Ще в часи Священної Римської Імперії античні інженери запропонували використовувати сили природи для потреб людства. Пройшли сотні років, але ідея отримання безкоштовної енергії природного походження не покидала уми вчених. Зараз людство здатне корисно використовувати силу вітру і тепло сонця, потужність океану і стрімкий перебіг річок, навіть прихована від очей енергія землі тепер « одомашнена » і наповнює радіатори опалення сучасних будинків і котеджів.

Залежність вироблюваної на нашій планеті енергії від вуглеводневої сировини й інших, не поновлюваних ресурсів, рано чи пізно призведе до кризи і суттєвого зростання цін на тепло і електрику. На щастя, сучасна наука пропонує цілий ряд простих і екологічних рішень, спрямованих на підвищення енергоефективності окремо взятого приватного або багатоквартирного будинку. Однією з важливих складових таких систем виробляє електричну енергію без споживання вуглеводнів або іншого палива є вітряні генератори. Для їх стійкої роботи необхідно лише переміщення повітряних мас. Вітряки підрозділяються по площині установки на вертикальні і горизонтальні, і по потужності на побутові (до 100 кВт) і промислові (більше 100 кВт).

Горизонтальні осьові вентилятори знаходять більш широке застосування, в порівнянні зі своїми вертикальними колегами. Це пов'язано в першу чергу з більшою максимально можливою потужністю пристроїв і високим коефіцієнтом корисної дії. До плюсів вертикальних вітряків можна віднести відсутність необхідності орієнтувати їх у напрямку вітру і малі гіроскопічні навантаження на обертові елементи конструкції.

Здавалося б, вітроелектричної установка (ВЕУ) може стати справжньою панацеєю від усіх проблем людства, адже використаний у ній природний ресурс вічний, як сама планета. Однак існує ряд проблем, які суттєво обмежують діапазон застосування вітряних генераторів, що випливають з конструктивних особливостей пристроїв і характеру роботи всієї установки в цілому.

Пристрій горизонтальної ВЕУ малої потужності

Будь вітроелектричної установка, в тому числі побутова, повинна бути укомплектована шістьма основними складовими: турбіною, генератором, монтажної щоглою з рухомою платформою, блоком акумуляторів, силовим інвертором, системою автоматичного управління і комплексом захистів.

Вітрова турбіна - це пристрій, який приводиться в обертання потоками повітряних мас. Його основним компонентом є лопаті, закріплені на валу ротора. Форма, розмір і кількість лопатей, поряд зі швидкістю вітру визначають потужність всієї ВЕУ в цілому. Щоб установка завжди працювала з максимально можливим ККД, її ротор повинен бути зорієнтований проти вітру. Для цих цілей підставу турбіни оснащено спеціальним поворотним механізмом. Безпосередньо виробляє електричну енергію генератор постійного струму (напругою кратним 12 В), який з'єднаний з турбіною за допомогою редуктора і встановлений на одній з нею платформі. Само рухливе підстава змонтовано на щоглі (залізобетонної чи металевої), утримуватися у вертикальному положенні сталевими розтяжками.

Залишилися компоненти вітроелектричної установки зазвичай розташовуються безпосередньо в будинку або окремому побутовому приміщенні. Вироблена генератором електрична енергія накопичується в блоці акумуляторів і перетвориться у зручний для споживання напруга 220 Вольт частотою 50 Герц посредствам силового інвертора. Система автоматичного управління, реалізована на програмованому логічному контролері, отримує дані про направлення і швидкості вітру, величиною споживаного струму і напрузі на клемах акумуляторної батареї і залежно від цих параметрів регулює роботу всього ВЕУ.

Умови безперебійної роботи вітрогенератора
Природа безперервно переміщають повітряні маси, тому сила вітру в конкретній географічній місцевості регулярно змінюється за величиною і напрямком, крім того існують періоди повного застою - штиль. Споживач також не може забезпечити рівномірне споживання електричної енергії протягом доби. Саме така подвійна непостійність обумовлює складність конструкції ВЕУ і необхідність використання блоку акумуляторів і силового інвертора. Вітрогенератор виробляє електроенергію в залежності від швидкості вітру, але невеликими партіями, батарея накопичує її, а мешканці будинку споживають тоді коли їм це потрібно. Звичайно, можна встановити генератор без додаткового обладнання, орієнтуючись тільки на пікове значення споживаної будівлею потужності. У цьому випадку велику частину часу установка працюватиме практично без навантаження, а при різкому падінні швидкості вітру (штиль), взагалі залишить без електроенергії весь будинок.

Окремо варто розповісти про пристрої захисту та автоматики вітроелектричної установки. Від їх надійної роботи залежить безперебійність постачання всього будинку. По-перше, кожна ВЕУ повинна бути оснащена комплексом блискавкозахисту, тому що являє собою досить високу конструкцію (порядку 50 м) виконану з струмопровідних матеріалів.

Іншим небезпечним для ВЕУ фактором, особливо в зимовий період експлуатації, є утворення сніжної кірки на лопатях турбіни. Такий ефект призводить до їх обваження і деформації підшипників вала ротора. Відповідно кожен вітряк, експлуатований в помірних і північних широтах, повинен бути укомплектований захистом від зледеніння. Зазвичай вона виконується у вигляді відкритого провідника малого перетину, закріпленого на поверхні лопаті, за яким пропускається постійний струм.
Незалежно від причини виникнення пожежі на платформі вітроелектричної установки (попадання блискавки, коротке замикання в генераторі, витік масла з підшипників турбіни або ін) ліквідувати його досить складно зважаючи на недоступність вогнища загоряння. Тому в цілях безпеки на ВЕУ будь-якої потужності встановлюються автоматизовані системи пожежогасіння.

Набігаючий на лопаті потік повітря великій швидкості може зашкодити як редуктор системи, так і сам електрогенератор. Крім того, при роботі з підвищеною частотою обертання турбіни коефіцієнт корисної дії ВЕУ значно падає. З метою забезпечення справного функціонування установки при будь-яких поривах вітру застосовують автоматичне гальмівну систему. При збільшенні швидкості вітру вище номінальної кут атаки лопатей змінюється таким чином, щоб загальмувати обертання ротора. У разі якщо цього виявляється недостатньо, в дію приводиться механічний дисковий гальмо, розташований на валу турбіни перед редуктором.

Вибір елементів ВЕУ
Весь викладений вище матеріал, необхідний не тільки з пізнавальної точки зору. Озброївшись знаннями про принципи роботи самої установки, споживачеві буде набагато легше вибрати всі її компоненти у відповідності зі своїми власними вимогами.

Для попередньої оцінки параметрів обладнання проектованої ВЕУ необхідно знати всього три величини. Перша - середньодобову швидкість вітру для району установки вітряка, причому оптимально буде отримати ці дані для кожного дня в році. Тут може допомогти або « всесвітня павутина » і сайти з метеорологічними даними, або (більш переважно) власний цифровий анемометр. Другою вихідною величиною стане значення щодобового споживання електричної енергії житловим будовою, для якого проектується ВЕУ. Отримати ці дані дуже просто, за допомогою обов'язкового встановленого в кожному будинку лічильника. Останнім необхідним параметром, є максимальна пікове навантаження споживача. Наближено розрахувати цю величину можна підсумувавши все номінальні потужності електроприладів, які можуть бути одночасно включені в електричну мережу.

Середньодобове споживання буде ключовим у всіх сенсах параметром. Від його значення в першу чергу залежить ємність блоку акумуляторних батарей, а це самий дорогий елемент всієї системи (особливо у побутових ВЕУ). Спираючись на необхідне щодня кількість електричної енергії та вітрове навантаження, можна без зусиль визначити номінальну потужність ВЕУ за емпіричними даними (або графічним залежностям), наведеним у технічному описі на пристрій. Пікове споживання всієї будови визначає лише число кіловат, які одномоментно може перетворити обираний силовий інвертор. Тобто чим вище разовий максимальний струм навантаження, тим більшої потужності необхідно придбати інвертор.
ідеал досяжний

Капітальні вкладення навіть у побутову вітрогенераторну установку дуже великі. Кількість фінансових коштів, необхідне для будівлі ВЕУ під ключ складається з цін на окремі пристрої та види робіт.
Щоб приклад був якомога більш наочним, скажімо, що середня вартість побутової вітрогенераторних установки потужністю 10 кВт, на сьогоднішній день складає приблизно 1,5 мільйона рублів. Експлуатаційний витрати на вітряк близькі до нуля, але навіть цей факт не перекриває основного недоліку використання таких систем - залежність величини вироблюваної електроенергії від швидкості вітру. Звичайно, можна до нескінченності збільшувати ємність акумуляторних блоків, що дозволить протриматися під час штилю два, а може й три дні. Однак це економічно недоцільно, а не високий відсоток розряду потужних батарей при стабільній вітрової навантаженні на турбіну істотно скоротить загальний термін служби дорогого устаткування.

Одним з можливих способів нівелювати зазначений недолік є застосування спільно з ВЕУ системи сонячних батарей. Таке рішення дозволить:
• придбати вітрогенератор меншої потужності, так як у денний час доби він функціонуватиме спільно з геліосистемою;
• забезпечити частину необхідного акумуляторним блокам заряду, навіть у безвітряні дні, що дозволить системі автономно працювати без збільшення ємності батарей;
• створити повністю автономну систему електропостачання будинку.

Є більш кардинальний спосіб перетворити недоліки ВЕУ в незаперечні достоїнства - використовувати вироблену ветрогенартором енергію для підігріву мережної води. Існує ряд проектних рішень, в яких все створене вітряком електрику витрачається на підігрів великих об'ємів рідини (можливе використання і ряду антифризів). Вона акумулюється в спеціальних теплоізольованих баках і згодом використовується для опалення житлового будинку. Такий спосіб обігріву приміщень у поєднанні з якісно виконаної теплоізоляцією будівлі дуже ефективний.

По-перше, знижується вартість всієї вітроелектричної установки, так як з її складу виключається дорога акумуляторна батарея і силовий інвертор, а ціна теплоізольованих баків під рідина відносно мала.

По-друге, сама система стає менш інерційної, тому що охолодження нагрітого антифризу відбувається дуже повільно. При цьому обсяги його можуть бути настільки великі, що навіть при повній відсутності вітру протягом пари днів, мешканці будинку не відчують перебоїв з опаленням.

Коли окупляться?
Рядовому споживачеві можна дуже довго розповідати про користь застосування ВЕУ для нашої планети, про економію вуглеводневої сировини, про відсутність забруднень атмосфери. Але як би не любив власник невеликого маєтку в Підмосков'ї природу, набагато цікавіше йому дізнатися, коли повернуться чималі фінансові вкладення.

Вироблені цілим рядом незалежних компаній розрахунки показали, що вітряк використовуваний для вироблення електричної енергії без допоміжних геліо систем буде окупатися практично весь термін своєї технічної життя. Вітчизняні виробники встановлюють період безаварійної роботи вітроелектричної установки в п'ятнадцять років, закордонні - в двадцять -двадцять п'ять. Враховуючи, що «наші» ВЕУ коштують на порядок дешевше, то принципової різниці для споживача між ними немає.

Винятки становлять вітряки, змонтовані в прибережних областях. Висока швидкість руху повітряних мас в цих районах знижує термін окупності ВЕУ майже в два рази. Для континентальних регіонів країни зменшити цей показник допоможуть лише комбіновані вітро- гелівая електростанції.