Кроме перечисленных причин, сложность использования ветра заключена в его непостоянстве. Построить генераторную и стабилизирующую установку для ВЭУ составляет самостоятельную и очень сложную задачу.
Примечание.
Главный тормоз внедрения ветроэнергетических установок— высокая стоимость киловатта установленной мощности. К тому же не следует забывать повышенные эксплуатационные расходы ветряков.
Домашний умелец может прикинуть мощность ветроустановки в зависимости от диаметра пропеллера и скорости ветра. При среднегодовой скорости в 3,5 м/с, характерной для континентальной части России, можно принять, что среднеэнергетическая скорость составит около 5 м/с. А ветряк будет работать треть всего времени.
Важнейшей характеристикой ветряка является т. н. КИЭВ — коэффициент использования энергии ветра. У самых лучших образцов ветряков он составляет до 60–80 %! (в среднем 40–45 %). У любительских (самопалов) — порядка 35 %. Т. о. при скорости ветра 5 м/с получим действительную мощность 0,35 x 90 = 31,5 Вт.
В табл. 1.2 в числителе мощность самодельного ветряка в киловатах при КИЭВ 35 %, в знаменателе обороты пропеллера в об/мин при быстроходности Z = 6.
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. Еще одно замечание. Мощность ветрогенератора зависит только от скорости ветра и диаметра винта.
В специальной литературе имеется множество формул расчета мощности ветроустановок. Приведу две, самые простые. Обе они дают примерно одинаковый результат.
Р = D2V3/7000, кВт,
где Р — мощность; D — диаметр винта в метрах; V — скорость ветра в м/с.
Р = 0,6∙SV3,
где Р — это мощность, в ваттах; 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 еще, сравним расчеты с потребной мощностью. Если она нас устраивает, то хорошо. А если нет, то:
♦ либо надо искать другой источник энергии;
♦ либо строить несколько ветряков.
1.2. Как оценить скорость ветра для ветрогенератора
Скорость ветра — это самый важный фактор, который влияет на количество энергии, вырабатываемой ветрогенератором.
Правило.
Количество электроэнергии, выработанной ветроэлектроустановкой, возрастает кубически с увеличением скорости ветра. Т. е. если скорость ветра удваивается, кинетическая энергия, полученная ротором, увеличивается в восемь раз.
Приведенная внизу табл. 1.3 показывает значения энергии ветра в стандартных условиях (сухой воздух, плотность — 1,225 кг/м3, атмосферное давление 760 мм рт. столба). Формула расчета количества энергии (определяется в Вт/м2) выглядит следующим образом:
Р = 0,5∙1,225∙V3,
где V — скорость ветра в м/с (по данным Датской ассоциации производителей ветротурбин)
Таблица 1.2. Значения энергии ветра в стандартных условиях
Скорость ветра, м/с ∙ Мощность ветра на 1 м2 площади ветрогенератора, Вт/м2
1 ∙ 1
3 ∙ 17
5 ∙ 77
9 ∙ 477
11 ∙ 815
18 ∙ 3572
21 ∙ 5672
23 ∙ 7452
Прежде всего, нужно помнить, что скорость ветра зависит от следующих факторов.
Высота над уровнем земли. Близко к земле ветер замедляется за счет трения о земную поверхность. Для сельскохозяйственных полей и пустынных территорий при увеличении высоты над поверхностью земли в два раза наблюдается увеличение скорости ветра приблизительно на 12 %.