Ветряные мельницы: их строительство для электричества

Что такое ветроэнергетика

Ветроэнергетика – это способ получения различных видов энергии, основанный на использовании энергии, возникающей при движении воздушных масс, то есть, попросту говоря, на использовании энергии ветра.

Энергия ветра использовалась человечеством с давних пор. Именно энергия ветра столетия двигала парусные корабли, позволяя пересекать океаны, энергия ветра использовалась и в мельницах, она же применялась при орошении полей и осушении земель. И тогда, когда человечество открыло для себя пользу электричества, вновь внимание было обращено на энергию ветра: в XIX столетии активно строились ветряные электростанции для промышленного производства электроэнергии.

В России всплеск интереса к ветряным электростанциям пришелся на 20-е годы ХХ столетия. Установка «коммунизм есть советская власть плюс электрификация всей страны» потребовала не только модификации властных структур, но и обеспечения «лампочками Ильича» громадных территорий государства. Строительство ГЭС – дело затратное и не слишком быстрое, да и оставалась проблема с передачей выработанной энергии на значительные расстояния. В этих условиях наиболее предпочтительным оказалось использование энергии ветра.

Были разработаны ветряные электростанции для сельского хозяйства, которые могли изготавливаться прямо на месте, а материалы для их производства были общедоступны. Эти установки использовались как для освещения, так и для хозяйственных нужд (например, для мельниц). Обычный «крестьянский ветряк» мог обеспечить освещение крупной деревни – до двухсот дворов. При этом не возникало никаких проблем с передачей электроэнергии.

Упадок ветроэнергетики в середине ХХ столетия был вызван появлением дешевых передающих и распределительных сетей электростанций, использующих традиционное органическое топливо, а также гидроэлектростанций. Но ограниченность топливных запасов к концу ХХ века привела к возрождению интереса к энергии ветра, которая практически бесконечна.

Принцип работы ветровой электростанции

Ветряные электростанции представляют собой несколько ветряных установок, объединенных между собой в единую сеть. Крупные станции могут включать в себя более 100 ветрогенераторов. Такие места получили название “ветряные парки”. Ветрогенераторы — это экологический способ добывать энергию в течение неограниченного времени.

Эффективным местом для установки ветровых электростанций являются участки с постоянным потоком ветра — холмистая местность, горы, прибрежные участки морей и океанов. По расположению выделяют следующие виды:

• наземные;
• прибрежные;
• плавающие;
• офшорные.

По типу конструирования можно выделить:

• роторные;
• крыльчатые.

Крыльчатые ветряные электростанция наиболее эффективные и получили широкое применение. Они способны вырабатывать достаточное количество энергии. На высокой мачте устанавливается чаще всего трехлопастной механизм, с горизонтальной осью вращения. Мощность вращения зависит от размера лопастей. Максимальная скорость вращения достигается в моменте, когда поток ветра идет перпендикулярно лопастям. Так как потоки ветра периодически меняют направление, то имеется автоматический блок управления

Роторные электростанции имеют вертикальную ось вращения. Плюсом данного вида является то, что они не издают шум, эффективность работы не зависит от направления потока ветра, поэтому станции не нужны дополнительные блоки управления. Но по сравнению с крыльчатыми электростанциями они менее эффективны.

Принцип работы любой ветряной электростанции одинаков. Поток ветра раскручивает ротор с лопастями, которые связаны с генератором. Чем больше размер лопастей, тем больший поток они захватывают и вращается с большей скоростью. Чем быстрее крутятся лопасти, тем больше энергии вырабатывается. Генератор преобразует движение в энергию и выводит на аккумуляторы. На выходе получается пригодная для использования энергия.

Как устроена ветровая электростанция

Современные ветряные станции имеют 3 лопасти, длина которых может достигать 55 метров.

Чтобы понять, как работает станция нужно знать как она устроена:

• Ветрогенератор. Основная его задача преобразовывать энергию в электричество. Состоит из винта и генератора переменного тока.
• Контроллер. Преобразует переменный ток в постоянный и регулирует обороты ветрогенератора.
• Аккумуляторы накапливают энергию во время работы ветряка.
• Инвертор, преобразует постоянный ток в бытовой, который поступает в дом для использования.

Особенности бытовых ветрогенераторов

Так как ветроэнергетика — это неисчерпаемый ресурс, то многие задумываются об установке ветряка у себя дома. Раньше ветровые генераторы использовались больше в промышленной сфере. Но с развитием этой технологии появились и бытовые модели.

Чаще всего их применяют в местах, где нет централизованной электросети. Современные установки на 3-5 генераторов, смогут полностью обеспечить дом энергией. Однако, перед тем как покупать ветряки, стоит изучить насколько эффективно они будут работать конкретной местности.

Обратите внимание! На рынке можно встретить ветродизельную электростанцию (ВДЭС), которая представляет собой комбинацию ветроэлектрических установок и дизельного генератора.  ВДЭС кроме электроэнергии может производить и тепловую, что позволяет бесперебойно снабжать дом энергией.

Обзор типов

Ветряные мельницы мукомольного производства работали с 1 либо 2 жерновыми поставами. Поворот на ветер происходит двумя способами — по козловой и по шатровой схеме. Козловая методика означает, что вся мельница полностью проворачивалась вокруг столба из дубовой древесины. Этот столб монтировали в центре тяжести, а не симметрично по отношению к корпусу. Поворот к ветру расходовал много энергии и потому был сильно усложнен.

Традиционно козловые мельницы оснащались одноступенчатой механической передачей. Она эффективно крутила укороченный вал. По козловой методике выполнена еще и мельница Bock. Более совершенный вариант — шатровая (она же голландская) схема. В верхней части здание оснащалось поворотной рамой, которая поддерживала колесо и увенчивалась шатрообразной кровлей.

Поворот к ветру благодаря облегченной конструкции происходит с куда меньшими усилиями. Ветровое колесо могло быть очень большого сечения, поскольку его поднимали на большую высоту. В большинстве случаев шатровая мельница оснащалась двухступенчатой передачей. Промежуточное строение имеет колчанный тип мельницы. В нем круг поворота размещался на высоте 0,5 корпуса, важный подвид — дренажная мельничная установка.

Быстродействие ветряной мельницы в прошлом было лимитировано прочностью передающего устройства. Ограничения были связаны с деревянными зубцами колес и цевками. В результате нарастить коэффициент применения ветровой энергии (КПД) невозможно. Сами зубья и цевки для них делались по шаблону из качественной сухой древесины. Для этой цели подходили:

• акация;
• береза;
• граб;
• вяз;
• клен.

Колесный обод главного вала изготавливали из березы либо вяза. Доски выкладывали в два пласта. Снаружи обод по кругу тщательно отделывали; чтобы держались спицы, использовали болты. Те же болты помогали подтянуть диски. Основное внимание при совершенствовании конструкции уделялось исполнению крыльев.

В достаточно старых мельницах решетки крыльев накрывали парусиной. Но позднее ту же функцию успешно исполняли тесовые доски. Обнаружилось также, что еловый тес подходит лучше. Изначально крылья создавали с неизменным углом заклинивания лопасти, варьировавшимся от 14 до 15 градусов. Изготовить их довольно просто, однако слишком много ветровой энергии растрачивалось впустую.

Применение винтовой лопасти позволило нарастить КПД до 50% по сравнению с более старым вариантом. Сменный угол заклинивания в наконечнике колебался в пределах 1 — 10, а в основании от 16 до 30 градусов. Один из наиболее современных вариантов — с полуобтекаемым профилем. Ближе к концу периода шатровых мельниц их строили уже почти исключительно из камня. В некоторых случаях, конечно, ветряная система подключалась к водяному насосу, что позволяло орошать земельные участки.

В самом раннем типе таких конструкций, как и на мукомольных предприятиях, можно было уменьшать площадь крыльев, частично снимая парус либо открывая жалюзи. Это решение позволяло предотвращать повреждения даже при усилении ветра. Но все равно оставалась проблема тихоходности ветродвигателя с большим количеством лопастей либо с большой шириной крыльев. Причина вполне очевидна — очень серьезный страгивающий момент. Решение нашла немецкая компания «Кестер», которая выпускала ветроколесо «Адлер» с минимумом лопастей и значительной дистанцией между ними; такая конструкция уже имела среднюю быстроходность.

Еще более продвинутые конструкции на крыльях со стороны подсоса оснащались особыми клапанами. Потому регулировка происходила автоматически, что обеспечивало максимально высокое быстродействие. В рабочем состоянии удержание клапанов обеспечивала пружина. Все конструировали так, что из-за этих клапанов даже при активном движении не возникало сильного сопротивления. Если заданная частота кручения из-за центробежной силы была превышена, происходил поворот клапанов.

При этом сопротивление воздушному потоку нарастало, он использовался куда менее плавно и не так эффективно, как обычно. Зато в норме удавалось снизить страгивающий момент. В течение XVIII и XIX столетий ветряными мельницами пользовались уже на всей планете. Их перестали делать полукустарными способами, начали выпускать на заводах многолопастные ветровые двигатели из металла. К концу XIX века лишь немногие модели были лишены функций автоматической регулировки темпа кручения и жесткой фиксации колеса в направлении мотора.

В индустриально развитых странах делали тогда уже сотни тысяч комплектов для мельниц в год. Начался также выпуск усовершенствованных экономичных моделей, призванных, прежде всего, вырабатывать электричество. Мощность таких систем сравнительно невелика, обычно не превышала 1 кВт, чаще всего предусматривалось оснащение колесами с 2-3 лопастями крыльчатого формата. Подключение к генератору происходит через редуктор. Для накопления энергии в таких системах применялись аккумуляторы малой и средней емкости.

Как выбирать ветряки (ветряные мельницы для электричества)

Людям, живущим далеко от подстанций и ВЛ-0,4кв, мы бы рекомендовали приобретать наиболее мощные модели ветряков, какие вы только можете себе позволить. Поскольку от той мощности, что указана на картинках, вам достанется не более 15%.

Есть еще категория потребителей, которая вполне заслужено делает выбор не в пользу китайских заводских моделей, а в пользу самодельных ветряных мельниц. Такие ветряки сделаны мастерами- самоучками. Свои выгоды в этом тоже имеются.

В большинстве своем, изобретатели подобных девайсов, это грамотные и ответственные ребята. С ними можно договориться и подстраховаться, если что-то пойдет не так и нужно подремонтировать. Тогда практически в 100% случаев, без проблем им можно вернуть установку.

Промышленные китайские ветряки, конечно имеют внешний вид посимпатичнее. И если вы все-таки решились прикупить именно его, тогда приготовитесь к небольшой замене. Сразу после проверки электродрелью, сделайте профилактический ремонт и замените китайский металлолом на подшипники с качественной смазкой.

Если поблизости от вас есть крупные гнездовья птиц, не помешает закупить дополнительный комплект лопастей.

К сожалению бывает так, что птенцы иногда попадают под крутящееся “мини мельницы”. Пластиковые лопасти ломаются, а металлические гнутся.

Выбор ветрогенератора по характеристикам мощности

Что касается выбора ветрогенератора, с номинальной мощностью (предположительно – 800 Вт/ч) при скорости ветра 8 м/с, вам лучше не рассчитывать на то, что при ветре 4 м/с установка будет стабильно выдавать 400 Вт/ч. Значение мгновенной мощности ветрового потока, воздействующего на лопасти генератора, пропорционально скорости ветра, возведенной в куб. На практике это означает следующее: если скорость ветра падает в 2 раза, то мощность, генерируемая ветроустановкой, снижается примерно в 8 раз.

Ниже приведена зависимость мощности от ометаемой площади рабочего винта и скорости ветра.

Диаметр ветроколеса, мМощность, кВт, при скорости ветра, м/с45678910

Таблица мощности в зависимости от скорости ветра

График мощности ветрогенератора изначально учитывает КПД установки, который выражается в коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ). Средний КИЭВ всех современных электроустановок находится в пределах – от 0,3 до 0,4. Продвигаясь в исследованиях графика мощности, следует рассматривать не сколько номинальные характеристики устройства (данные характеристики можно получить только при ветре 9–10 м/с), сколько показатели, характерные для среднегодовых значений ветра, пригодных конкретно для вашей местности (например, 4–5 м/с). Таким образом можно правильно оценить потенциал того или иного ветрогенератора.

Выбирая устройство по мощности, дополнительно следует учитывать потери на преобразование электроэнергии (из переменного тока в постоянный, а потом обратно – в переменный ток бытовой частоты). Потери выражаются в энергии, которую потребляют во время работы контроллер и инвертор.

Как сделать ветряную электростанцию?

Создание ветряной электростанции является сложным и затратным процессом. Необходимо установить большое количество ветряков и объединить их в единую энергосистему с общей производительностью. Это требует больших усилий по техническому, юридическому и финансовому сопровождению проекта, понадобятся тщательные предварительные разведочные работы, отвечающие на все вопросы эксплуатационного характера:

• преобладающая скорость ветра
• климатические условия, возможность ураганных ветров
• состав почв, стабильность, несущая способность
• особенности рельефа местности

Эти показатели дают почву для расчетов эффективности и возможности строительства станции в данном регионе. Использование ветроэлектростанций не создает проблем для сельского хозяйства, площади сокращаются только на размеры основания несущих мачт. Работа установок имеет достаточно плавный характер и не вредит окружающим людям или животным. Для местностей, не имеющих других вариантов, ветроэнергетические установки являются оптимальным выходом из положения.

Выбор места

Важно учитывать вращение лопастей. Потому поблизости не должно быть никаких посторонних строений и конструкций. Желательно выбирать ровную площадку, иначе постройка может быть перекошена. Участок очищают от всей растительности и иных мешающих вещей. Еще учитывают, как все будет смотреться внешне.

Инструменты и материалы

Построить ветряную мельницу можно даже из фанеры, прочного пластика или металла. Никто не запрещает также комбинировать их. Но все же классическому подходу оптимально соответствует использование деревянной доски, бруса, фанеры. Для гидроизоляции принимают полиэтилен, а для крыши — рубероид. Потому нужны еще молотки и гвозди, дрели, пилы и другой инструментарий для деревянного строительства: рубанки, УШМ, ведра и кисти.

Фундамент

Несмотря на декоративность большинства ветряных мельниц, схема строительства все равно подразумевает подготовку основания. Рытье ямы и заливка раствора не обязательны. Вполне достаточно использовать выкладку бруса или бревен. Обычно конструкция по форме близка к трапеции. Внутренний и наружный каркасы связывают при помощи вертикальных стоек, размещаемых под заданным углом.

Стены и кровля

При обшивке конструкции обращают внимание на проемы окон и дверей. Критически важна также точка монтажа лопастей. Двери ставят со вспомогательными креплениями. Подкреплять балки с лопастями можно брусом. Обивка возможна любым материалом, обеспечивающим герметично закрытую поверхность, наиболее колоритно покрытие деревом.

Форму крыши выбирают индивидуально. Ровное и прямое покрытие ничуть не хуже устанавливаемого под углом. Достаточную гидроизоляцию обеспечит слой рубероида. Лицевая крыша получается при помощи досок либо фанеры. Необходимости использовать более декоративные варианты отделки нет.

Установка ветрогенератора

Ставить мельницу нужно на сухую приготовленную площадку. По мере надобности используют анкеры, чтобы гарантировать жесткость крепления. Обязательно стоит свериться с законодательными и нормативными актами, чтобы не иметь проблем. В любом случае также соблюдают рекомендации по электробезопасности и заземлению. Необходимо подключать генератор через провода определенного сечения и в «уличной» изоляции.

Когда стоит покупать ветряную мельницу (ветряк)

Безусловным фактом является подорожание электроэнергии с каждым годом. Так, еще 10 лет назад, ее цена была на 70% ниже. Мы приведем для вас примерные расчеты и выясним перспективу выхода на окупаемость ветряка, с учетом резкого удорожания электричества.

Рассматривать будем генератор мощностью 2квт.

Ранее уже упоминалось, что стоимость такой модели около 200 тысяч. Но, учитывая все дополнительные расходы, нужно умножить ее на два. Получится минимум 400 тыс.руб. затрат, при сроке службы в двадцать лет.

То есть, за год получается 20 тысяч. При этом по факту, за этот год агрегат выдаст вам максимум 900 квт. Из-за коэффициента установленной мощности (для маленьких ветряков он не превышает пяти процентов), за месяц вы накрутите примерно 75квт.

К примеру, если взять 1000 квт в год для простоты расчетов, стоимость 1квт/ч полученная от ветряка, для вас составит 20 рублей. То есть при подорожании ТЭС допустим, в 4 раза, стоимость электричества от индивидуального ветрогенератора, будет приходится выше.

Использование ветряка может быть обосновано в двух случаях:

• если поблизости нет внешних электросетей или вам не дают к ним подключаться
• у вас есть дизель генератор, но доставить для него топливо нет возможности

Чтобы ветряная мельница для электричества была для вас хорошей альтернативой, стоит придерживаться основного принципа. Устанавливаться ветряк должен в районе со средне годовой скоростью ветра не менее 5-6 м/с.

В конечном результате, энергия, которую производит ветряк, зависит только от:

• скорости ветра
• площади, которую описывают лопасти

Ведущие мировые производители

В число наиболее известных производителей ветрогенераторов и оборудования для ветроэнергетической отрасли входят компании:

• Vestas,
• Nordex,
• Superwind,
• Panasonic,
• Ecotecnia,
• Vergnet.

Российские производители пока не готовы конкурировать с этими фирмами, так как вопрос о создании качественных и производительных ветрогенераторов в России до сих пор не ставился достаточно плотно.

Обзор цен на популярные модели

Стоимость ветрогенераторов высока. Этот момент является самым труднопреодолимым для распространения ветроэнергетических технологий. Многие владельцы домов с удовольствием установили бы у себя на участке ветряки, но не имеют средств на их приобретение. Установка, способная обеспечить освещение участка, стоит около 100 тыс руб.

Более мощная конструкция, позволяющая снабдить электроэнергией коттедж, обойдется в 250 тыс.

ВЭС, способная обеспечить небольшое фермерское хозяйство, стоит около 500 тыс. руб. И это еще не предел. При таких ценах ожидать быстрого распространения ветрогенераторов не приходится, поэтому вся надежда на появление отечественных моделей, способных решить вопрос дороговизны оборудования. Как вариант, можно купить относительно недорогую китайскую модель. Такие устройства не поддаются ремонту, являясь, по сути, одноразовыми, но их цена намного ниже, чем стоимость аналогичных по мощности западных образцов.

Плюсы и минусы ветроэнергетики

Очевидным плюсом ветроэнергетики является фактическая бесконечность ресурсов: пока на планете имеется атмосфера и светит Солнце, будет и движение воздушных масс, которое можно использовать для получения энергии.

Еще один несомненный плюс: экологичность. Ветряные электростанции не выделяют никаких вредных веществ, не загрязняют окружающую среду. К сожалению, их все же нельзя назвать полностью экологически безопасными, так как ветроэнергетическая установка довольно шумная, и поэтому в Европе законодательно установлен предельный уровень шума для дневного и ночного времени, который ветряные электростанции не должны превышать. Кроме того, работу ветряных электростанций приходится останавливать во время сезонного перелета птиц (на данный случай в Европе также имеется законодательное ограничение). В России подобных ограничений нет, но ветряные электростанции не располагаются поблизости от жилых домов – исходя из удобства населения.

Наряду с таким плюсом, как неисчерпаемость энергетического источника, идет и минус: эффективность работы ветряной электростанции зависит от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. К сожалению, скорость ветра изменяется в зависимости от всех этих параметров, а так как энергия ветра является кинетической, то она напрямую связана со скоростью (Е = m×v2/2) – чем выше скорость, тем, соответственно, больше энергии вырабатывает ветроустановка. Поэтому ветряные электростанции приходится использовать обычно вместе с другими источниками энергии, а также пользоваться аккумуляторами, которые принимали бы избыток энергии в ветреные дни и отдавали бы во время штиля.

К плюсам ветряных электростанций можно отнести и быстроту возведения ветроустановки: даже для промышленной установки требуется не более двух недель, учитывая время, затраченное на подготовку площадки, ну а бытовой ветро-генератор, пригодный для снабжения энергией частного дома или коттеджа, устанавливается за считанные часы.

Иногда к минусам ветряных электростанций относят довольно большую площадь, которую занимают ветроустановки (электростанция может содержать сто и более ветроэнергетических установок). Однако, наряду с наземными ветряными электростанциями, сейчас устанавливаются и прибрежные (их существенным плюсом является стабильность работы – за счет морских бризов), шельфовые (находятся в море на значительном удалении от берега (10-60 км), не занимают земельные участки, весьма эффективны, так как морские ветры регулярны и обладают значительной скоростью).

Перспективы ветроэнергетики

Учитывая общую направленность энергетической области на использование возобновляемых, а, желательно, и неисчерпаемых источников энергии, развитие ветроэнергетики будет постоянно ускоряться во всем мире. Разрабатываются новые модели ветроустановок, в которых усиливаются плюсы и минимизируются минусы. Например, уже тестируются плавающие и парящие ветрогенераторы. Плавающие ветрогенераторы обладают тем же преимуществом, что и шельфовые – они устанавливаются довольно далеко от берега, не занимают земельные участки, их работа максимально эффективна за счет постоянных морских ветров. Также эффективны и парящие ветрогенераторы: чем выше – тем больше скорость ветра, и такие ветроустановки могут использовать максимальную силу ветра.

Все больше стран в мире устанавливают у себя ветряные электростанции, используя самые последние разработки. В суммарной энергии, вырабатываемой в мире, доля энергии, производимой ветряными электростанциями, постоянно возрастает.

Ветроэнергетика в России развивается сейчас так же, как и во всем мире. Эксплуатируются ветряные электростанции, построенные ранее, проектируются и строятся новые. Доля электроэнергии, вырабатываемой при использовании энергии ветра, возрастает. В перспективе возможно, что примерно 30% от всего производства электроэнергии в России, будет вырабатываться именно ветряными электростанциями (про оценкам экспертов таков экономический потенциал ветроэнергетики в России).

Ложные теории

Самые распространенные мифы про ветроэнергетику:

1. Ветряки убивают птиц. Сложно отрицать, что птицы иногда врезаются в лопасти или мачту ветрогенератора и погибают. Но не меньше птиц погибает от электропроводов. По статистики больше всего умирает птиц из-за нападения кошек.
2. Самый распространенная ложная теория — это то, что шум от ветряного генератора может негативно сказаться на здоровье человека, в том числе дать осложнения на органы слуха.
3. Не экологичный источник, так как рост количества ВЭС увеличивает выброс углекислого газа. Да, но в сравнение с угольными или газовыми электростанциями этот показатель в 50 раз меньше.
4. Безработица. Ходит мнение, что получение энергии таким способом сократит рабочие места, однако этот миф легко развеять. В любом развивающемся секторе не может возникнуть безработица, так как ветроэнергетика всегда нуждается в новых кадрах — исследователи, разработчики.

Ложные теории появляются из-за незнания тема, однако все их легко опровергнуть, что было сделано многократно.

Как вам статья?