9
|
5
|
Ветроэлектростанция в домашнем хозяйстве
В домашнем хозяйстве ветряк должен рассматриваться в плане существенной экономии затрат на производство тепла, на досвечивание растений в теплицах и, в какой-то мере, снижения потребляемой электроэнергии от электросети. Но задача автомного или почти автономного снабжения жилища от энергии ветра очень сложна. Ветряк должен быть диаметром порядка 20 м.
Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра заключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабилизирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень сложную задачу.
|
|||||
Домашний умелец может прикинуть мощность ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра. При среднегодовой скорости в 3,5 м/с, характерной для континентальной части России, можно принять, что среднеэнергетическая скорость составит около 5 м/с. А ветряк будет работать треть всего времени.
Важнейшей характеристикой ветряка является т. н. КИЭВ – коэффициент использования энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет до 60–80%! (в среднем 40–45%). У любительских (самопалов) – порядка 35%. Т. о. при скорости ветра 5 м/с получим действительную мощность 0.35 × 90 = 31.5 Вт.
В табл. 1.2 в числителе мощность самодельного ветряка в киловатах при КИЭВ 35%, в знаменателе обороты пропеллера в об/мин при быстроходности Z=6.
| Таблица 1.2. | Прикидочная таблица мощности ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра |
|
Диаметр
винта, м |
Характеристики
|
Скорость ветра, м/с
|
|||||||||||
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
12
|
15
|
||
|
1
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
|
|
|
0.01
|
0.02
|
0.04
|
0.06
|
0.09
|
0.13
|
0.18
|
0.31
|
0.6
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
|
|
|
459
|
573
|
688
|
803
|
917
|
1032
|
1146
|
1376
|
1720
|
|
|
2
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
|
0.01
|
0.02
|
0.05
|
0.09
|
0.15
|
0.24
|
0.36
|
0.52
|
0.71
|
1.23
|
2.39
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
|
115
|
172
|
229
|
287
|
344
|
401
|
459
|
516
|
573
|
688
|
860
|
|
|
3
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
|
0.01
|
0.04
|
0.1
|
0.2
|
0.34
|
0.55
|
0.82
|
1.16
|
1.6
|
2.76
|
5.39
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
|
76
|
115
|
153
|
191
|
229
|
268
|
306
|
344
|
382
|
459
|
573
|
|
|
4
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
|
0.02
|
0.08
|
0.18
|
0.35
|
0.61
|
0.97
|
1.45
|
2.07
|
2.84
|
4.9
|
9.57
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
|
57
|
86
|
115
|
143
|
172
|
201
|
229
|
258
|
287
|
344
|
430
|
|
|
5
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
|
0.04
|
0.12
|
0.28
|
0.55
|
0.96
|
1.52
|
2.27
|
3.23
|
4.43
|
7.66
|
15
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
|
46
|
69
|
92
|
115
|
138
|
161
|
183
|
206
|
229
|
275
|
344
|
|
|
7
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
0.01
|
0.07
|
0.23
|
0.56
|
1.09
|
1.88
|
2.98
|
4.45
|
6.33
|
8.69
|
15
|
29.3
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
16
|
33
|
49
|
66
|
82
|
98
|
115
|
131
|
147
|
164
|
197
|
246
|
|
|
10
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
0.02
|
0.14
|
0.48
|
1.13
|
2.22
|
3.83
|
6.08
|
9.08
|
12.9
|
17.7
|
30.6
|
59.8
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
11
|
23
|
34
|
46
|
57
|
69
|
80
|
92
|
103
|
115
|
138
|
172
|
|
|
15
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
0.04
|
0.32
|
1.08
|
2.55
|
4.99
|
8.62
|
13.7
|
20.4
|
29.1
|
39.9
|
68.9
|
135
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
8
|
15
|
23
|
31
|
38
|
46
|
54
|
61
|
69
|
76
|
92
|
115
|
|
|
20
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
0.07
|
0.57
|
1.91
|
4.54
|
8.87
|
15.3
|
24.3
|
36.3
|
51.7
|
70.9
|
123
|
239
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
6
|
11
|
17
|
23
|
29
|
34
|
40
|
46
|
52
|
57
|
69
|
86
|
|
|
25
|
мощность (кВт) при КИЭВ 35%
|
0.11
|
0.89
|
2.99
|
7.09
|
13.9
|
23.9
|
38
|
56.7
|
80.8
|
111
|
191
|
374
|
|
скорость пропеллера (об/мин)
|
5
|
9
|
14
|
18
|
23
|
28
|
32
|
37
|
41
|
46
|
55
|
69
|
|
Простейший расчет ветрогенератора
Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, – 9...12 м/с. Еще одно замечание. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.
В специальной литературе имеется множество формул расчета мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.
Р = D2V3/7000, кВт,
где
P – мощность;
D – диаметр винта в метрах;
V – скорость ветра в м/с.
P = 0.6SV3,
где
P – это мощность, в ваттах;
S – площадь (м2), на которую перпендикулярно дует ветер;
V – скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле – в кубе).
Получается, при известной средней скорости ветра, выбор заключается в диаметре винта установки. Ну и еще, сравним расчеты с потребной мощностью. Если она нас устраивает, то хорошо. А если нет, то:
- либо надо искать другой источник энергии;
- либо строить несколько ветряков.
Из книги В. Германович, А. Турилин «Альтернативные источники энергии. Практические конструкции по использованию энергии ветра, солнца, воды, земли, биомассы».
Продолжение следует
