Автономний дім: Енергія вітру

Серія статей, присвячених автономному функціонуванню вашого котеджу, розкаже про можливості застосування відновлювальних і нетрадиційних джерел енергії (ВНДЕ), переваги і недоліки різних рішень, терміни окупності та багато іншого.

Енергія вітру в теорії

У зв'язку із зростанням цін на енергоносії, дедалі більше власників приватних будинків звертаються до відновлювальних і нетрадиційних джерел енергії (ВНДЕ), таких як вітрова, сонячна, гідроенергія і геотермальна. У цьому розділі розповімо, як пересічному громадянинові нашої країни раціонально і доступно, з фінансової точки зору, можна скористатися енергією вітру.

Перед тим як буде продемонстрований приклад вибору Вітро Електро Станції (ВЕС), слід дізнатися, яким чином потік повітря трансформується в електричну енергію і скільки такої енергії можна буде отримати на своїй ділянці. За наведеною формулою можна розрахувати енергію, яка «гуляє» вашою ділянкою:

Наприклад, на площу, що дорівнює 3 кв.м ( ) дує повітряний потік звичайної густини ( ) з швидкістю 5 м/с ( ), за таких умов отримаємо:

P = V³+ρ+S = 5³•1,25•12,5 = 1953,125

Де,

V – швидкість вітру, одиниця виміру – м/с
ρ – густина повітря, одиниця виміру –  кг/м³
S – площа, на яку дує (тисне) повітряний потік, одиниця виміру – м²

Майже 2 кВт, в ідеалі, якщо не враховувати ту частину потоку, яка піде на завихрення, обтікання об'єкта і т.д. В реальних умовах максимально ми можемо отримати 30-40% від потенційної енергії повітряного потоку. Це обмеження пов'язане з технологічним і фізичним виконанням вітрогенератора. Більш точний розрахунок можна зробити за такою формулою:

Де,

ξ – коефіцієнт використання енергії вітру (в номінальному режимі для швидкохідних вітряків досягає максимум ξmax = 0,4÷0,5), безмірна величина
R – радіус ротора, одиниця виміру – м
V – швидкість повітряного потоку, одиниця виміру – м/с 
ρ – густина повітря, одиниця виміру – кг/м³ 
ηред – ККД редуктора, одиниця виміру - відсотки
ηген – ККД генератора, одиниця виміру – відсотки

Для наступних даних:

ξ = 0,45
R = 2 м
V = 5 м/с 
ρ = 1,25 кг/м³ 
ηред = 0,9
ηген = 0,85

Розраховуємо: 

P = ξ•π•R²•0,5•V³•ρ•ηред•ηген = 0,45•π•2²•0,5•5³•1,25•0,9•0,85

Не так і багато виходить… чому тоді використання ВЕС є вигідним? Найкращим підтвердженням у даному випадку слугуватиме «живий» приклад. Для цього, як приклад, наведу характеристики установки однієї з українських компаній, котра ґречно погодилася надати розрахункові дані з власних продуктів.

Вітроенергетика на практиці

Розглядувана модель має номінальну потужність 5кВт і наступні важливі для нас технічні параметри:

За даними інженерного центру компанії WindElectric модель WE3000 має наступну характеристику (потужність залежно від швидкості вітру):

При швидкості вітру 10 метрів за секунду така установка буде генерувати більше ніж 3кВт год, такої кількості енергії повністю вистачить для маленького котеджу, але варто пам’ятати, що в нашій країні далеко не завжди вітряно.
Надійшов час з’ясувати найважливіше питання, скільки це ж буде коштувати і через який час окупиться? Вартість електроенергії наближено можна  визначити за наступною схемою:

Де,

В – повна вартість ВЕС, одиниця виміру –  грн, рублі, $ і т.д.
ЕВ – експлуатаційні витрати за рік, одиниця виміру – (грн/рік, рублі/рік, $/рік)  
Р – кількість виробленої енергії за рік, одиниця виміру – кВт•час
Т – термін служби вітрогенератора в роках (вважається Т = 20 років)

Орієнтування в потребах

Здійснюючи покупку, ми не завжди достеменно усвідомлюємо, що з нею робитимемо і наскільки вона нам необхідна. У випадку з ВЕС це слід доконечно з’ясувати.

Варіант перший: Я хочу частково забезпечити своє помешкання незалежним джерелом енергії (мій дім підключено до зовнішньої мережі). У такому випадку потужність установки залежатиме від кількості енергії, яку ви бажаєте отримувати не з мережі, а генерувати самостійно.

Варіант другий: Я хочу забезпечити своє помешкання незалежним джерелом енергії, тому обираю варіант ВЕС (мій дім не підключено до зовнішньої мережі). В цьому випадку потрібно точно знати свої потреби в електроенергії.

Для подальшого знайомства з матеріалом статті наполегливо рекомендуємо ознайомитися з «FAQ – Ветроэнергетика (Часто задаваемые вопросы)».

У чому відмінність цих двох варіантів? В обох випадках потрібна ВЕС, але необхідно знати, якою мірою вона використовуватиметься, отже, якої потужності установка буде нам потрібна.
Підготовка до вибору ВЕС… правильніше буде написати підготовка до розмови з компанією-спеціалістом, бо хто ж ще зможе надати послуги з встановлення, налаштування та гарантійного обслуговування? Перш ніж зробити вам пропозиції, компанія повинна мати деякі відомості. Спробуймо дізнатися про них. Це зацікавить і вас. Для двох наведених вище варіантів підготовка має кілька спільних пунктів:

1. Потреби. Якщо ви вирішили купити сік, то спочатку оцінюєте силу спраги, яку відчуваєте. Після цього купуєте пляшку соку відповідного об’єму. Щоб встановити ВЕС потрібно знати свої «апетити». Під «апетитами» в нашому випадку слід мати на увазі кількість споживаної електроенергії за добу, місяць, пору року. Необхідно також встановити межу верхнього навантаження (до прикладу, у святкові дні у вашому помешканні працюють одночасно два телевізори, музичний центр, комп’ютер, освітлення в декількох кімнатах, мікрохвильова піч і т. ін.), тобто, верхня межа навантаження – це максимальне енергоспоживання вашого помешкання. Необхідно також знати тривалість цього максимального навантаження. Встановити загальне енергоспоживання дуже просто, однак це вимагатиме від вас неабиякої ретельності. Ваше завдання – з’ясувати потужність кожного електроприладу в помешканні та час його роботи, а опісля внести відомості до таблиці (посилання: Автономна домівка: Енергоспоживання будинку).
2. Розташування. Наступним підготовчим етапом буде орієнтовний(!) вибір місця розташування ВЕС. Орієнтовний, оскільки лише фахівці зможуть визначити найкращий варіант для вашого індивідуального випадку. Проте є кілька пунктів, які дозволяють краще уявити можливе розташування ВЕС. Варто пам’ятати 3 золотих правила:
   • Турбулентність. Вітротурбіна повинна розміщуватися на 10 метрів вище ніж найвищий об’єкт в радіусі 100 метрів (включаючи ЛЕП)
   • За змогою, ВЕС повинні розміщуватися на відкритих ділянках (берегах рік, морів, озер)
   • Орографія місцевості. Варто враховувати, що в природних ущелинах, каньйонах потік повітря має властивість стискатися і, як наслідок, збільшується його швидкість. Подібну ситуацію можна спостерігати на пагорках.
3. У випадку, якщо ваш заміський будинок не планується підключати до загальної мережі, то слід розглянути варіант комбінованих систем:
   • ВЕС + Сонячні батареї
   • ВЕС + Дизель

Комбіновані варіанти допоможуть вирішити проблеми в регіонах, де вітер мінливий чи залежить від пори року, а також даний варіант є актуальним для сонячних батарей.