Вольный ветер

Ветроустановки, как и старинные ветряные мельницы, тоже приносят пользу людям, только не в виде перемолотого зерна, а в виде электричества.

ВЭУ для автономного питания состоит из следующих частей:

• ветроголовка: генератор, лопасти, хвост, опорно-поворотный узел (крепит ветроколесо к мачте);
• зарядное устройство;
• аккумуляторная станция;
• инвертор.

Принцип действия ветряков прост: под напором ветра ветроколесо с лопастями вращается, передавая крутящий момент валу генератора, вырабатывающего электроэнергию. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает ветрогенератор. Зарядное устройство преобразует вырабатываемый им ток в постоянный, пригодный для зарядки аккумуляторов. Процесс зарядки батарей начинается не сразу: колесо должно разогнаться до определенной скорости. Величина зарядного тока определяется скоростью ветра. Аккумуляторы накапливают энергию, которая по мере надобности потребляется через инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный, годный для питания потребителей.

Монтируют ветряк на заранее залитом фундаменте: по строительным нормам за 28 дней бетон достигает 90% прочности. Стальную мачту, на которой располагаются колесо и генератор, устанавливают на фундамент и закрепляют с помощью тросовых растяжек. Чтобы максимально увеличить отдачу энергии, ветряк помещают на определенную высоту. Расчеты и практика показывают, что на высоте до 10 м скорость ветра сильно зависит от высоты, так как сказывается влияние земной поверхности. К примеру, энергия ветра на высоте 10 м в два раза выше, чем на высоте 2 м.

Вместе с тем чрезмерное увеличение высоты мачты не дает большого выигрыша по скорости ветра, зато серьезно отражается на стоимости установки.

Позицию для установки нужно грамотно рассчитать, учитывая все условия: ветровой потенциал местности, нахождение вблизи зданий. Если рядом расположено препятствие, то ветроколесо должно быть установлено на 3 м выше его. Важен также и рельеф, ведь даже на открытом пространстве можно попасть в точку штиля, «ветровую тень».

Мощность ветряков разная. Однако не нужно думать, что чем она больше, тем успешнее решит энергопроблемы потребителя. В этой ситуации многое зависит от ветра.

Чтобы крупные установки выдавали свою мощность, нужны сильные ветры. В степях или на Тихом океане его средняя скорость более 9 м/с. А большинство областей европейской части России относится к зоне средней интенсивности ветра: среднегодовая скорость составляет от 3,5 до 6 м/с. Средняя скорость ветра в Подмосковье – 4 м/с. Крупные ветряки здесь свою мощность выдают всего несколько сот часов в год, маленькие (0,5 кВт) смогут обеспечить в доме типовую нагрузку: освещение, телевизор, связь. Средние ветряки (1,5–4 кВт) позволят также подключить холодильник, стиральную машину, компьютер и другие предметы. Более того, если в загородном доме не живут постоянно, избыток энергии, скапливающийся в аккумуляторах, можно расходовать на отопление. Даже при ветре до 4 м/с установки средней мощности окупаются в среднем за 6 лет.

Как правило, при заказе ветроустановки ее технические данные рассчитывают индивидуально, с учетом желаний заказчика и условий местности. Часто потенциальный покупатель, сравнивая предлагаемые разными компаниями установки, обнаруживает, что цена сильно различается: в одном месте – 200 тыс., а в другом – 40 тыс. рублей. В этом случае нужно обращать внимание на комплектацию, потому что часто ветроустановки идут в «голом» виде без аккумуляторов и инверторов.

Действуем заодно

Как уже отмечалось, работа источников негарантированного энергоснабжения зависит от климатических условий. Поскольку период солнечной активности приходится на весенне-летний период, а ветров больше в переходное время, то есть глубокой осенью, зимой или ранней весной, то часто используют комбинированные энергетические системы. Когда дует ветер, солнце не светит, а в штиль наоборот, поэтому солнечные батареи монтируют вместе с ветряками. «Соединяются» СБ и ВЭУ с помощью контроллеров.

Для обеспечения полноценного, надежного электроснабжения можно задействовать также резервный источник питания. И если маленькие системы делают автономными, «рассчитывая» только на погоду, то в более мощные комплексы входит, например, бензо- или дизель-электрогенератор, который включают в локальную сеть. При этом дизель в системе не «тянет» на себе СБ и ВЭУ, наоборот, они будут экономить 50–70% топлива, необходимого для него.

Мощность, как и состав локальной станции, рассчитывают индивидуально. Для ее увеличения на базе СБ, ВЭУ и дизельных генераторов можно создавать обширные системы. Такие комплексы гарантируют жизнеобеспечение уже не маленькой дачи в ограниченный сезон, а капитального загородного дома круглый год.

Система автоматического управления следит за потребляемой мощностью, скоростью ветра, степенью заряда аккумуляторов и в зависимости от этого осуществляет включение и выключение дизельного генератора. Когда есть ветер или солнце, нагрузка и аккумуляторы «кормятся» от СБ и ВЭУ. При коротких затишьях и для подпитки высокой нагрузки берут запас энергии из аккумуляторов. Если же природа «шалит» долго и энергии из батарей не хватает, то в работу включается дизель, питающий нагрузку и заряжающий аккумуляторы.

Вновь к дизелю

В самом начале мы уже писали о том, что использование бензо- или дизель-генератора в «чистом виде» – стандартный путь решения проблемы с перебоями сетевого электричества, хотя у него много недостатков.

Вместе с тем при работе дизельных электростанций по накопительной схеме с инверторами, аккумуляторными батареями и контроллерами можно достичь неплохих результатов.

Дизельные станции с контроллерами работают таким образом: при исчезновении в сети напряжения автоматика дает команду на запуск электростанции, которая через несколько минут после пуска и прогрева начинает питать проводку в доме, а после появления напряжения в сети дает дизелю сигнал остановиться.

Включение в эту схему инверторов с аккумуляторами и управление с помощью системы автоматического пуска позволяет разумно расходовать дизельное топливо, экономить на нем.

При наличии напряжения в сети инвертор заряжает аккумуляторы (например, четыре батареи по 190–200 А*ч). При исчезновении сетевого напряжения он подает потребителю запасенный аккумуляторами ток. После того, как при расходовании заряда батарей напряжение в них упадет, контроллер запускает мини-электростанцию. Часть энергии от него идет потребителю, а часть – на зарядку аккумуляторов. Когда батареи зарядятся или в сети появится напряжение, контроллер останавливает генератор. Дизель работает не постоянно, в лишь несколько часов в день. Это не только значительно экономит топливо, но и уменьшает шум и выхлопы.

Поскольку все компоненты этой системы способны работать отдельно друг от друга, то допустимо покупать их по отдельности, постепенно, если полная сумма отсутствует.

Инвертор совместно с блоком аккумуляторных батарей тоже следует эксплуатировать разумно. В тех регионах страны, где действуют два вида тарифа на электричество – дневной и более дешевый ночной, – можно заряжать аккумуляторы ночью, чтобы днем пользоваться не электричеством из сети, а их запасом. Разумеется, подобная система окупится тоже не быстро. Кроме того, инвертор подойдет и для «очищения» сетевого электричества: если у потребителя сеть проблематичная, в ней случаются провалы, то инвертор поможет и здесь.

«По мелочам»

Энергию солнца и вера можно использовать не только «по-крупному», на освещение загородного дома, питание различных бытовых приборов, но и «по мелочам». Например, на нагрев воды. Для этого существует солнечный коллектор, который в состоянии интегрироваться в традиционные водонагревательные системы или служить в качестве базового элемента для создания самостоятельной системы. В летнее время солнечная энергия вполне обеспечит потребности в горячей воде полностью, а осенью и весной – на 60%.

Простой и дешевый способ использования солнечной энергии – нагрев воды в плоских солнечных коллекторах. Сложнее по устройству вакуумные коллекторы, чьи преимущества особенно выявляются в пасмурные и холодные дни. И если обычные коллекторы нагревают воду до 90 градусов, то вакуумные – до 100. Разница незначительная, а вот цена коллектора выше.

По устройству водонагревательные установки бывают разные. Они состоят из коллектора и теплообменника-аккумулятора. Солнечная энергия проходит через прозрачное покрытие и нагревает в коллекторе жидкость, которая циркулирует естественным или принудительным образом (с помощью циркуляционного насоса). В зависимости от типа это либо собственно вода, при нагревании поступающая в бак-аккумулятор, либо теплоноситель (антифриз) – нагреваясь, он отдает тепловую энергию воде через теплообменник, вмонтированный в бак-аккумулятор. В баке хранится горячая вода, поэтому он оснащен хорошей теплоизоляцией, позволяющей воде не остывать. Устанавливаемый в баке автоматический нагреватель-дублер в случае снижения температуры воды автоматически включается и догревает воду. Далее вода поступает напрямую к потребителю или переходит в часть общей системы.