Энергия ветра

Ветер – фактически форма солнечной энергии, так как ветер вызван действием солнца. Солнечное излучение нагревает поверхность Земли не равномерно. Песок, вода, камень, почва поглощают тепловую энергию солнца, сохраняют и отражают ее по-разному, в разные промежутки времени.

Земля становится более теплой днем и более холодной ночью. В результате, воздух над поверхностью Земли нагревается и охлаждается также с различной скоростью. Горячий воздух поднимается в верхние слои, снижая таким образом атмосферное давление у поверхности Земли, а более холодный воздух стремится в эти разряженные области. Это движение воздуха мы и называем ветром.

Когда воздух перемещается, вызывая ветер, образуется кинетическая энергия. Кинетическая энергия ветра, как и любая другая, может быть преобразована в другие формы энергии – в частности, в электрическую или механическую. Например, самые ранние ветряные мельницы в Персии, Китае и Европе использовали силу ветра, чтобы качать воду или молоть зерно.

В своей книге «Машины: применение природных сил и науки», Маркс описывал широко распространенные когда-то в Германии, так называемые “мельницы на козлах” – единственные известные до середины XVI в. Сильные бури могли опрокинуть такую мельницу вместе со станиной. В середине XVI столетия один фламандец нашел способ, посредством которого это опрокидывание мельницы делалось невозможным – в мельнице он оставил подвижной только крышу, а для того, чтобы поворачивать крылья по ветру, было достаточно повернуть только ее, в то время как само здание мельницы было прочно укреплено на земле.

В XVI веке в городах Европы начинают строить водонасосные станции с использованием гидродвигателя и ветряной мельницы. Толедо – 1526 г., Глочестер – 1542 г., Лондон – 1582 г., Париж – 1608 г., и др. Нидерландах многочисленные ветряные мельницы откачивали воду с земель, ограждённых дамбами. В засушливых областях Европы ветряные мельницы применялись для орошения полей.

В нашей стране 50-е годы явились новым этапом развития области использования энергии ветра. В августе 1954 г. Совет Министров СССР принял развернутое постановление о дальнейшем развитии ветроэнергетики и расширении масштабов использования ресурсов ветра, которым были определены задания по организации исследований, разработке новых конструкций ветроагрегатов, их производству и внедрению в народное хозяйство, а также улучшению их эксплуатации.

Сегодняшние ветряные электрогенераторы используют силу ветра для получения экологически чистой, возобновляемой электроэнергии. Ветроэнергетику нужно считать важным компонентом любой долгосрочной энергетической стратегии, так как она использует естественный и фактически неистощимый ресурс, не полагаясь на ископаемое топливо, а также не загрязняя воздуха, почвы и воды какими-либо отходами или выбросами.

Области применения ветряных генераторов

Диапазон применения ветрогенераторов довольно широк. Конечно, можно использовать ветряной генератор в чисто декоративных целях. Сделали пропеллер, поставили куда нравится, да ещё и трещотку к нему приделали – интересно, занятно. Выше говорилось, что с помощью ветряков мололи зерно. Вряд ли сейчас такая необходимость имеется, но вот воду качать данный агрегат вполне способен. Небольшой ветряк при слабом ветре может поднять из колодца или скважины 30-50 литров воды за час.

Последние 100 с лишним лет ветряки используются для получения электроэнергии. Это самый оптимальный вариант применения ветряных генераторов.

Виды ветрогенераторов

Теперь, прежде чем выбрать ветряной генератор, посмотрим какие же они бывают.

Карусельные – с вертикальной осью вращения.
Крыльчатые – с горизонтальной осью вращения.
Карусельные ветряные генераторы, конечно, имеют свои преимущества. Они быстро набирают силу тяги при увеличении силы ветра, а затем скорость вращения остаётся почти неизменной. Установка сама следит «откуда ветер дует», следовательно, ей не нужны никакие дополнительные устройства. Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять простые электросхемы для съёма энергии, в частности асинхронные генераторы.

В то же время тихоходность и ограничивает применение карусельных ветрогенераторов, так как вынуждает применять повышающие редукторы – мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно; многополюсные тихоходные генераторы мало распространены, во всяком случае, в широкой продаже их нет.

Крыльчатые ветрогенераторы имеют большую скорость вращения. Благодаря этому обстоятельству они могут непосредственно соединяться с генератором, без мультипликаторов

Лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться вертикально – перпендикулярно потоку воздуха. Для достижения этого применяется специальное устройство – стабилизатор. У крыльчатых ветрогенераторов намного выше коэффициент использования энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству крыльев. Вследствие этого установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов.

Выбираем ветряной генератор: расчет ветрогенератора

Для выбора агрегата необходимо точно определить преимущественное направление и среднюю скорость ветров в том месте, где предполагается установить ветрогенератор. Следует помнить, что начальная скорость вращения лопастей ветрогенераторов равна 2 м/с, а скорость, при которой генератор работает с максимальной эффективностью, – 9-12 м/с. Ещё одно замечание. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.

В специальной литературе имеется множество формул расчёта мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.
Р = D2V3/7000, кВт, где
P – мощность,
D – диаметр винта в метрах,
V – скорость ветра в мсек.
и
P = 0,6хSxV^3
P – это мощность, в Вт
S – площадь (М2) на которую перпендикулярно дует ветер.
V – скорость ветра, в метрах в секунду (в формуле – в кубе).

Получается, при известной средней скорости ветра, выбор заключается в диаметре винта установки. Ну и ещё, сравним расчёты с потребной мощностью. Если она нас устраивает, слава Богу, если нет, то либо надо искать другой источник энергии, либо строить несколько ветряков.