Производство и продажа тепловых насосов

Ветроэнергетика

Несмотря, на то, что ветроэнергетика во многих странах развивается довольно успешно, к установке ветряка на своём личном участке стоит приступать только после тщательного анализа метеорологических данных местности и проведения соответствующих расчётов на их основе.

Это актуально и для России, где есть территории с регулярными и сильными ветрами и есть местности, где ветер совсем слабый либо же дует совсем не в то время года, когда в нём нуждаются.  

Ветрогенератор  может вырабатывать столько энергии, сколько его пропеллер сможет отобрать от кинетической энергии движущегося воздуха с учётом  механических потерь в узлах трения, электрических потерь в генераторе и потерь в электрических цепях.

У классических пропеллерных ветряков с горизонтальной осью реальный коэффициент использования ветра (КИЭВ) достигает 25-30% для небольших моделей мощностью до десятков киловатт и до 40%  у мегаваттных монстров. Теоретический коэффициент использования энергии ветра у пропеллерных ветряков определяется пределом  в 60%

                                                                                                

Чтобы понять, сколько энергии может дать ветер, нужно вспомнить формулу кинетической энергии   

                                                                               mv2/2

у нас  m - масса воздуха, а v - его  скорость.

Массу воздуха  m, проходящего через ветроколесо в единицу времени, выразим через скорость  воздуха v, его плотность ρ и ометаемую пропеллером ветряка площадь S, через которую эта масса воздуха проходит. Получим  vρS.

Подставив это выражение в формулу кинетической энергии, получим   

                                                                             vρSv2/2  

Так, как ометаемая пропеллером площадь - окружность, площадь окружности S заменим на Пи*D2/4, где D - диаметр этой окружности 

                                                                           3,14vρD2v2/8 

сокращаем, получаем выражение

                                                                            0,393ρD2v3 

Теперь наглядно видно, что энергия ветра пропорциональна квадрату диаметра ветроколеса и пропорциональна кубу скорости ветра и зависит ещё от плотности воздуха. 

Плотность воздуха конечно влияет на энергию ветра, но в диапазоне привычных нам уличных температур это не очень существенно. Например при +20 оС плотность воздуха составляет 1,2 кг/м3,  а при -20 оС 1,4 кг/м3, соответственно при -20 оС мощность ветроустановки будет на 16-17% выше, чем при +20 оС. 

Диаметр ветроколеса значительно сильнее влияет на мощность ветроустановки. Увеличение его диаметра в 2 раза увеличивает мощность установки в 4 раза. Увеличение диаметра в 5 раз увеличивает мощность в 25 раз. Некоторым увеличением диаметра можно компенсировать снижение мощности при повышении температуры воздуха. 

Но самый важный показатель - скорость ветра, ведь зависимость мощности ветра от скорости ветра  кубическая и повлиять на скорость ветра невозможно.

Можно, увеличивая диаметр ветроколеса, пытаться как-то компенсировать потерю мощности от снижения скорости ветра.

При снижении скорости воздуха в 2 раза сила ветра падает в 8 раз, для сохранения мощности диаметр надо увеличить в 2,8 раза. При снижении скорости ветра в 5 раз мощность ветра падает в 125 раз, диаметр надо увеличить в 11,2 раза .  Но на каком-то этапе простым увеличением диаметра ветроколеса компенсировать падение мощности ветра не удастся.

Воспользовавшись вышеуказанной формулой, можно определить, что при скорости ветра 5 м/с и диаметре ветроколеса 3 м полная мощность ветра при температуре воздуха +20 С (плотность 1,2 кг/м3) равна 530 Вт.  

Да, всего лишь 530 Вт. При диаметре 3 метра и скорости ветра 5 м/с это полная мощность ветра, проходящего сквозь ветроколесо. В современных ветроустановках подобного размера удаётся использовать примерно одну треть от полной энергии ветра, то есть реальная выработка электроэнергии будет составлять около 150-170 Вт в зависимости от механических потерь и КПД генератора. 

При скорости ветра 10 м/с полная мощность ветра будет в 4 раза больше, 2120 Вт, а ветроустановка будет вырабатывать 600-650 Вт. При скорости ветра 15 м/с полная мощность ветра увеличится в 9 раз, до 4770 Вт, а вырабатываемая электрическая мощность будет 1400-1600 Вт.

При снижении скорости ветра с 5 м/с до 2,5 м/с полная мощность ветра упадёт в 4 раза, с 530 Вт до 132 Вт, а вырабатываемая мощность снизится до 45 Вт, если вообще ветряк сможет крутиться. При скоростях ветра 2-2,5 м/с  силы ветра уже иногда не хватает, чтобы преодолеть противодействующие силы привода генератора и стронуть ветроколесо с места. 

При таких маленьких скоростях ветра никаким увеличением диаметра колеса не удастся увеличить получаемую мощность, ибо с увеличением размеров  всё труднее становится стронуть колесо с места.

Подставив в формулу плотность воздуха 1,2 кг/м3  при температуре +20 оС и КИЭВ 30% (коэффициент использования энергии ветра) можно получить упрощённую формулу для оценки возможного количества получаемой энергии от пропеллерного ветрогенератора в зависимости от диаметра применяемого ветряка и текущей скорости ветра.

                                                                               P=  D2v/ 7 

Такая же упрощённая формула для плотности воздуха 1,4 кг/м3 при температуре  -20  оС и КИЭВ 30% будет выглядеть так:

                                                                               P=  D2v/ 6 

Подбирая модель ветрогенератора для установки на свом земельном участке, необходимо в большей мере ориентироваться на метео условия своей местности, а не на значения максимальной мощности из  технического паспорта. Какая бы там цифра не стояла, надо помнить, что это значение указано для конкретной скорости ветра. При сравнении на графике нескольких небольших ветрогенераторов различных размеров и конструкций, хорошо видно, что несмотря на довольно разные значения вырабатываемой мощности при скоростях ветра 13 м/с ( 30 mph), выработка всех ветрогенераторов на малых скоростях ветра ниже 3,5 м/с (8 mph) одинаково стремится к нулю. Неважно, каких размеров ветроколесо.