Ветрогенератор для дома, как выбрать и что нужно знать

Выбор размера ветряка

Подбирать размер этой установки нужно исходя из желаемого количества электроэнергии и скорости ветра, а также его плотности, в вашем регионе. Сразу нужно уточнить что расчет мощности будет производится для ветрогенератора заводского изготовления, не сделанного своими руками из подручных деталей.

Количество необходимой электроэнергии вы можете постучать по счетам за последний год или взять произвольное (желаемое) количество.

Скорость и плотность ветра можно найти в сети, например на сайте метеослужбы. Указывать какие то цифры в этой статье я не будут, так как регионов много и климат очень быстро меняется в последние годы.

Существует несколько формул

1. Самая простая и понятная среднестатистическому человеку, однако полученные данные могут иметь определенную погрешность. По ней можно рассчитать кинетический ветрогенератор с горизонтальным валом:

AEO = 1.64 * D*D * V*V*V

Где:

• AEO — электроэнергия, которую вы хотите получить за год.
• D — диаметр ротора, который обозначается в метрах.
• V — среднегодовая скорость ветра, обозначается в м/сек.

2. Более сложная формула, которую используют для своих расчетов компании, занимающиеся продажей и установкой такого оборудования на профессиональном уровне.

P = V3 * ρ * S

Где:

• V – скорость ветра в метрах в секунду.
• ρ – плотность воздуха, единица измерения – кг/м3
• S – площадь лопастей, на которую дует воздушный поток, единица измерения – м2 (нужно смотреть по тех. описанию производителя).
• P – Количество кВт, которое можно получить.

Пример расчета P = 53 * 1,25 * 33 = 5156 Вт

Эффективность выработки электроэнергии напрямую зависит от диаметра лопастей ротора, посмотреть примерную производительность можно по таблице ниже.

В этой таблице указаны примерные данные, которые можно получить в зависимости от диаметра ротора, высоты установки ветрогенератора и скорости ветра.

Максимальная вырабатываемая мощность, кВт	Диаметр ротора, м	Высота мачты, м	Скорость ветра м/с
0,55	2,5	6	8
2,6	3,2	9	9
6,5	6,4	12	10
11,2	8	12	10
22	10	18	12

3. В случаи с вертикальным ротором (осью) расчеты необходимо производить по другой формуле.

P=0.6*S*V^3

Где:

• P– мощность Ватт
• S– рабочая площадь лопастей кв.м.
• V^3– Скорость ветра в кубе м/с

Более сложная, но более точная формула

P*= krV 3S/2, .

Где:

• r — плотность воздуха,
• V — скорость потока в м/с.
• S — площадь потока в квадратных метрах
• k — коэффициент эффективности турбины ветрогенератора в значении 0,2-0,5

При выборе ветряки необходимо смотреть на рекомендуемую производителем скорость ветра. Как правило, установки для частного использования, имеют такой диапазон: 2-11 М в секунду.

Нехватка энергоресурсов и коммунальные услуги

Ветряные электростанции – это далеко не новое слово в области электротехники. Эти громоздкие, но не очень сложные агрегаты активно используются для выработки электроэнергии во многих странах мира. В России они применяются только в частном порядке, хотя интерес к этим экологически чистым аппаратам постоянно растет. Основная причина – беспощадный рост тарифов на коммунальные услуги.

И действительно, цены на электроэнергию постоянно растут, а поставщики вводят какие-то безумные нормативы, целью которых является взимание как можно большей ежемесячной платы с потребителей. Неудивительно, что люди стремятся найти какой-то разумный выход из ситуации. Таких выходов несколько:

• Отказаться от потребления электроэнергии – интересный подход, но мы же с вами не пещерные люди. Поэтому данный вариант будет интересен крайне ограниченному кругу лиц;
• Начать обманывать счетчики – это незаконно, да еще и грозит крупным штрафом, которого бы хватило на несколько мегаватт электричества;
• Воспользоваться альтернативными источниками электричества – это солнечные и ветряные электростанции.

Солнечные электростанции требуют большого количества солнечных батарей и наличия большого количества солнечных дней в год для местности, в которой будет производиться их эксплуатация. Что касается ветряных электростанций, то они используют энергию ветра – они работают почти в любую погоду.

Ветровые электростанции для дома получают все большее распространение, несмотря на свою дороговизну. Их выбирают те, кто устал «кормить» государство ежемесячными платежами. Также они востребованы при электрификации загородного жилья – иногда проще купить ВЭС (ветряную электростанцию), чем оплатить гигантский счет за подключение к электрическим сетям.

Стоимость подключения загородных домов, удаленных от населенных пунктов, является зашкаливающей, что вынуждает людей использовать дизельные и бензиновые генераторы, а также солнечные и ветряные электростанции.

Производство и использование промышленной ветряной электростанции требует огромных затрат, однако, такие вложения легко окупаются в будущем, поскольку с их помощью поставщики энергии могут делать деньги по сути «из воздуха».

О ветряных электростанциях задумываются и поставщики электроэнергии. Атомные станции слишком опасны, гидроэлектростанции наносят вред руслам рек и окружающей биосфере, угольные станции извергают в воздух тонны углекислого газа и прочих продуктов сгорания. Кроме того, угля в земле все меньше и меньше – уголь и газ являются невозобновляемыми природными ресурсами.

Эволюция вертикальных ветрогенераторов

Первые вертикальные мельницы появились в Китае, почти 2000 лет назад. Через тысячу лет их заново изобрели в Персии. Но приспосабливать такие конструкции для выработки электроэнергии начали в самом конце 19-го века.

Чертежи из австрийского патента Савониуса 1925

Попытки устранить базовые изъяны были направлены на конструкцию и форму лопастей. За 130 лет появилось несколько модификаций, которые не поддаются безальтернативной систематизации. Поэтому начать их описание надо с наиболее лёгких в изготовлении, пусть даже они не такие эффективные как современные разработки.

Модель Савониуса

Изобрёл лопасти такого типа финский инженере сто лет назад.

В изготовлении она чрезвычайно проста и в эксплуатации надёжна. Но так как лопасти работают только за счёт разности давления, то эффективность оставляет желать лучшего.

В частном секторе, именно ветрогенераторы Савониуса чаще используются как стартовая модель

Важно только не упустить особенность расположения лопастей относительно друг друга, и оставить небольшой просвет между ними

Базовый изъян ветрогенератора Савониуса кроется в переменных нагрузках на лопасти, которые вызваны эффектом Магнуса. Поэтому в Голландии модернизировали конструкцию, путём закручивания лопастей в спирали.

Называется такой вертикальный ветрогенератор Windwokkel (Обтекатель Ветра).

Модель Дарье

В конце 20-х годов прошлого века, французский лётчик Дарье додумался использовать подъёмную силу крыла, для увеличения эффективность вертикального ветрогенератора. Симбиоз чрезвычайно эффективен, и даже сейчас ещё не существует реальных математических моделей, описывающих физические процессы в таком ветрогенераторе! Достаточно сказать, что в 2010 году, в Новосибирском отделении РАН было проведено полномасштабное исследование ветрогенератора Дарье, и ученые чётко обосновали следующий факт: коэффициент энергопреобразования в идеально спроектированной конструкции вертикального ветрогенератора Дарье – 0,72.

Чтобы понять глубину этого факта, надо вспомнить, что теоретически доказанный предел эффективности для любых типов горизонтальных ветрогенераторов, не может превышать 0,593. А на практике, он даже не достигает 0,45.

Причина такого качественного скачка в том, что кроме разницы давлений ветра на лопасти, в конструкции Дарье задействован эффект аэродинамической подъёмной силы крыла. Поэтому скорость вращения вертикальной турбины Дарье может превышать скорость набегающего воздушного потока в 3-4 раза!

Существует несколько разновидностей ветротурбины Дарье:

О-тип (венчик);

Н-тип (Giro Mill);

Спиральная турбина Горлова.

Идеальный проект предполагает три лопасти. Так как при двух лопастях затруднён автозапуск, а четыре и более лопасти снижают производительность.В некоторых конструкциях, для автозапуска используют гибридную систему, для этого ветрогенератор Савониуса интегрируют внутрь конструкции Дарье.

Экзотические системы вертикальных ветрогенераторов

Около 12 лет назад, французский изобретатель  Дьедонне, придумал ни на что не похожий вертикальный ветрогенератор и назвал его  Panemon.

Система очень оригинальная, и кустари одиночки воспроизводили её в своих частных домах.

В Хорватии установили более серьёзный прототип.

В Голландии придумали и запустили в мелкосерийное производство «Энергетический шар».

Это чудовищная химера вертикального и горизонтального ветрогенератора, вырабатывает около 700 вт уже при 1,5 м/с. Кроме обычных динамических сил описанных выше, в данной конструкции был учтён эффект Вентури. Это частное ответвление от эффекта Бернулли, которое проявляется в падении давления при протекании воздуха через узкое пространство.

Типовые примеры самодельных ветрогенераторов

Устройство ветрогенератора одинаковое, вне зависимости от выбранной схемы.

• Пропеллер, который может быть установлен как непосредственно на вал генератора, так и с помощью ременной (цепной, шестеренной передачи).
• Собственно генератор. Это может быть готовое устройство (например, с автомобиля), либо обычный электродвигатель, который при вращении вырабатывает электроток.
• Инвертор, регулятор напряжения, стабилизатор — в зависимости от выбранного напряжения.
• Буферный элемент — аккумуляторные батареи, обеспечивающие непрерывность генерации, вне зависимости от наличия ветра.
• Установочная конструкция: мачта, кронштейн для монтажа на крыше.

Пропеллер

Можно изготовить из любого материала: хоть из пластиковых бутылок. Правда гибкие лопасти существенно ограничивают мощность.

Достаточно вырезать в них полости, для забора ветра.

Неплохой вариант — ветряк бытового из кулера. Вы получаете готовую конструкцию с профессионально выполненными лопастями и сбалансированным электродвигателем.

Аналогичная конструкция изготавливается из охладителя компьютерных блоков питания. Правда мощность такого генератора мизерная — разве что зажечь лампу на светодиодах, или зарядить мобильный телефон.

Тем не менее, система вполне работоспособна.

Неплохие лопасти получаются из алюминиевых листов. Материал доступен, его несложно отформовать, пропеллер получается достаточно легким.

Если вы создаете роторный пропеллер для вертикального генератора, можно воспользоваться жестяными банкам, разрезанными вдоль. Для мощных систем применяются половинки стальных бочек (вплоть до объема 200 литров).

Разумеется, придется с особой тщательностью подойти к вопросу надежности. Мощный каркас, вал на подшипниках.

Генератор

Как говорилось выше, можно использовать готовый автомобильный, или электродвигатель от промышленных электроустановок (бытовой техники). В качестве примера: ветрогенератор из шуруповерта. Используется вся конструкция: двигатель, редуктор, патрон для крепления лопастей.

Компактный генератор получается из шагового двигателя принтера. Опять же, мощности хватает лишь на питание светодиодного светильника или зарядного устройства смартфона. На природе — незаменимая вещь.

Если вы с паяльником «на ты», и неплохо разбираетесь в радиотехнике — генератор можно собрать самостоятельно. Популярная схема: ветрогенератор на неодимовых магнитах. Преимущества конструкции — можно самостоятельно рассчитать мощность под ветровую нагрузку в вашей местности. Почему неодимовые магниты? Компактность при высокой мощности.

Можно переделать ротор имеющегося генератора.

Либо создать собственную конструкцию, с изготовлением обмоток.

Эффективность такого ветряка на порядок выше, чем при использовании схемы с электродвигателем. Еще одно неоспоримое преимущество — компактность. Неодимовый генератор плоский, и его можно разместить непосредственно в центральной муфте пропеллера.

Мачта

Изготовление этого элемента не требует познаний в электронике, но от его прочности зависит жизнеспособность всего ветрогенератора.

Например, мачта высотой 10–15 метров требует грамотно рассчитанных растяжек и противовесов. Иначе сильный порыв ветра может завалить конструкцию.

Если мощность генератора не превышает 1 кВт, вес конструкции не такой большой, и вопросы прочности мачты отходят на второй план.

Ветрогенератор для дома уже не редкость

Ветровые электростанции давно используют в промышленных масштабах. Но, сложность конструкции, а также сложность ее монтажа, не давали возможность использовать это оборудование в частных домах, как например солнечные панели.

Однако сейчас, с развитием технологий и увеличением спроса на “зеленую энергию”, ситуация изменилась. Производители наладили выпуск малогабаритных установок для частного сектора.

Принцип работы

Ветер вращает лопасти ротора, насаженного на вал генератора. В результате вращение в обмотках вырабатывается переменный ток. Для увеличение количества оборотов, а соответственно и количества выработанной энергии может использоваться редукторная передача (трансмиссия). Она же может блокировать вращение лопастей полностью, если возникнет такая необходимость.

Полученный переменный ток преобразуется в постоянный 220 Вт с помощью инвертора. Далее он поступает потребителю или, через контроллер заряда, на аккумуляторные батареи для накопления.

Полная схема работы установки от генерации энергии до ее потребления.

Виды ветрогенераторов и какой лучше для частного дома

На данный момент существуют два типа данной конструкции:

1. С горизонтальным ротором.
2. С вертикальным ротором.

Первый тип, с горизонтальным ротором. Такой механизм считается самым эффективным. КПД составляет примерно 50%. К минусом относиться необходимость минимальной скорости ветра от 3 м.в секунду, конструкция создает много шума.

Для максимально эффективной работы необходима высокая мачта, что, в свою очередь, усложняет монтаж  и дальнейшее обслуживание.

Второй тип, с вертикальным. Ветрогенератор с вертикальным ротором имеет КПД не более 20%, при этом достаточно скорости ветра всего 1-2 м в секунду. При этом он работает значительно тише, уровень выделяемого шума не более до 30 дБ, и без вибрации. Не требует большого пространства для работы, при этом не теряя эффективность.

Для установки не требуется высокая мачта. Оборудование можно смонтировать на крыше дома даже своими руками.

Отсутствие анемометра и поворотного механизма, он совсем не нужен при такой конструкции, делает этот тип ветрогенератора более дешевым по сравнению с первым вариантом.

Видео обзор

Какую установку выбрать?

Прежде чем ответить на этот вопрос нужно понять ваши требование, финансовые возможности и приоритеты в эксплуатации.

Если вы хотите получать максимум электроэнергии и готовы тратиться на периодическое обслуживание генератора, выберите первый вариант.  Вложив единоразово в высокую мачту, и оплатив 1 раз в 5-10 лет замену подшипников или масла, вы получите полную энергонезависимость, и даже, если вы живете в Украине или странах ЕС, сможете продавать излишки электричества.

Высокий уровень шума этой станции требует выбрать максимально удаленное от жилых зданий место. Это момент также нужно учитывать, потому что инфразвук не останется незамеченным вашими соседями.

Чтобы получить эквивалентную выработку в отношении с первым вариантом, необходимо будет поставить 3 ветрогенератора этого типа. Однако, в ценовом эквиваленте получается примерно одинаковая сумма (при условии самостоятельного монтажа).

Видео обзор эксперта в области альтернативных источников энергии

Экономическое обоснование строительства ВЭС

С точки зрения экономики, строительство ВЭС имеет смысл только при отсутствии других способов энергообеспечения. Оборудование стоит очень дорого, обслуживание и ремонт требуют постоянных расходов, а срок службы ограничен 20 годами, и это в условиях Европы. Для России этот срок можно снизить не менее, чем на треть. Поэтому использование ВЭС экономически малоэффективно.

С другой стороны, при полном отсутствии альтернативных вариантов или при наличии оптимальных условий, обеспечивающих качественную и равномерную работу ветряков, использование ВЭС становится вполне приемлемым способом энергообеспечения.

Лопастники

Ветряки с горизонтальной осью вращения имеют большую эффективность, так как энергия потока ветра используется только на рабочих поверхностях, не контактируя с обратными сторонами лопастей

При этом, критически важно наличие устройства, автоматически устанавливающего для ветряка направление по ветру. Обычный вариант — свободно вращающийся вокруг вертикальной оси ветряк и хвостовой стабилизатор как у самолета

Лопасти

Лопасти горизонтального ветряка являются основным элементом крыльчатки, принимающим поток и преобразующим его во вращательное движение. Эффективность работы обусловлена конструкцией и размерами.

Аэродинамика лопастей зависит от угла наклона, конфигурации, площади соприкосновения с потоком. Чем выше площадь контакта, тем большую энергию принимает поверхность, что имеет положительные и отрицательные стороны. Возрастание получаемой энергии способствует повышению фронтального давления на ветряк, способствующего разрушению конструкции.

Генератор

Генератор — устройство, преобразующее энергию вращения в электрический ток. Наряду с ротором, генератор для ветряка является основным узлом, который обслуживается всеми остальными элементами установки. Используются готовые конструкции, входящие в состав комплекта поставки или приобретенные отдельно, а также самодельные образцы, зачастую работающие лучше заводских.

Аварийный флюгер

Так среди специалистов принято называть устройство увода крыльчатки от чрезмерно сильного ветрового потока. Вращение, имеющее скорость, превышающую расчетную, создает ток большей силы и напряжения, чем это рассчитано и не нужен для оборудования.

Для исключения таких ситуаций существуют устройства торможения, одно из которых работает на принципе авторегулирования. Перпендикулярно направлению оси устанавливается специальная лопатка, жестко соединенная с ротором.

Хвостовой стабилизатор крепится к ротору через шарнир с пружиной. Когда ветер достигает слишком высокой скорости, усилие на тормозной лопатке превышает силу пружины, ротор отворачивается от ветра и прекращает вращаться со слишком высокой скоростью.

Токосъемник

Устройство подвода или, в нашем случае, съема электроэнергии — коллектор — достаточно капризный узел, требующий регулярного ухода, смазки, замены щеток и т.д. Процедура не самая простая, так как ветряк расположен на мачте, до аппаратуры надо еще добраться, что непросто. Необходимо иметь достаточно надежный и безопасный механизм опускания мачты, иначе аппаратура долго не продержится.

Лопастной ветрогенератор + солнечная панель для электроснабжения дачи

Идея совмещать солнечные батареи с ветрогенераторами возникла практически с первых дней появления этих конструкций. Привлекают абсолютно дармовая энергия ветра и солнца, которые нуждаются только в оборудовании для захвата и преобразования. Оба комплекса вполне могут работать в связке, дополняя друг друга.

Скорость ветра

К сожалению, в нашей стране не так много регионов, где скорость ветра находится хотя бы на уровне 5-7 метров в секунду. Берутся данные в среднем за год. В подавляющем большинстве широт, пригодных для проживания, эта самая скорость равняется максимум 2-4 м/с.

Это говорит о том, что ваша ветроустановка большую часть времени, элементарно не будет работать. Для стабильной выработки электричества, ей нужен ветер около 10 м/с.

Если в вашем районе ветер 7м/с, то генератор будет работать максимум на 50% от своего номинала. А если всего 2м/с, то и вовсе на 5%.

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

Еще вы столкнетесь с другой проблемой ветра, о которой умалчивают производители. Около земли, его скорость гораздо меньше чем наверху, там где ставятся промышленные установки высотой 25-30м.

Вы же свой агрегат будете монтировать максимум на десяти метрах. Поэтому даже не ориентируйтесь на таблицы ветров с разных сайтов. Эти данные вам не подходят.

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.

Попробуете задрать повыше чем 10м, обязательно задумаетесь о молниезащите. Наэлектризованные трением воздуха лопасти, очень вкусная приманка для разрядов!

К тому же, почему-то все беспокоятся только о таком параметре, как скорость ветра, и при этом забывают про его плотность или давление. А разница для энергетики весьма существенная. Зависимость выработки электроэнергии от давления ветра непропорциональная.

Так, при увеличении давления ветра в два раза, генерируемая мощность возрастает в восемь раз!

Кроме того, есть определенное лукавство в указанных технических характеристиках генераторов.

Верить им конечно можно, но только для идеальных условий. Потому что:

показания эти снимаются в аэротрубе 

и в ламинарном потоке при неизменном направлении и повышенной плотности 

У вас же на дачном участке скорость ветра может быть такой, что не получится и вал прокрутить, не то что вырабатывать энергию.

И это весной или осенью. Именно в этот период происходят наиболее активные перемещения воздушных масс.

Не забывайте, что ветряк работает не в режиме холостого хода вертушки, а должен раскрутить ротор генератора в окружении неодимовых магнитов.

И это только до тех пор, пока электрический потенциал ветряка ниже напряжения АКБ. При достижении напряжения достаточного для начала заряда, аккумулятор превращается в нагрузку.

Если применить тихоходные конструкции с вертикальной осью вращения, то здесь уже присутствует повышающий редуктор. Вы пытались раскрутить повышающий редуктор? Такая конструкция усложняется, увеличивается вес, парусность, стоимость.

Даже на маяках Северного флота, учитывая там постоянные ветра и полярную ночь, специалисты предпочитают использовать солнечные батареи. На вопрос почему так, отвечают по-простому – проблем меньше!

Ротор Бирюкова

Изобретение Бирюкова появилось в 60-х годах прошлого века. Особенностью конструкции является устройство ротора, имеющего два «этажа» с разным строение лопастей. КПД ветряка, заявленный изобретателем, составляет 46 %, что для подобных устройств вертикального типа весьма привлекательно.

Ротор стартует как обычное устройство Савониуса, но при наборе скорости образуется воздушная подушка из завихрений, изменяющая профиль крыльчатки на более выгодный при данном режиме вращения. Усиление ветра способствует образованию вихревого кокона, который заставляет поток обтекать его словно монолитную преграду.

Горизонтальные ветрогенераторы (крыльчатые)

Разные модификации горизонтальных установок имеют от одной до трех лопастей и более. Поэтому коэффициент полезного действия намного выше, чем у вертикальных.

Недостатки ветрогенераторов − в необходимости ориентировать их на направление ветра. Постоянное перемещение снижает скорость вращения, что понижает его производительность.

1. Однолопастные и двухлопастные. Отличаются высокими двигательными оборотами. Масса и габариты установки небольшие, что облегчает установку.
2. Трехлопастные. Пользуются спросом на рынке. Могут вырабатывать энергию до 7 мВт.
3. Многолопастные установки имеют до 50 лопастей. Отличаются большой инерцией. Преимущества крутящего момента используют в работе водяных насосов.

На современном рынке появляются ветрогенераторы с отличными от классических конструкциями, например, встречаются гибридные.

1. Ветрогенератор, устроенный по типу парусника

Тарелкообразная конструкция под напором воздуха приводит в движение поршни, которые активируют гидросистему. Как результат, происходит трансформация физической энергии в электрическую.

Во время работы установка не шумит. Высокие показатели мощности. Легко управляемая.

2. Летающий ветрогенератор-крыло

Используется без мачты, генератора, ротора и лопастей. В сравнении с классическими конструкциями, которые функционируют на небольшой высоте при непостоянной силе ветра, а сооружение высоких мачт дело трудоемкое и дорогое, “крыло” таких проблем не имеет.

Его запускают на высоту 550 метров. Выработка электрической энергии составляет 1 мВт в год. Производителем “крыла” является компания Makani Power.