Выбираем и монтируем ветрогенератор для частного дома

Практические советы

• Как можно тщательней проанализируйте ветровую обстановку в районе расположения своего существующего или будущего дома. Среднегодовые данные должны быть не менее 3м/сек.
• Изучите предлагаемые конструкции ветрогенераторов. Учтите возможности выработки электроэнергии при слабых ветрах, а также площадь части участка, которую придётся вывести под монтаж ветроустановки.
• Проведите экономический анализ затрат на весь комплект оборудования, входящий в ветровую электростанцию, и его монтаж, с одной стороны. С другой, — стоимость прокладки стационарной электросети до участка. При этом учтите, — стоимость ветровой энергии будет обходиться бесплатно!
• Наиболее практичная конструкция, на наш взгляд, — это ветро-осевой генератор с дополнением солнечными панелями и дизельным мотор-генератором.

Особенности установки

Промышленно изготовленный или самодельный ветряк необходимо устанавливать с соблюдением следующего минимума требований:

1. Место установки лучше подбирать на возвышенности, вдали от препятствий, прибор располагать на высоте не менее 10 метров от поверхности земли.
2. Мачта должна иметь надежное основание – лучше всего бетонное.
3. Над ветряком необходимо расположить небольшой навес для защиты от осадков.
4. При необходимости замены, ремонта или обслуживания облегчить доступ к оборудованию позволит складная конструкция мачты.

Видео-пример изготовления и применения ветряка для дома:

Что такое ветроэнергетические установки?

Ветроэнергетические установки представляют собой комплексы оборудования, предназначенного для выработки, подготовки и снабжения потребителей электрическим током. Поскольку ветер является бесплатным источником энергии, все расходы на выработку тока сводятся к первоначальным вложениям на приобретение (или создание) ветрогенератора и смежного оборудования и последующее обслуживание.

Если сравнивать затраты на проведение линии электропередач или кабеля до отдаленных пунктов, то экономический эффект от использования ВЭУ в большинстве случаев оказывается довольно высоким. При этом, следует учитывать большую разницу в стоимости крупных ВЭУ и небольших установок, действующих в пределах одной усадьбы.

Частой ошибкой, допускаемой при расчетах экономической выгоды от использования ВЭУ, является рассматривание лишь одного варианта реализации методики — создания локальных энергетических комплексов (ЛЭК). Они рассматриваются только как энергоустановки местного значения, обеспечивающие энергией весь населенный пункт. Отсюда возникают высокие расходы на приобретение, потребность в дорогостоящем обслуживании и материалоемкость устройства.

Частные источники, способные обеспечить энергией отдельный дом, практически не рассматриваются, из виду упускается наиболее эффективный и необходимый сектор ветрогенераторов.

Достоинства и недостатки ВЭУ

Преимуществами ВЭУ являются:

• возможность обеспечения электроэнергией любые пункты, вне зависимости от степени удаления от магистральных линий;
• нет необходимости создавать большую энергетическую станцию, можно использовать отдельные компактные установки;
• готовая ВЭУ не нуждается в топливе или иных ресурсных поставках.

При этом, существуют некоторые недостатки:

• Выработка электроэнергии производится посредством ветровых потоков и полностью зависит от их силы и равномерности. В тихую безветренную погоду производство электротока невозможно.
• Полученный ток не годится для использования без подготовки, которая требует наличия определенных устройств.
• Ураганные ветра или шквалистые порывы могут разрушить или вывести установку из строя.

Единственным действительно серьезным препятствием, ограничивающим использование ветрогенераторов, является высокая стоимость промышленных установок. Создание самодельных устройств требует определенных навыков и некоторой подготовки, что также замедляет распространение ветроэнергетических устройств среди населения.

Особенности выбора

Основным критерием, которым руководствуются покупатели, являются размеры ветряной установки. Чем больше ее размер, тем выше вырабатываемая мощность. Поэтому, выбирая ветряные электростанции для дома, нужно заранее рассчитать месячное энергопотребление. Полученный результат умножается на 12 месяцев.

Далее расчеты для частного дома ведутся при помощи формулы: AEO = 1.64 х D х D х V х V х V, в которой АЕО является электроэнергией, потребляемой за год, D – диаметр ротора в метрах, V – среднегодовая скорость ветра в м/с. Подставив нужные значения, можно легко рассчитать размеры требуемой установки.

Приобретая электростанцию, следует заранее продумать о месте ее расположения. В этом случае учитываются следующие факторы:

• Территория возле генератора должна быть свободной от построек, сооружений, деревьев и других факторов, снижающих продуктивность установки. Имеющиеся помехи располагаются на расстоянии не ближе 200 метров от места установки.
• Высота конструкции для монтажа генератора должна быть как минимум на 2-3 метра выше помех, имеющихся на прилегающей территории.
• Расстояние от жилых домов – не менее 30-40 м, поскольку при вращении лопастей создается некоторый шум, вызывающий у окружающих определенный дискомфорт.
• Следует учитывать среднегодовые изменения погодных условий, когда в одном и том же месте в течение года будет вырабатываться разное количество электроэнергии.

Что это такое?

В связи с тем, что потребность в энергетических ресурсах возрастает ежедневно, а запасы привычных носителей энергии сокращаются, использование альтернативных источников энергии становится с каждым днем всё более актуальным. В последнее время ученые и инженеры-конструкторы создают новые модели ветряных установок. Использование новейших технологий позволяет улучшить качественные характеристики агрегатов и уменьшить количество отрицательных моментов в конструкциях.

Ветрогенератор – это вид технического устройства, при помощи которого кинетическая ветряная энергия преобразуется в электрическую.

Что нужно знать до начала сборки ветрогенератора?

Перед началом сборки ветрогенератора вам нужно определиться с рядом основных моментов.

Первый шаг. Выберите подходящий тип конструкции ветродвигателя. Установка может быть вертикальной и горизонтальной. В случае самостоятельной сборки лучше отдавать выбор в пользу именно вертикальных моделей, т.к. они более просты в изготовлении и балансировке.

Второй шаг. Определите подходящую мощность. В этом моменте все индивидуально – ориентируйтесь на собственные потребности. Для получения большей мощности нужно увеличивать диаметр и массу рабочего колеса.

Третий шаг. Подумайте, сможете ли вы самостоятельно изготовить все элементы ветрогенератора. Каждая деталь должна быть точно просчитана и сделана в полном соответствии с заводскими аналогами. При отсутствии необходимых навыков лучше купите готовые элементы.

Четвертый шаг. Выберите подходящие аккумуляторные батареи. От автомобильных аккумуляторов лучше отказаться, т.к. они недолговечны, взрывоопасны и требовательны в уходе и обслуживании.

При работе генератора с 2-мя или 3-мя лопастями имеют место мощные центробежные и гироскопические силы. Под воздействием упомянутых сил существенно возрастает нагрузка на основные элементы ветрогенератора. При этом в некоторых моментах силы действуют в противовес друг другу.

Чтобы нивелировать поступающие нагрузки и сохранить конструкцию ветрогенератора в целостности, нужно выполнить грамотный аэродинамический расчет лопастей и изготовить их в точном соответствии с расчетными данными. Даже минимальные погрешности в несколько раз уменьшают КПД установки и повышают вероятность скорой поломки ветрогенератора.

При работе быстроходных ветродвигателей создается много шума, в особенности, если идет речь о самодельных установках.Чем больший размер будут иметь лопасти, тем сильнее будет шум. Этот момент накладывает ряд ограничений. К примеру, установить настолько шумную конструкцию на крыше дома уже не получится, если, конечно, владельцу не нравится ощущение жизни в условиях аэродрома.

Отдайте выбор в пользу ветрогенератора на 5-6 лопастей. Практика показывает, что такие модели являются наиболее оптимальными для самостоятельного изготовления и использования в домашних условиях.

Винт рекомендуется делать диаметром порядка 2 м. С работой по его сборке и балансировке справится практически любой желающий. Набравшись опыта, можете попробовать собрать и установить колесо с 12-ю лопастями. Сборка такого агрегата потребует больше усилий. Расход материалов и временные затраты тоже увеличатся. Однако 12 лопастей позволят даже при несильном ветре в 6-8 м/с получать мощность на уровне 450-500 Вт.

Учитывайте, что при 12 лопастях колесо будет довольно тихоходным, а это может привести к различным проблемам. К примеру, вам придется собрать специальный редуктор, более сложный и дорогой в изготовлении.

Нюансы применения ветрогенераторов

В настоящее время ветряные турбины используются в различных сферах народного хозяйства. Промышленные модели разной мощности применяются нефтегазовыми, телекоммуникационными компаниями, буровыми и геолого-разведочными станциями, производственными объектами и государственными учреждениями.

Ветряк может использоваться в качестве дополнительного источника энергии в больницах и других учреждениях, чтобы обеспечить непрерывную подачу электроэнергии в аварийных ситуациях

Особо следует отметить важность применения ветряных установок для оперативного восстановления нарушенного электричества при катаклизмах и стихийных бедствиях. С этой целью ветрогенераторы часто применяются подразделениями МЧС

Бытовые ветротурбины прекрасно подходят для организации освещения и отопления коттеджных поселков и частных домов, а также для хозяйственных целей на фермах.

При этом следует учесть некоторые моменты:

• Устройства до 1 кВт могут дать достаточное количество электроэнергии лишь в ветряных местах. Обычно выработанной ими энергии хватает лишь на светодиодное освещение и питание мелких электронных приборов.
• Чтобы полностью обеспечить электричеством дачу (загородный домик) понадобится ветряной генератор мощностью свыше 1 кВт. Такого показателя достаточно для питания осветительных приборов, а также компьютера и телевизора, однако его мощности недостаточно, чтобы снабдить электричеством круглосуточно работающий современный холодильник.
• Для обеспечения энергией коттеджа понадобится ветряк мощностью 3-5 кВт, однако даже такого показателя не хватит для отопления домов. Чтобы воспользоваться подобной функцией необходим мощный вариант, начиная от 10 кВт.

При выборе модели следует учесть, что показатель мощности, указанный на устройстве, достигается лишь при максимальной скорости ветра. Так, установка в 300В будет вырабатывать указанное количество энергии лишь при скорости потоков воздуха в 10-12 м/с.

Желающим соорудить ветрогенератор собственными руками мы предлагаем следующую статью, в которой детально изложена полезная информация.

Лопастной винт

Разработано несколько видов конструкций этого элемента. Чертежи и размеры для изготовления ветрового колеса ветрогенератора легко найти в свободном доступе.

Для изготовления лопастей используют несколько видов материалов:

• листовое оцинкованное железо;
• нержавеющую сталь;
• дюралевые сплавы;
• тонкостенные трубы;
• твердый стеклопластик, имеющий запас прочности на изгиб;
• полипропилен;.

Алгоритм изготовления лопастей из трубы со стенкой 2-3 мм:

• необходимый диаметр трубы задается расчетной длиной элемента 20% расчетной длины;
• труба раскраивается на 4 равных продольных полосы;
• концы скругляются по заготовленному шаблону, лопасти нужны идентичные;
• они привариваются или клепаются к крепежному колесу, который одевается на ось генератора.

Конструкция и принцип работы ветротурбин

Ветровые генераторы представляют собой спецустройства, которые трансформируют кинетическую энергию ветра в электрическую.

Это независимые источники электроэнергии, которые отлично подходят для установки в частных жилых домах, на небольших и средних фермерских хозяйствах, производственных базах.

Конструкция стандартной мини-электростанции для бытового использования включает такие функциональные элементы:

1. Лопасти аэродинамической формы для улавливания ветра.
2. Генератор для продуцирования переменного тока.
3. Контроллер для автоматического управления ветряной станцией. Позволяет регулировать подзарядку аккумуляторов, распределяет потоки энергии между устройствами.
4. Накопитель. Специальные аккумуляторные батареи для накопления сгенерированного электричества.
5. Инвертор для приведения параметров вырабатываемой энергии к сетевым стандартам.
6. Мачта, приподнимающая лопасти на определённую высоту над уровнем земли.

Мачты бывают разными: свободностоящие без растяжек, жёстко зафиксированные и поворотные на растяжках. Последние могут опускаться и подниматься для обслуживания, а также проведения ремонтно-восстановительных работ.

Под воздействием ветра лопасти, насаженные на генераторный вал, начинают вращаться, способствуя запуску ротора. В результате происходит преобразование кинетической энергии воздушных потоков в механическую, а потом и в электрическую энергию. Так выглядит сильно упрощённая схема работы ветряка

В действительности энергия от ветряной электростанции напрямую к потребителю не поступает. В системе обязательно должны быть подключены специальные приборы для преобразования электротока.

В цепи после генератора размещается контроллер. Он конвертирует переменный ток в постоянный. В таком виде электричество аккумулируется и сохраняется в батареях, а потом от них через инвертор, который трансформирует постоянный ток в переменный, энергия подаётся в частную электросеть.

Такая схема даёт возможность сгладить нестабильность напряжения, а также накапливать энергию в периоды полного отсутствия потребления. А это, в свою очередь, позволяет задействовать ветряные генераторы меньшей мощности, чем суммарная мощность бытовых электроприборов.

В ходе конвертации электротока по схеме переменный-постоянный-переменный происходят определённые потери энергии, которые составляют примерно 20%

Вместе с автономной ветряной станцией можно устанавливать и солнечные модули, и топливные генераторы.

Если задействовано сразу несколько устройств для получения электричества, схему дополняют ещё одним элементом – автоматическим выключателем (ABP). Он необходим, чтобы при отключении одного источника альтернативной энергии запускался другой – резервный.

В составе современных ветряных станций используются различные конструкции роторов – вращающихся частей. Они имеют свои преимущества и недостатки, разную эффективность и функциональные возможности.

В настоящее время существует много разработок автономных систем, способных взаимодействовать с ветрами разной скорости и силы.

Систематизация нестандартных проектов

Очень условно можно допустить такую систематизацию ветряков, которые обходят типовые представления о генераторах на альтернативных источниках энергии:

• Горизонтальные турбины;
• Вертикальные турбины;
• Безлопастные ветрогенераторы;
• Воздушные ветрогенераторы (летающие);

Такая приближённость вызвана чрезвычайно широким разбросом идей у изобретателей ветряков. Некоторые системы кажутся настолько футуристическими, что поверить в их реализацию на практике невозможно. Но реальность 21-го века показывает что если рациональный и разумный мир может сойти с ума от коронавирусной паники, так и безумные проекты могут успешно реализовываться в работающие прототипы. И некоторые из них даже готовы к коммерческому выпуску.

Что говорит закон?

Никаких законодательных нормативов, запрещающих использование ветрогенераторов, не существует. Во всяком случае, мощностью до 75 кВт. Такие устройства приравниваются к бытовым электроустановкам, на которые не требуется никаких разрешений. Установки, имеющие мощность более 75 кВт, считаются промышленными и должны пройти сертификацию, что существенно усложняет их использование.

Возможны проблемы иного характера. Например, в регионе может быть установлено ограничение по допустимой высоте мачты для ветряка. Есть подобные нормы для установки мачт вблизи аэродромов, линий электропередач, излучающих антенн радиостанций и т.д. Нарушение региональных правил может стать причиной судебного решения, запрещающего использование ветряка полностью или предписывающего привести состояние сооружения в установленную норму.

Налогообложение

Не менее частым вопросом является налогообложение ветрогенераторов. Здесь необходимо четко различать, с какой целью производится выработка электроэнергии. Если имеются продажи, то налог платить придется, но если установка используется для собственных нужд, то никакого налогообложения не предусмотрено, поскольку платы за ветер пока еще не ввели.

В таких случаях правильным решением станет игнорирование подобных претензий. Пусть подают в суд, где доказывают свою правоту, если это возможно

Для пользователя ветряка важно понимание, что он никаких нормативов не нарушает, пользование ресурсами в данном случае не требует лицензирования, так как ресурс неисчерпаемый. Если нет нареканий со стороны соседей, то все в порядке, использование ветрогенератора вполне законно

Как сделать своими руками

Ветряк подобной конструкции не составит труда изготовить человеку умеющему работать с ручным инструментом и немного разбирающимся в электротехнике.

Для изготовления понадобится:

• Листовой металл (любой, толщиной 0,8– 0,9 мм) – для изготовления лопастей;
• Сталь полосовая 40х40 мм (либо другого сечения);
• Труба стальная, диаметром 25 мм;
• Автомобильная полуось (марка авто не принципиальна) с подшипниками в комплекте;
• Стальной уголок (профиль);
• Шкивы разных диаметров – 2 шт.
• Автомобильный генератор.

Из листового металла изготавливаются 4 лопасти габаритными размерами 1000х800 мм, которые скрепляются между собой полосовой сталью в форме барабана (лопасти направлены от центра круга по радиусам к наружному диаметру). Из стальной трубы делается мачта, которая с одной стороны закрепляется на автомобильной полуоси, а со второй стороны на нее крепятся собранные в виде барабана лопасти. Полуось, с соответствующими ей подшипниками, крепится на металлической опорной конструкции, которая изготавливается произвольной формы и из имеющихся материалов.

Два основных условия при изготовлении металлической конструкции, это:

• Устойчивость при ветровых нагрузках;
• Плотная посадка подшипников полуоси.

Для увеличения числа оборотов можно применить ременную передачу, установив на нижнюю полуось шкив большего диаметра, а на генератор меньшего. Генератор можно подобрать автомобильный.

Экономическое обоснование строительства ВЭС

В экономическом плане постройка домашней ветровой электростанции будет иметь смысл только при отсутствии других источников получения электричества. Это связано с финансовыми расходами, так как стоимость самой установки довольно большая, кроме того, ремонт и обслуживание требует постоянных расходов, а эксплуатационный срок конструкции составляет всего 20 лет в европейских условиях, а в нашей стране эксплуатация будет на треть ниже. По этой причине, применение ветряных электрических станций, с точки зрения экономики, не выгодно.

Однако, при отсутствии других вариантов получения электроэнергии или при наличии тех условий, при которых ветряные электростанции будут производительно вырабатывать электричество, то применение ветряных установок будет неплохим способом получения электричества.

Генератор

Если от вращения мотора она загорится, все в порядке. Мотор переделывают в генератор. Для этого:

• перематывают обмотку статора;
• добавляют на ротор неодимовые магниты, их крепят в высверленные отверстия в полюсах или по диаметру станины,
• эпоксидной смолой или другим двухкомпонентным клеящим составом заливают пустоты между магнитами;
• оборачивают ротор плотной бумагой.

Трехфазная обмотка предпочтительнее, она снижает амплитуду изменения тока, повышает КПД генератора.

Фазы попеременно заменяют друг друга. Снижается уровень вибрации, уменьшается шумовой эффект. Повышается срок службы, дольше не вырабатывается крепежный вал.

Выгодно ли это?

Чтобы ответить на такой вопрос, нужно рассчитать годовое производство электроэнергии. Домашние ветровые электростанции в течение года способны производить 10-20 % номинальной мощности турбины, умноженной на количество часов в год.

Расчет по этой формуле для ветряка мощностью 5 кВт выглядит так:

• Минимальное предположение – 5 кВт × 24 часа × 365 дней × 10 % = 4380 кВт.
• Максимальное предположение – 5 кВт × 24 часа × 365 дней × 20 % = 8760 кВт.

Таким образом, ветроустановки мощностью 5 кВт могут производить в течение года 4380-8760 кВт электроэнергии. Предположим средняя цена одного кВт – 4 рубля. Тогда в течение года получится сэкономить примерно:

• 4380 × 4 = 17520 рублей;
• 8760 × 4 = 35040 рублей.

Рассчитав годовую экономию, можно предположить, через сколько лет окупятся инвестиции. Приведенные расчеты лишь теоретические. На практике оказывается, что рентабельность инвестиций бывает весьма сомнительной.

Эффективность ветрогенератора зависит от:

1. региона, в котором расположится устройство;
2. цен на электроэнергию;
3. мощности турбины;
4. расположения домашней электростанции.

Инвестиции нужно тщательно спланировать, затраты – грамотно рассчитать.

Заключение

Энтузиасты подчеркивают, что домашние ветровые электростанции выгодны, срок их службы составляет до нескольких десятков лет. Однако нужно учитывать определенный риск (включая появление длинных безветренных периодов). Установку не нужно рассматривать, как единственный источник электроэнергии, скорее – как систему поддержки. Оптимальное решение – инвестировать в турбины с меньшей мощностью (например, 3 кВт). Они повлекут более низкие инвестиционные затраты, уменьшат зависимость от местного поставщика электроэнергии.

Ориентировочная цена на строительство мини-ветровой электростанции мощностью 3 кВт почти в 2 раза меньше, чем в случае турбин мощностью 5 кВт.

Из каких элементов состоит домашняя ветровая электростанция?

Бытовые ветряные турбины – относительно простые конструкции. Электричество получают в генераторе, приводимом в действие лопастями ротора. В бытовых условиях обычно используются ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения ротора.

Наиболее важные элементы ветряка:

• Лопастное колесо (крыльчатка) – включает 1-2-3 лепестка (чаще 3). Рабочее колесо расположено непосредственно на низкоскоростном валу. Его вращение передается на высокоскоростной вал через коробку передач. Высокоскоростной вал соединяется с валом генератора. Генератор, трансформатор, шестерни, контроллеры расположены в гондоле. В наших климатических условиях лучше работают роторы, приспособленные для медленного вращения.
• Ветровая турбина – самый важный элемент, определяющий эффективность, мощность системы. Именно ветряная турбина отвечает за выработку электричества от движения воздушных масс.
• Генератор – переводит кинетическую энергию вращательного движения ротора в электрическую. Генератор должен соответствовать спецификации турбины, поскольку оптимальное взаимодействие обоих элементов обеспечивает большую эффективность ветряка. Генератор должен генерировать номинальное напряжение при оптимальной скорости ветряной турбины.

Небольшие ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения ротора не создают шума, вредных электромагнитных волн. Их можно безопасно разместить прямо на доме, крыше.