Вітряки, Вітрогенератори, Вітряні електростанції

Вітрогенератори – вид енергетичного обладнання, що набирає популярності. Призначення вітрогенератора – перетворювати кінетичну енергію повітряного потоку, званого вітром, в електричну енергію. Крім вітрогенераторів, ще досить поширені вітряки, які служать прямого приводу насосів, звані вітронасоси. Енергію, що виробляється вітрогенератором, можна розрахувати за такою формулою:

Р = 0,5 * rho * S * Ср * V3 * Ng * Nbде P - потужність, Вт; rho – густина повітря (приблизно 1,225 кг/куб.м); S – площа метання ротора; V – швидкість вітру, м/с; Ср - аеродинамічний коефіцієнт (теоретично 0,5); Ng - ККД генератора; Nb - ККД редуктора (якщо є).

Усі складові цієї формули для конкретного вітрогенератора, крім швидкості вітру, є константами (щільність повітря, звичайно, залежить від температури, але її зміни можна знехтувати, як малими). Тому можна сказати, що потужність, що виробляється вітрогенератором, пропорційна кубу швидкості вітру.

Це означає, що потужність вітрогенератора на слабких вітрах (навіть якщо він обертається) дуже мала. Але з посиленням вітру йде різке зростання потужності. А оскільки вітер на практиці дме з постійною швидкістю і напрямком тільки в аеродинамічній трубі, зрозуміло, що потужність, що виробляється вітрогенератором, величиною, що постійно змінюється за часом. Тому будь-яка енергетична система з використанням вітрогенератора як джерело енергії повинна мати стабілізуючу ланку.

У малих автономних системах роль такої ланки зазвичай має акумуляторна батарея. Якщо потужність вітрогенератора більша за потужність навантаження, батарея заряджається. Якщо потужність навантаження більша – батарея розряджається. З цього випливає наступна важлива особливістьвітрогенератора як джерела потужності: якщо більшість інших джерел вибираються за потужністю пікового навантаження, вітрогенератори слід вибирати, виходячи з величини споживання електроенергії на місяць (або на рік, як кому подобається).

Проілюструємо це з прикладу. На березі моря, де середня швидкість вітру наближається до 6 м/с, стоїть будиночок, куди приїжджає сім'я із трьох на вихідні. Електрообладнання включається також тільки на вихідні. У день споживання досягає 15 кВт*год., при цьому пікове навантаження – до 3 кВт. Отже, за місяць споживання енергії дорівнює 120 кВт*год. При середньорічній швидкості вітру 6 м/с вироблення 120 кВт*год на місяць може забезпечити невеликий 700-Вт вітрогенератор. Крім того, для акумулювання енергії протягом 5 днів знадобиться батарея великої ємності, і інвертор (який перетворює постійну напругу батареї на стандартну змінну) потужністю 3 кВт, щоб забезпечити пікові навантаження.

Інший приклад. У місцевості із середньою швидкістю вітру 5 м/с побудований телекомунікаційний об'єкт, який постійно споживає в середньому 2 кВт електроенергії, причому пікова навантаження не перевищує тих же 3 кВт. У цьому випадку множимо 2 кВт на кількість годин на місяць (720) та отримуємо 1440 кВт*год – величина споживання об'єкта на місяць. Щоб за такої швидкості вітру забезпечити вироблення 1420 кВт*год, потрібний вітрогенератор потужністю 10 кВт. При цьому працюватиме він через той самий інвертор потужністю 3 кВт.

Як бачимо, у кожному з вищеописаних випадків потужність вітрогенератора відрізняється в рази від пікової потужності навантаження. Потужність пікового навантаження визначає потужність перетворювача. Сам вітрогенератор визначає тільки величину виробітку у певний часовий проміжок при певній середньомісячнійшвидкість вітру. Крім середньої швидкості вітру, існують більш докладні вступні дані для оцінки вітрових ресурсів, які називають параметрами Вейбулла, які відображають розподіл тривалості вітру певної сили для даного місця, вони використовуються при проектуванні вітропарків потужністю в десятки МВт.

Для проектів малої енергетики витрачатися такі дослідження немає економічного сенсу, т.к. можна приблизно оцінити очікувану вироблення за величиною середньої швидкості вітру на місці установки вітрогенератора. З наведених прикладів також можна зробити висновок про характер навантаження, для живлення якого найбільше доцільно застосовувати вітрогенератор. Це нерівномірне навантаження, при якому пікове навантаження перевищує в 10 і більше разів середнє навантаження.

Найпоширеніший випадок використання відносно невеликого вітрогенератора – побутове навантаження. Наприклад, для сім'ї у міській квартирі середнє навантаження – 0,5 кВт (360 кВт*год. на місяць за лічильником). Пікове навантаження – 5 кВт, коли включена електроплита, пральна машина, мікрохвильова піч та інші, менш потужні прилади. 5-кВтний вітрогенератор може забезпечити ці потреби навіть у не дуже вітряному місці. Рівномірне навантаження, наприклад опалення, коли цілодобово працює навіть один опалювальний прилад потужністю 1 кВт, на місяць вимагає 720 кВт*год, які вітрогенератор потужністю 5 кВт може забезпечити тільки в місцевості з хорошими вітровими ресурсами (наприклад, на березі моря, в степу і і т.д.).