Ветряк для отопления и его принцип действия

Обновлено: 8 января 2021

Обогрев дома — сложная и очень ответственная задача. Расходы на отопление составляют большую часть от всех выплат, и возможность в какой-либо степени снизить их является весьма ценной для владельца дома. Тем более привлекательна возможность организовать отопление в автономном режиме, опираясь только на собственные ресурсы. Такие возможности существуют, хотя для их воплощения необходимо приложить определенные усилия. Рассмотрим вопрос подробнее.

Отопление ветром

Один из способов обогрева дома — радиаторные батареи, распределенные по всему дому и питаемые от источника из сети ЦО или от собственного котла. Нагрев теплоносителя производится в газовых или твердотопливных котлах, иногда используются и электрические нагреватели, но такой способ считается временным или дополнительным, используемым в крайнем случае. Причина такого отношения — дороговизна электроэнергии, которой уходит на подогрев теплоносителя очень много.

При этом, если создать систему, позволяющую вырабатывать собственное электричество, то ситуация в корне меняется. Газ, уголь или иное топливо надо покупать, его невозможно сделать самостоятельно. Электроэнергия — особый вид, ее можно производить самому.

Наиболее распространенными способами являются бензиновые или дизельные генераторы, а в последнее время популярность набирают ветрогенераторы. Они производят энергию, которая используется для нагрева теплоносителя, обеспечивающего обогрев дома. Таким образом, температура в помещениях поддерживается при помощи ветра, что звучит несколько фантастически, но вполне реально.

Принцип действия ветрогенератора

Ветрогенератор — устройство, использующее ветровые потоки для вращения вала, который соединен с генератором электрического тока. Существуют два основных вида ветряков:

Горизонтальные конструкции имеют более высокую эффективность, меньшее сопротивление вращению и большую стабильность в работе. При этом, они требовательны к углу атаки ветра на лопасти, что вынуждает создавать устройство наведения на поток (типа флюгера). Кроме того, горизонтальные ветряки нуждаются в подъеме конструкции над землей, причем, чем выше, тем лучше.

Вертикальные роторы (так называется вращающаяся часть ветрогенератора) не зависят от направления ветра, одинаково реагируя на поток с любой стороны. Они очень нетребовательны в обслуживании, точнее, практически не нуждаются в нем. При этом, вертикальные роторы нуждаются в довольно сильном ветре, многие из них «залипают» на слабых потоках и не хотят начинать вращение.

Вращение ротора передается на генератор напрямую или через мультипликатор (редуктор), увеличивающий число оборотов вала. Генератор при вращении вырабатывает электроток, от которого через выпрямитель заряжаются аккумуляторы. С аккумуляторов напряжение подается на инвертор, перерабатывающий постоянный ток в переменный трех- или однофазный с привычными параметрами (220 В или 380 В, 50 Гц). Такая сложная схема используется потому, что вращение ветряка — процесс нестабильный, зависимый от скорости и силы ветра.

Подавать напряжение с генератора напрямую потребителям нельзя, так как оно скачет то к максимуму, то опускается до нуля. Поэтому используется накопитель в виде аккумуляторных батарей, который передает свой заряд на инвертор, выдающий стабильное и одинаковое напряжение.

Схема отопления дома при помощи ветрогенератора

Схема отопления мало отличается от обычной, используемой при использовании собственного котла. Разница лишь в способе нагрева теплоносителя. Нужна емкость, в которой нагревается теплоноситель (вода), соединенная с отопительной системой дома. Самый простой способ — использование температурного подъема воды (гравитационный метод). Горячая вода поднимается вверх, проходит по радиаторам, отдает тепловую энергию и, остывая, возвращается в емкость для повторного нагрева.

Такой метод не требует наличия сложных устройств, но естественная циркуляция — процесс неустойчивый, при некоторых изменениях температур он может прекратиться. Для обеспечения равномерности циркуляции используются насосы, устанавливающие в системе определенное циркуляционное давление и скорость движения теплоносителя. Это делает систему более требовательной к нагреву, точнее, к стабильности температуры теплоносителя.

Подача электроэнергии для отопления должна быть максимально непрерывной. Это еще одна причина использования аккумуляторов и инверторов, позволяющих во время спадания ветра обеспечивать подачу тока на нагреватели. Таким образом, схема проста: ветрогенератор — нагреватели воды — система отопления дома.

Для обеспечения стабильности и непрерывности отопления надо иметь резервный источник нагрева — твердотопливный котел, бензогенератор и т.п.

Как рассчитать теплопотери дома

Теплопотери дома — это величина, тождественная необходимому количеству энергии, затраченной на нагрев. Иными словами, для того, чтобы узнать мощность источника тепла, надо определить теплопотери. Они рассчитываются по формуле:

Q = S ∙ dT / R

• Где Q — величина теплопотерь
• S — площадь ограждающих конструкций дома (имеются в виду все конструкции, включая стены, полы, потолки, окна и двери)
• dT — разница температуры внутри помещения и снаружи. Например, если внутри +20°, а снаружи — -20°, то dT будет составлять 40°.
• R — тепловое сопротивление конструкции, определяется по таблицам СНиП или определяется самостоятельно.

Для расчета теплопотерь надо вычислить по отдельности их значение для стен, потолка и пола, окон и т.д. Сумма полученных значений покажет общие теплопотери дома, определяющие мощность нагревателя. Это означает, что водонагреватели, осуществляющие подготовку теплоносителя, должны иметь суммарную мощность, равную значению теплопотерь.

На практике мощность нагревателей принимается с некоторым запасом, необходимым на случай сильных морозов. Кроме того, со временем нагреватели начинают терять свои качества, поэтому надо заранее предвидеть эту ситуацию и устанавливать более мощные устройства. Потребуется также блок управления, позволяющий регулировать температуру нагрева, чтобы имелась возможность изменять режим отопления соответственно с температурой наружного воздуха.

Подбор мощности ветряка

КПД нагревателей воды — ТЭНов — равен 100%. Это облегчает подбор мощности ветряка, который должен обеспечивать напряжение и силу тока, достаточные для питания ТЭНов и соответствующие их мощности. Поэтому, рассчитывая теплопотери дома, мы, по сути, одновременно рассчитываем мощности ТЭНов и ветрогенератора. При расчетах обязательно на каждой позиции делать запас мощности, который поможет корректировать ошибки, допущенные при расчетах или спад параметров, произошедший оттого, что попалось некачественное оборудование.

Следует также учитывать, что размеры и объемы дома могут однажды увеличиться, что потребует одновременной замены нагревателей или всей системы. Эту проблему можно в какой-то степени решить заранее, увеличив мощность системы и эксплуатируя ее в режиме, несколько сниженном по сравнению с номиналом.

Кроме того, надо помнить о необходимости полного соответствия всех узлов системы — аккумуляторов, инвертора, контроллера и т.д. Все они должны подходить друг к другу по своим характеристикам, поскольку мощность системы равна мощности самого слабого элемента. Единственный прибор, неподходящий к остальным узлам, создает ситуацию, когда качественное оборудование не в состоянии выдавать номинальные показатели. Поэтому подбором только лишь генератора дело не окончится, надо с одинаковой тщательностью составить весь комплект приборов и устройств.

Автономное электроснабжение от энергии ветра: выбираем ветрогенератор

Этой статей мы открываем тему, посвященную ветроэнергетике и бытовым электростанциям, функционирующим на основе ветрогенераторов. В ее первой части мы расскажем:

• О перспективах использования ветрогенераторов на приусадебном участке.
• Об устройствах, которыми должна быть укомплектована домашняя ветроэлектростанция.
• О разновидностях ветрогенераторов и их особенностях.
• О характеристиках ветрогенераторов, по которым следует выбирать устройство для бытового электроснабжения.

Перспективы ветроэнергетики

Генерировать электричество из энергии ветра – возможно. Но сразу оговоримся: объем электрической мощности, которую можно «снять» с домашнего ветрогенератора, напрямую зависит от особенностей местности, в которой вы проживаете.

Поэтому, рассматривая автономную электростанцию как альтернативу местным электрическим сетям, предварительно изучите данные статистики по среднегодовой скорости ветра в своем регионе. Определить перспективность строительства автономной системы помогут таблицы интенсивности ветра, используемые при строительстве ветроэлектростанций (их можно найти с помощью любой поисковой системы). Также сориентироваться в вопросе поможет информация о технических характеристиках существующих ветрогенераторов и личные среднесуточные замеры скорости ветра, выполненные с помощью анемометра – прибора для измерения скорости ветра.

При слабом ветре генератор может вовсе не вырабатывать электричество, при этом свою номинальную мощность устройство развивает только при значительной скорости ветра.

Мощность при ветре 1 – 3м/с – около 3 Вт/ч (как у обычного зарядника от телефона), а при более сильном ветре мощность возрастает. В сутки ветряк вырабатывает примерно 30–60 Вт/ч (при ветре 1 – 3м/с), а при ветре 3 – 5м/с – до 100 Вт/ч. Энергия накапливается в маленьком буферном аккумуляторе, от которого осуществляется зарядка девайсов и работает светодиодное освещение.

Мы привели пример ветрогенератора небольшой мощности, который изготовлен из стандартной динамо-втулки. Он наглядно демонстрирует, что ветроэнергетика (даже на уровне хобби) имеет вполне реальные перспективы.

В целом, планируя строительство домашней ветроустановки, не следует ставить перед ней нереальных задач. Но если все сделать правильно – собрать установку, оснащенную аккумуляторами, контроллером и инвертором, то можно получить вполне удовлетворительные результаты (особенно, если ваш участок расположен вдали от централизованных электрических сетей). А дополнив систему солнечными батареями, можно получать энергию даже при полном отсутствии ветра.

Сейчас живу на даче, и электричество у меня от самодельной комбинированной системы: два ветрогенератора общей мощностью 300 Вт/ч и две солнечные панели общей мощностью 200 Вт/ч. Я расходую около 10-15кВт/ч энергии в месяц. Этой электростанции мне хватает на освещение, телевизор, Интернет и связь. Ну а если больше захочется, то и цена установки соответствующей будет.

Из чего состоит ветровая электростанция

Сам по себе ветрогенератор (независимо от мощности и других технических характеристик) никогда не сможет обеспечить бесперебойное питание подключенных к нему электроприборов. Скорость ветра – неравномерна. Как следствие, объем мощности, вырабатываемой ветрогенератором в течение суток, может очень сильно меняться (временами ветряк, и вовсе, останавливается). Поэтому классическая схема ветроэлектростанции, которая сможет обеспечивать питание потребителей даже в тихую и безветренную погоду, должна иметь следующий вид:

• ветрогенератор (ВГ) – установка, преобразующая энергию ветра в электричество (состоит из рабочего винта и генератора переменного тока);
• контроллер – устройство, которое преобразует переменный ток, поступающий от генератора, в ток постоянный, необходимый для правильной зарядки аккумулятора (еще одна функция контроллера – регулировка оборотов ВГ, но о ней поговорим чуть позже);
• аккумуляторная батарея – позволяет накапливать электроэнергию во время работы ветряка и отдавать ее потребителям, когда ВГ перестает вырабатывать электричество;
• инвертор – устройство, которое служит для преобразования постоянного тока напряжением 12В (поступающего в сеть от АБ) в бытовой ток – 220В, обладающий заданной частотой.

Учитывая, что ветрогенератор является ключевым элементом электростанции, параметры, по которым следует его выбирать, мы рассмотрим в первую очередь.

Стартовая скорость ветра и момент страгивания ветряка

В регионах, где штормовые воздушные потоки – большая редкость, основной задачей является выбор ветрогенератора, способного вырабатывать электричество даже при сравнительно слабом ветре (4…5 м/с). Способность установки начинать вращение при небольшом ветре характеризуется величиной его стартовой скорости.

Стартовая скорость напрямую зависит от стартового момента (момента страгивания) ветряка – усилие, которое необходимо приложить на рабочий винт ветрогенератора, чтобы он начал свое вращение. Чем меньше стартовая скорость ветра, тем больше дней в году генератор будет радовать вас альтернативной энергией. Большинство ветрогенераторов, которые используются в домашних условиях, имеют стартовую скорость – 2…3 м/с.

При этом есть отдельная разновидность устройств (с парусным винтом), которые очень чувствительны к движению воздуха.

Они стартуют при значительно меньших скоростях ветра (от 0,2 м/с), но обладают крайне ненадежной конструкцией. Поэтому перспективы их использования мы рассматривать не будем.

Стартовую скорость не следует путать с рабочей и номинальной скоростью, поскольку не всегда при минимальных оборотах ротора генератор способен давать ток, достаточный для зарядки аккумулятора.

Рабочая скорость

Для того чтобы генератор не вращался «вхолостую» (например, при небольшой скорости ветра), его рабочие характеристики должны соответствовать погодным условиям, которые преобладают в вашей местности.

Нормальные быстроходные ветряки начинают заряд аккумуляторов при скорости ветра в 3 – 3.5 м/с.

Скорость ветра, при которой ветрогенератор начинает давать ток на нагрузку – это минимальная рабочая скорость. Номинальная (расчетная) скорость ветра – скорость, при которой силовая установка выходит на свою номинальную мощность.

Основные разновидности ветрогенераторов

Наиболее популярны сегодня классические быстроходные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения и тремя лопастями.

Быстроходными считаются ветряки с минимальным количеством лопастей: 2, 3 или, вовсе, с одной (оснащенной противовесом). При сильном ветре такие генераторы очень быстро вращаются и при этом сильно шумят. Особенно это касается однолопастных устройств. Несмотря на то, что проблема шума может показаться незначительной, относиться к ней следует очень серьезно.

ВГ шуршит: начиная с 5–6 м/с ветер в ушах свистит, заглушая все звуки вокруг. Начиная с 1 кВт, контроллер начинает притормаживать ВГ, после чего устройство начинает не только шуршать, но еще и гудеть.

Форумчанин представил описание брендового быстроходного ветрогенератора, обороты которого (при скорости ветра в 10 м/с) приближаются к показателю 400 об/мин. Из него можно сделать вывод: располагая ветрогенератор вблизи жилых помещений, целесообразно рассмотреть вариант с тихоходным ВГ (если, конечно, не хотите, чтобы доброжелательные соседи однажды превратились в ваших закоренелых врагов). Такие генераторы ввиду своих аэродинамических особенностей даже при сильном ветре не развивают больших оборотов. К тому же, при сравнительно одинаковой мощности диаметр лопастей у тихоходного ветряка всегда меньше, чем у быстроходного устройства. Это делает проще и монтаж, и эксплуатацию установки.

Горизонтальный тихоходный ветряк – это установка, в конструкции которой имеется более трех лопастей, а показатель быстроходности (Z) соответствует значению Z ≤ 5. Где Z – отношение окружной (концевой) скорости лопастей ветряка к скорости ветра.

Число лопастей	Показатель быстроходности, Z
1	9
2	7
3	5
6	3
12	1.2

На практике характеристики тихоходного ветряка соответствуют следующим параметрам:

Частота вращения 400 об/мин – это далеко не тихоходный винт. 120 об/мин и выдача на этих оборотах номинала мощности – это тихоходный ветряк.

Дополнительным преимуществом тихоходной установки является низкая скорость страгивания. Благодаря высокому крутящему моменту, который лопасти передают на рабочий винт генератора, установка стартует даже при небольшом ветре. Высокий момент образуется за счет большей площади лопастей (в сравнении с быстроходными ветряками).

Из-за большого количества лопастей во время работы перед винтом тихоходного генератора образуется воздушная подушка (ветер не успевает проходить через лопасти). Эта особенность оказывает негативное влияние на производительность установки, и из нее вытекают основные недостатки устройства.

К основным недостаткам тихоходного ветряка можно отнести сравнительно низкий КИЭВ и высокую парусность (которая в штормовую погоду может привести к фатальным для установки последствиям). При этом тихоходные ветряки оснащаются генераторами с увеличенным диаметр ротора, а иногда – дополнительными мультипликаторами, которые облегчают запуск и вращение силовой установки. Перечисленные усовершенствования позволяют увеличить линейную скорость ротора и «снять» с генератора больше мощности при небольших оборотах. Такая конструкция генератора значительно увеличивает стоимость всей установки.

Что касается быстроходных генераторов горизонтального типа: благодаря своей простоте и относительной дешевизне эти устройства получили достаточно широкое распространение. И если в конструкции такой установки реализована защита от бури (например, механизм складывания хвоста при сильном ветре), то единственным неудобством во время ее эксплуатации может стать сильный шум.

Тихоходные горизонтальные ветрогенераторы гораздо реже используются на территории частных домовладений. Во многом это связано с характерными особенностями подобных установок.

Маленьких тихоходных генераторов (мощностью до 600 Вт/ч и с размахом винта в 1,5 метра) не бывает! И это не я так плохо искал, и даже не я так придумал. Это законы природы. Хотите тихоходный и «что-то дающий» ветряк – смотрите на вертикалки. Но весят они (даже слабые) тоже немало – у них большая материалоемкость.

На нашем форуме не так уж и много сообщений, говорящих в пользу вертикальных ветрогенераторов. Некоторые сетуют на то, что их конструкция слишком громоздка, других не устраивает низкая производительность устройств (КИЭВ), многие жалуются на недостаточную способность вертикальных установок к самозапуску и т. д.

Самыми непроизводительными считаются роторы «Савониуса». Их КИЭВ едва ли достигает значения – 0.2.

В то время как средний КИЭВ роторов с аэродинамическими крыльями (роторы «Дарье») равен 0,4 (что совпадает со средним значением КИЭВ горизонтальных ветряков). Роторы Дарье наиболее популярны среди вертикальных установок, используемых в ветроэнергетике.

Несмотря на перечисленные недостатки, если ветрогенератор получил определенное распространение, то есть у него и свои преимущества. У моделей с вертикальной осью вращения они следующие:

• при любом направлении ветра лопасти вертикальных установок находятся в рабочем положении;
• просты в обслуживании, так как устанавливаются на небольшой высоте;
• во время работы не создают больших вибраций, а, следовательно, не производят сильного шума;
• просты в изготовлении.

Сейчас закончил свой ветрячок мощностью 500Вт. Вот, что показали испытания: при 4 м/с – 180Вт, 5м/с – 280Вт, 6м/с – 350Вт, 7м/с – 400Вт, 8 м/с – 470Вт, 9м/с – 520Вт, 10м/с –600Вт. Что касается генератора: сейчас кручу машину «ДБМ185-6-0,4-2», число пар полюсов в ней 8, номинальное напряжение – 27В, частота вращения при идеальном холостом ходе – 390…450 об/мин, пусковой момент (Н*м) – не менее 21,8, сопротивление фазы – 0,28…0,636 Ом.

Диаметр установки, о которой идет речь – 1,2 м, высота – 1 м. Изготовлена она по типу ортогонального Н – ротора Дарье.

Как видим, вертикальная конструкция ветрогенератора вполне имеет право на жизнь. Выбирая подобную установку, очень важно учесть ее производительность, а главное – максимальную скорость ветра, характерную для вашей местности. Ведь вертикальный ветряк практически не имеет механической защиты от бури.

Выбор ветрогенератора по характеристикам мощности

Выбирая ветрогенератор, который развивает номинальную мощность (предположим – 800 Вт/ч) при скорости ветра 8 м/с, не стоит рассчитывать на то, что при ветре 4 м/с установка будет стабильно выдавать 400 Вт/ч.

Ниже приведена зависимость мощности от ометаемой площади рабочего винта и скорости ветра.

Диаметр ветроколеса, м	Мощность, кВт, при скорости ветра, м/с
	4	5	6	7	8	9	10
2	0,042	0,083	0,145	0,23	0,345	0,345	0,345
4	0,17	0,33	0,58	0,92	1,38	1,38	1.38
8	0,69	1,34	2,32	3,7	5,5	5,5	5,5
12	1,55	3.03	5,25	8,25	12,4	12,4	12,4
18	3,48	6,6	11,8	18,6	27,8	39,5	54.6
30	9,6	18,9	32,6	51,6	77,3	110,1	151,1

О мощности: обычно к описанию ветрогенератора прилагается график. Мощность установки зависит от мощности ветра. А мощность ветра пропорциональна скорости ветра в кубе. Но точные параметры генератора проще по графику посмотреть.

График мощности ветрогенератора изначально учитывает КПД установки, который выражается в коэффициенте использования энергии ветра (КИЭВ). Средний КИЭВ современных электроустановок находится в пределах – от 0,3 до 0,4. Исследуя график мощности, следует рассматривать не сколько номинальные характеристики устройства (их можно получить только при ветре 9–10 м/с), сколько показатели, характерные для среднегодовых значений ветра именно в вашей местности (например, 4–5 м/с). Только так можно правильно оценить потенциал того или иного ветрогенератора.

У вас, наверняка, приборы будут работать от переменки – 220В. При этом аккумуляторы дают ток постоянный, и его надо преобразовать в переменный. А это потери (до 10%). Еще есть потери при хранении энергии в аккумуляторах и т.д.

Следовательно, технические характеристики ветрогенератора следует соотносить не только с собственными потребностями в электричестве, но и с неизбежными потерями, возникающими во время работы альтернативной электростанции. Необходимо брать во внимание характеристики преобразователей тока, потери на сопротивление проводников (особенно, если генератор расположен на большом расстоянии от конечных потребителей) и т. д.

Напряжение генератора

В идеале номинальное напряжение на выходе генератора должно соответствовать параметрам ваших аккумуляторных батарей. Например, для двух последовательно соединенных аккумуляторов (12 В) подойдет ветрогенератор номиналом 24В. Для четырех таких аккумуляторов (также соединенных последовательно) подойдет ветряк номиналом 48 В и т. д.

Номинальное напряжение аккумуляторов должно соответствовать номинальному напряжению ветряка.

Некоторые современные контроллеры способны компенсировать большую разницу между выходным напряжением ветрогенератора и номиналом аккумуляторов. Но об особенностях дополнительных устройств, входящих в комплект домашней электростанции, мы поговорим в продолжении настоящей статьи.

Мы рассмотрели ключевые параметры, которые следует брать во внимание, выбирая установку для домашней электростанции самостоятельно. Но, как гласит народная мудрость: «учиться следует на чужих ошибках». Нам же ничто не мешает использовать это правило применительно к чужим успехам.

Я очень рекомендую взять у продавцов несколько адресов, по которым установлены ветряки, и съездить по ним. Посетив, поговорить с хозяевами, спросить – как работают, сколько кВт/ч устройства выработали и т. д. Опираясь на полученную информацию, можно принять решение, сэкономив себе и нервы, и деньги.

Руководствуясь чужим опытом, можно частично решить проблему электротехнических расчетов или, хотя бы, получить четкие ориентиры в этом направлении.

Проблемам выбора подходящего ветрогенератора на страницах FORUMHOUSE посвящена целая тема. Реальный опыт наших пользователей поможет вам немного сориентироваться в существующем многообразии. Также вы можете узнать о различных вариантах использования альтернативной энергии, посетив соответствующую страницу нашего интернет-проекта. Многие наши пользователи уже успели сформировать свое мнение относительно преимуществ или недостатков того или иного ветрогенератора. Ознакомившись с их взглядами на проблему, вы сможете более объективно судить о том, какая установка будет применима конкретно к вашему случаю. И еще: альтернативной может быть не только электрическая, но и тепловая энергия. И наш видеюсюжет наглядно это демонстрирует.