Ветрогенераторы – набирающий популярность вид энергетического оборудования. Назначение ветрогенератора – преобразовывать кинетическую энергию воздушного потока, называемого ветром, в энергию электрическую. Кроме ветрогенераторов, еще довольно распространены ветряки, служащие для прямого привода насосов, так называемые ветронасосы. Энергию, вырабатываемую ветрогенератором, можно рассчитать по следующей формуле:

Р = 0,5*rho*S*Ср*V3*Ng*Nb

где P – мощность, Вт; rho – плотность воздуха (примерно 1,225 кг/куб.м); S – площадь метания ротора; V — скорость ветра, м/с; Ср – аэродинамический коэффициент (теоретически 0,5); Ng – КПД генератора; Nb – КПД редуктора (если есть).

Все составляющие этой формулы для конкретного ветрогенератора, кроме скорости ветра, являются константами (плотность воздуха, конечно, зависит от температуры, но ее изменениями можно пренебречь, как малыми). Поэтому можно сказать, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра.

Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но с усилением ветра идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.

В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).

Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-Втный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.

Другой пример. В местности со средней скоростью ветра 5 м/с построен телекоммуникационный объект, который постоянно потребляет в среднем 2 кВт электроэнергии, при этом пиковая нагрузка не превышает тех же 3 кВт. В данном случае умножаем 2 кВт на количество часов в месяц (720) и получаем 1440 кВт*ч – величина потребления объекта в месяц. Чтобы при такой скорости ветра обеспечить выработку 1420 кВт*ч, нужен ветрогенератор мощностью 10 кВт. При этом работать он будет через тот же инвертор мощностью 3 кВт.

Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.

Для проектов малой энергетики тратиться на такие исследования не имеет экономического смысла, т.к. можно приблизительно оценить ожидаемую выработку по величине средней скорости ветра в месте установки ветрогенератора. Из приведенных примеров также можно сделать вывод о характере нагрузки, для питания которой наиболее целесообразно применять ветрогенератор. Это неравномерная нагрузка, при которой пиковая нагрузка превышает в 10 и более раз нагрузку среднюю.

Наиболее распространенный случай для использования относительно небольшого ветрогенератора – бытовая нагрузка. Например, для семьи в городской квартире средняя нагрузка – 0,5 кВт (360 кВт*ч в месяц по счетчику). Пиковая нагрузка – 5 кВт, когда включена электроплита, стиральная машина, микроволновка и другие, менее мощные приборы. 5-кВтный ветрогенератор может обеспечить эти нужды даже в не очень ветреном месте. Равномерная же нагрузка, например отопление, когда круглосуточно работает даже один отопительный прибор мощностью 1 кВт, в месяц требует 720 кВт*ч, которые ветрогенератор мощностью 5 кВт может обеспечить только в местности с хорошими ветровыми ресурсами (например, на берегу моря, в степи и т.д.).

По материалам НПО «Электросфера»