Ветроэнергетикой интересуются многие. Причины такого интереса разные: для кого-то это одна из немногих возможностей обеспечить дом электричеством; кто-то рассматривает ветряк как резервный источник питания; другие хотят получить полную независимость от центральных электросетей. На сегодняшний день такая возможность есть – необходимо установить на участке ветрогенератор и не очень сложное вспомогательное оборудование. Однако некоторые нюансы все же есть, о которых следует знать заранее.

Кинетическая энергия ветра может быть преобразована как в электрическую, так и в механическую или тепловую энергию. Таким образом, при помощи ветра можно не только обеспечить дом электричеством, но и, к примеру, поднять воду со скважины, без промежуточной трансформации кинетической энергии ветрового потока в электрическую.

В том или ином случае понадобится ветроэнергетическая установка, включающая в себя ветродвигеталь, укомплектованный преобразователем энергии и аккумулятором. Преобразователем энергии могут быть электрогенераторы, гидронасосы, компрессоры. К примеру, если ветроэнергетическая установка будет служить только для полива, то нет смысла вначале получать электричество, а затем использовать его для питания электронасосов. Лишнее звено трансформации энергии снижает КПД ветроэнергетической установки. В хозяйственной практике в основном находят применение только два типа преобразователей – электрический и механический (для перекачки воды). В первом случае речь идет о накоплении электрической энергии, которая используется потребителями; во втором о ветронасосах, обеспечивающих необходимое давление в системах капельного орошения, дождевальных установок, бытовых водопроводах.

Типы ветродвигателей

Любой ветродвигатель имеет лопасти, которые, обладая парусностью, принимают на себя часть кинетической энергии ветрового потока. Форма этих лопастей и конструкция ветроколеса может быть разной. Различают три основных типа ветродвигателей: крыльчатые (похожие на пропеллер), роторные (карусельные) и барабанные. Наиболее распространены крыльчатые рабочие органы ветроколеса, ось вращения которых расположена горизонтально. Их доля составляет не менее 90% от общего числа ветродвигателей.

Именно такие «ветряки» в большом количестве можно встретить в Европе, и особенно в Нидерландах. Ветроэнергетические проекты этой страны, стартовавшие еще в средине прошлого века, уже многократно окупили себя. Вопреки расхожему мнению, что ветроэнергетическая установка не способна вырабатывать достаточное количество электроэнергии, адекватное затратам на ее установку и обслуживание, в Голландии целые поселки питаются исключительно от «ветряков». Одна мощная ветроэнергетическая установка способна обеспечить в полном объеме электричеством несколько сот(!) коттеджей. Ветродвигатель такой установки установлен на очень прочную и устойчивую конструкцию, в основе которой лежит заглубленная на 15-20 метров массивная железобетонная плита. Она, как корень дерева, удерживает высокую башню, внутри которой находится лестница, позволяющая обслуживать ветроагрегат. При этом не используются никакие растяжки.

Крыльчатые ветродвигатели состоят из ветроколеса, головки, механизма ориентации (хвоста) и башни (или мачты – в зависимости от размера).

Ветроколесо может быть оснащено от одной до восьми и более лопастей. В зависимости от их количества, ветродвигатели делятся на быстроходные (до 4 лопастей), средней скорости хода (4…8 лопастей) и тихоходные (от 8 лопастей).

Головка сконструирована таким образом, чтобы она могла поворачиваться вокруг вертикальной оси башни. Ее форма зависит от мощности и назначения ветродвигателя – в свою очередь факторы, определяющие систему передаточного механизма, его конструкцию и число ступеней.

Хвост работает по принципу флюгера и разворачивает головку по ветру. Площадь его поверхности зависит от аэродинамических параметров лопастей ветроколеса.

Башня поднимает ветродвигатель выше всех препятствий, которые снижают напорный поток ветра, а также обеспечивает безопасность вращения лопастей. При скорости ветра превышающей 35-45 м/с срабатывает тормозная система, полностью останавливающая ветродвигатель.

Количество лопастей крыльчатого ветроколеса зависит от средней скорости ветра в районе установки ветроэнергетической установки. На открытых пространствах, морских и океанических побережьях используют малолопастные крыльчатые ветродвигатели, для запуска которых необходима минимальная скорость ветра 5-8 м/с. Это наиболее простые по конструкции ветродвигатели, имеющие высокий КПД, однако создающие немало шума.

В районах, где скорость ветра редко превышает 5 м/с, как правило, рекомендуют устанавливать многолопастные ветродвигатели. Они работают практически бесшумно, но также и имеют КПД ниже, чем малолопастные; кроме того, на изготовление многолопастных ветродвигателей уходит больше материалов, т.к. во время работы ветродвигатель данного типа испытывает повышенные гироскопические нагрузки.

Роторные ветродвигатели (они же карусельные) также имеют простую конструкцию, но обладают гораздо меньшим КПД - максимум 18%. Проблема их использования состоит еще и в том, что в них применяются довольно редкие многополюсные электрогенераторы. Роторные ветродвигатели имеют вертикальную ось вращения и лопасти, работающие по типу паруса. Одно из преимуществ такого типа ветродвигателей – отсутствие механизма ориентации. Вертикальная ось вращения позволяет безопасно использовать роторное ветроколесо при малой высоте башни. Такие ветродвигатели запускаются при малой скорости ветра и не шумят. Главный недостаток роторных ветродвигателей в малом коэффициенте использования ветра, поскольку в работе постоянно задействована только часть лопастей; остальные либо преодолевают сопротивление ветра, либо изолируются от него зонтом (кожухом).

За последнее десятилетие рынок ветроэнергетических установок (ВЭУ) существенно пополнился в первую очередь компактными моделями, которые могли бы найти применение в усадьбах и на фермах. Они рассчитаны на небольшую начальную скорость ветра 2,5…3 м/с и установку ветроагрегата на высоте 6…17 м. Номинальное количество электроэнергии вырабатывается уже при 6…8 м/с (скорость вращения ветротурбины 250…300 об/м.).

Ветрогенераторы в работе

Скорость ветра не является постоянной и поэтому получить от преобразователя «чистую» электрэнергию со стабильными параметрами не получается. Генератор, как правило, вырабатывает напряжение 0…56 В. Генерируемая «грязная» энергия аккумулируется батареями, которыми укомплектована ВЭУ, чем и обеспечивается бесперебойная работа системы. В период сильных ветров установка работает на пределе мощности и запасает энергию впрок, чтобы отдавать ее в безветрие или при слабом ветре. Нередко вместе с ветродвигателем используются солнечные батареи, которые обеспечивают заряд аккумуляторов в летний период, когда ветры особенно слабы.

Для преобразования постоянного тока аккумуляторов в переменный с параметрами 220В/50 Гц, ВЭУ оснащаются инверторами.

С целью преодоления пиковых нагрузок ВЭУ сочетают с вспомогательными источниками электроэнергии, такими как дизельные и бензиновые генераторы, а также (в качестве вспомогательной) централизованную электросеть.

Индивидуальные ветроэнергетические установки малой мощности постепенно становятся дешевле и эффективнее. Вместе с этим увеличиваются и перспективы их применения для частных домов и фермерских хозяйств. К примеру, для коттеджей в отдаленных районах немаловажно располагать автономной ветроэнергетической установкой мощностью 20-50 кВт, которая гарантирует работу основного электрооборудования при отсутствии всех иных источников.

Ветронасосы

Поднимать воду из глубины при помощи ветра люди научились давно, однако этот способ не забыт и сегодня, особенно там, где недоступны источники электроэнергии. Идея изобретения проста – использовать энергию ветра для привода водяного насоса.

Наибольшее распространение ветронасосы получили в США. Когда-то они решали судьбу экономики страны, а сегодня стали еще и неким культовым сооружением традиционной обстановки американского ранчо.

На постсоветском пространстве ветронасосы – большая редкость, хотя в период садово-огородного бума средины 80-ых их популярность возросла. Обстоятельства заставили. В наши дни также складываются предпосылки к обращению к уже позабытым «Ромашкам» и «Водолеям», поскольку доля электроэнергии в себестоимости овощной продукции растет из года в год.

Ветромеханический агрегат «Ромашка» был разработан НПО «Ветроэн». Впревые его чертежи были опубликованы в журнале «Моделист-конструктор» в 1988 году, в котором излагалось руководство по самостоятельному изготовлению ветронасоса.

Оба агрегата имеют максимально упрощенную конструкцию. Они предназначены для всасывания воды с глубины до 8 м и работают уже при скорости ветра 3 м/с. Ветроколесо «Ромашки» имеет 12 лопастей и приводит в движение диафрагму насоса посредством кулочково-рычажного механизма с вертикальной тягой, проходящей внутри опоры ветродвигателя.

При скорости ветра 5 м/с ветронасос «Ромашка» поднимает 8-метровой глубины до 300 литров воды в час, и способен доставить ее на высоту до 10 метров. В паре с системой капельного полива данный агрегат предоставляет реальную возможность возделывания огородных культур на отдаленных участках, при наличии там водоема или скважины глубиной до 8 метров.