Электроэнергия из ветра - глоток свежего воздуха

Наряду с такими экологичными источниками электроэнергии, как энергия солнечного света и текущей воды, энергия ветра выглядит наиболее завораживающей. Один вид вращающегося ветряка может надолго приковать взгляд своей грацией и динамикой. Но, кроме эстетических преимуществ, использование ветровой энергии имеет и недостатки. Главный из них, присущий любому механизму с трущимися и колеблющимися частями, это склонность к поломкам, а также некоторые проблемы, которые приходится решать на этапе установки ветряной электростанции.

Для того, чтобы интересующийся тематикой ветроэнергетики читатель мог приступить к глубокому исследованию вопроса, я нахожу весьма полезным дать некоторую основу, или базовые знания о том, какими бывают автономные ветроэнергетические системы, что именно они включают и какими обладают положительными и отрицательными свойствами. Таким образом, после прочтения этой статьи, читатель сможет ясно понять, что именно ему нужно.

Автономная ветроэлектрическая система

Автономная ветроэлектрическая система в качестве базового элемента включает аккумулятор, а точнее аккумуляторный банк. В условиях России эта система является предпочтительной, так как интеграция частной электростанции в общую энергетическую систему у нас невозможна. Она может использоваться как единственный источник электроэнергии, либо снабжать изолированную от централизованного электроснабжения часть электроустановки, особенно чувствительную к перебоям питания.

Автономная система электроснабжения ограничена способностью генератора (будь то ветровая турбина, дизель-генератор или массив солнечных элементов) выдавать определенный ток. Кроме этого, определенные ограничения накладывает недостаток используемого ресурса, в нашем случае — ветра. Поэтому, владелец такой системы должен изначально готовить себя к тому, что электричество придется экономить.

Такая система состоит из следующих элементов (см. на рисунке):

Ветровой генератор (ветровая турбина). Это элемент, который, собственно и является источником электроэнергии. Он состоит из поворотной платформы, автоматически ориентирующейся в направлении ветра и генератора с возбуждением от постоянных магнитов. Ротор генератора вращается жестко скрепленными с ним лопастями, под действием ветра. Их обычно три, что обусловлено компромиссом между энергоэффективностью генератора и сбалансированностью ротора.

Малогабаритные ветровые турбины защищены от чрезмерно сильного ветра особым механизмом, который при перегрузке отклоняет ротор вверх или в сторону. Получаемое на выходе генератора «неустойчивое» напряжение, обычно трехфазное, переменное, подается по проводам вниз, к преобразователю. Оно называется неустойчивым потому, что зависит от силы ветра и стабильности ветрового потока, сильно изменяясь с течением времени.

Опора. Эта конструкция, необходимая для нормальной работы ветряка, как ни странно часто оказывается более дорогостоящей, чем сама ветровая турбина. Опора поднимает ветровой генератор вверх, в зону плотного ветрового потока, где генератор будет работать наиболее эффективно. Ее высота обычно варьируется от 9 до 150 метров.

Конструкция опоры бывает разной, она может быть подъемно-поворотной, с фиксацией растяжками или свободно установленной. В любом случае, ее конструкция должна выдерживать боковое давление ветра и вес турбины с многократным запасом, ввиду того, что климат меняется, и та сила ветра, которая два десятилетия назад была исключительно редким явлением, в наши дни встречается все чаще. Кроме этого, необходимо помнить, что опора ветрового генератора это фактически молниеотвод, что подразумевает ее заземление по нормам ПУЭ.

Тормоз. Для периодического обслуживания ветровой турбины, или тогда, когда в ней нет потребности нужно устройство, которое останавливало бы ее вращение. Они бывают двух типов: электрический тормоз и механический.

Электрический тормоз, с помощью специального рубильника, закорачивает трехфазные обмотки генератора, что вызывает его остановку. Он более дешевый, но при сильном ветре может вызывать перегрев обмоток генератора. Гораздо надежнее, но и дороже механический тормоз, дисковый или барабанный. Он устанавливается на ось ротора и приводится в действие ручкой, расположенной внизу опоры.

Блок управления зарядом. Основная функция этого устройства — не допустить перезаряда аккумуляторов. В тот момент, когда заряд аккумуляторов достигает максимума, блок управления отключает их от генератора, а энергию, вырабатываемую генератором направляет в балластную (обходную) нагрузку (см. ниже). Как правило, блок управления конструктивно объединяется с выпрямителем, который преобразует переменное напряжение, поступающее с генератора в постоянное, используемое для заряда батарей.

За рубежом, где возможно включение ветрового генератора в общую энергосистему, в безбатарейных системах блока управления нет, так как вся энергия, вырабатываемая турбиной, «вкачивается» в электросеть.

Балласт. В отличие от генераторов на солнечных элементах, которые могут быть безболезненно отключены от нагрузки, ветровой генератор не должен вращаться без нагрузки, так как в это случае значительно возрастает скорость вращения и он может развалиться на части. Для того, чтобы скомпенсировать отсутствующую нагрузку, в систему включается балласт — обычно секция из ТЭНов, которая преобразует энергию от генератора в тепло.

Мощность балласта должна быть как минимум равна мощности генератора. Ну и, разумеется, ничто не мешает вам использовать его тепло себе на пользу, например для нагрева воды.

Банк аккумуляторов это источник электроэнергии, который непосредственно используется для преобразования и дальнейшего потребления (энергия ветрового генератора используется косвенно, для заряда банка).

В безветренные дни, когда энергия ветра сравнительно невелика, электроприборы будут разряжать банк аккумуляторов, и время, на которое его хватит полностью зависит от его емкости. Эта емкость рассчитывается таким образом, чтобы ее хватило на 1-3 дня. Меньше будет неудобно, а больше — чрезмерно дорого.

Самым распространенным типом аккумулятора, который используется для автономных энергетических систем можно назвать свинцово-кислотные аккумуляторы. Необслуживаемые свинцово-кислотные аккумуляторы удобней в эксплуатации, но стоят дороже. Обычные, наподобие автомобильных, стоят дешевле, но требуют периодической проверки уровня и плотности электролита и долива воды. Нужно иметь в виду, что автомобильные аккумуляторы невыгодны для стационарного применения, так как предназначены для сложных условий эксплуатации (тряска, перегрев, перезаряд и недозаряд) и как следствие, служат сравнительно недолго. Лучше использовать специальные, уже собранные в банк аккумуляторы.

Системный монитор это модуль, который позволяет отслеживать такие параметры, как уровень заряда аккумуляторов, мощность, выдаваемую генератором и потребляемую приборами, общую энергию, выработанную ветровой турбиной и другие. Монитор выводит их на индикатор, либо цифровой в простых моделях, либо графический в более продвинутых и дорогих.

Конечно, можно обойтись и без него, но все же иметь такой модуль желательно, хотя бы для того, чтобы внезапно погасший при полностью разряженных аккумуляторах свет не стал неожиданностью.

Предохранитель постоянного напряжения служит для защиты и периодического отключения банка аккумуляторов от инвертора. В качесте такого предохранителя можно использовать обычные автоматы, используемые для переменного напряжения, но не однополюсные, а трехполюсные, с последовательно включенными полюсами. Это нужно потому, что дуга, возникающая при отключении постоянного тока не затухает сама, как при переменном токе, поэтому автомат подвергается более длительному тепловому воздействию.

Инвертор преобразует низкое постоянное напряжение (12 или 24 Вольт) в более высокое переменное — 220 Вольт, от которого и работают все электроприборы. Разумеется, его мощность должна соответствовать максимально потребляемой. При покупке инвертора важно уточнить, какое напряжение он дает на выходе. Напряжение типа «меандр» (прямоугольное) выдают более дешевые инверторы, такое напряжение годится для большинства современной электроники: зарядных устройств для ноутбуков, компьютеров, телевизоров, холодильников, стиральных машин, энергосберегающих ламп и т. д.

Но если вы используете более старые приборы, с обмоточными трансформаторами, например советские телевизоры, холодильники, приборы с электродвигателями сетевого напряжения, такие как электродрели, станки с асинхронными двигателями, и тому подобные, прямоугольное напряжение может стать причиной их нестабильной работы, или даже повреждения. Чтобы избежать этого, придется приобрести более дорогой инвертор, выдающий напряжение близкое к «оригинальному» в форме синусоиды.

Предохранитель переменного напряжения. Это обычный автомат, который служит для защиты линии переменного напряжения от перегрузки и короткого замыкания. Его можно установить, например, в одном щитке с электросчетчиком, если вы используете и энергию электросети и ветровой генератор, либо предусмотреть отдельный щиток, в случае если ветровой генератор это единственный источник.

При монтаже всех перечисленных узлов и агрегатов нужно придерживаться тех же норм электробезопасности, что и при обычной разводке электропроводки. Нужно помнить о том, что линии низкого напряжения требуют намного большего сечения соединительных проводов, из-за повышенного падения напряжения.

Кроме того, если вы хотите полностью отказаться от сетевого электричества и обрести независимость, я бы рекомендовал, помимо ветрогенератора, установить обычный бензиновый или дизельный, киловатт на 5. Жизнь долгая, и скромных возможностей «ветряка» может и не хватить. Впрочем, если вы можете позволить себе ветряк на 10 кВт, будет достаточно его одного.