Сколько вырабатывает ветрогенератор. Сколько энергии вырабатывает ветрогенератор: факторы эффективности и расчет мощности

Как рассчитать выработку энергии ветрогенератором. От чего зависит эффективность ветряной турбины. Какие факторы влияют на мощность ветрогенератора. Как выбрать оптимальный ветрогенератор для своих нужд.

Принцип работы ветрогенератора и факторы, влияющие на его эффективность

Ветрогенератор преобразует кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Его основные компоненты — это лопасти, ротор, генератор и мачта. Когда ветер обдувает лопасти, они начинают вращаться, приводя в движение ротор. Ротор в свою очередь вращает вал, соединенный с генератором, который и вырабатывает электричество.

На эффективность работы ветрогенератора влияют следующие ключевые факторы:

• Скорость ветра — чем она выше, тем больше энергии вырабатывается
• Диаметр ротора — большие лопасти захватывают больше ветра
• Высота мачты — на большей высоте ветер сильнее и стабильнее
• Плотность воздуха — влияет на энергию, передаваемую лопастям
• КПД генератора — определяет, какая часть энергии ветра преобразуется в электричество

Зависимость выработки энергии от скорости ветра

Скорость ветра — ключевой фактор, определяющий выработку энергии ветрогенератором. Как правило, турбина начинает вырабатывать электричество при скорости ветра 3-4 м/с. При увеличении скорости ветра выработка растет в кубической зависимости.

Например, если скорость ветра удваивается, теоретическая мощность увеличивается в 8 раз. Однако на практике рост выработки ограничен номинальной мощностью генератора.

Типичные значения выработки в зависимости от скорости ветра:

• 3-4 м/с — минимальная рабочая скорость, небольшая выработка
• 7-9 м/с — оптимальный диапазон для большинства турбин
• 12-14 м/с — достижение номинальной мощности
• 25-30 м/с — отключение турбины для безопасности

Влияние размера ротора на мощность ветрогенератора

Диаметр ротора ветрогенератора напрямую влияет на площадь ометаемой поверхности и, соответственно, на количество энергии, которое турбина может извлечь из ветра. Чем больше диаметр, тем выше потенциальная мощность.

Мощность ветрогенератора пропорциональна квадрату диаметра ротора. То есть при увеличении диаметра в 2 раза теоретическая мощность возрастает в 4 раза.

Сравнение типичных размеров роторов:

• 1-3 м — малые бытовые ветрогенераторы (до 1 кВт)
• 5-10 м — средние установки для частных домов (1-10 кВт)
• 40-60 м — промышленные наземные турбины (2-3 МВт)
• 100-160 м — крупнейшие офшорные ветрогенераторы (8-12 МВт)

Расчет теоретической мощности ветрогенератора

Теоретическая мощность ветрогенератора может быть рассчитана по следующей формуле:

P = 1/2 * ρ * A * V^3 * Cp

Где:

• P — мощность (Вт)
• ρ — плотность воздуха (кг/м³)
• A — площадь ометаемой поверхности (м²)
• V — скорость ветра (м/с)
• Cp — коэффициент использования энергии ветра (обычно 0.3-0.5)

Эта формула позволяет оценить максимально возможную мощность при заданных условиях. Однако реальная выработка будет ниже из-за различных потерь.

Факторы, снижающие фактическую выработку энергии

На практике ветрогенераторы вырабатывают меньше энергии, чем их теоретическая или номинальная мощность. Это связано с рядом факторов:

• Непостоянство ветра — турбина редко работает на полной мощности
• Потери в генераторе и электрической системе
• Аэродинамические потери на лопастях
• Механические потери в трансмиссии
• Простои из-за технического обслуживания
• Отключения при слишком сильном ветре

Из-за этих факторов реальная среднегодовая выработка обычно составляет 20-40% от номинальной мощности ветрогенератора. Этот показатель называется коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ).

Способы повышения эффективности ветрогенераторов

Существует ряд технических решений, позволяющих увеличить выработку энергии ветрогенераторами:

• Увеличение высоты мачты для доступа к более сильным и стабильным ветрам
• Применение более эффективных аэродинамических профилей лопастей
• Использование генераторов на постоянных магнитах с высоким КПД
• Системы слежения за направлением ветра для оптимальной ориентации ротора
• Применение редукторов с низкими механическими потерями
• Усовершенствованные алгоритмы управления для максимизации выработки

Кроме того, важен правильный выбор места установки с хорошим ветропотенциалом и минимумом препятствий.

Расчет годовой выработки энергии ветрогенератором

Для оценки годовой выработки энергии ветрогенератором можно использовать следующую формулу:

E = P * 8760 * CF

Где:

• E — годовая выработка энергии (кВт*ч)
• P — номинальная мощность ветрогенератора (кВт)
• 8760 — количество часов в году
• CF — коэффициент использования установленной мощности (КИУМ)

Например, для ветрогенератора мощностью 100 кВт с КИУМ 0,3 годовая выработка составит:

E = 100 * 8760 * 0,3 = 262 800 кВт*ч

Этот расчет дает приблизительную оценку. Для более точного прогноза необходимо учитывать распределение скоростей ветра на конкретной площадке.

Выбор оптимального ветрогенератора для конкретных условий

При выборе ветрогенератора важно учитывать следующие факторы:

• Ветровой потенциал местности (средние скорости ветра)
• Требуемую мощность и годовое энергопотребление
• Доступное пространство для установки
• Законодательные ограничения по высоте конструкций
• Бюджет проекта

Для малых частных систем обычно подходят ветрогенераторы мощностью 1-10 кВт с диаметром ротора 3-7 м. Для промышленного применения используются турбины мощностью от сотен киловатт до нескольких мегаватт.

Важно провести детальный анализ ветрового режима на предполагаемом месте установки. Это позволит точнее спрогнозировать выработку и подобрать оптимальную модель ветрогенератора.

Расчет выработки энергии ветрогенератором

Немало статей размещено в интернете, в том числе и на нашем сайте, о том, как рассчитать систему с солнечными батареями для конкретного дома, дачи, офиса или производственного здания. Нельзя не затронуть тему расчета системы содержащей ветрогенератор.

Тонкости расчета вырабатываемой энергии ветрогенератором

Ветрогенератор в автономной системе крайне полезен. По большей части тем, что его выработка не имеет ярко выраженной зависимости от сезонов. Солнечные батареи хорошо работают летом и плохо зимой, тогда как ветрогенераторы сохраняют свою эффективность в зимний период. Немало важно то, что сильные ветра, как правило, наблюдаются в пасмурную погоду, поэтому совместное применение ветрогенераторов и солнечных панелей достаточно обоснованно. 

Основная проблема ветровых турбин заключается в том, что их эффективность мала при низких скоростях ветра. Если внимательно посмотреть на кривую зависимости мощности от скорости ветра, то можно обнаружить следующее: турбина только начнет вращаться при скорости ветра около 3метров в секунду и, более-менее ощутимая, выработка энергии начнется только при 7метрах в секунду.

Ветрогенераторы достаточно эффективны в прибрежных районах, либо на возвышенностях, где скорости ветра выше и ветра чаще. На большей части территории России средняя скорость ветра составляет 4-5метров в секунду, что создает неблагоприятные условия для применения ветрогенераторов. Но данные усреднены, поэтому следует изучить энерго-потенциал конкретной местности, если существует подозрение, что ветрогенератор  может быть эффективен.

Для повышения эффективности работы ветровых электростанций применяют различные технические решения:

• ветрогенератор размещают на высокой мачте. Приведем пример: если увеличить высоту мачты с 5 до 20метров, выработка увеличится в 2 раза;
• применяют ветрогенераторы с вертикальным расположением лопастей. Вертикальные турбины более эффективны при слабых ветрах, а также менее шумные, тем не менее, их стоимость значительно выше горизонтальных;
• применяют специальные контроллеры заряда, которые, при низкой скорости, ветра сначала дают лопастям раскрутиться, и только потом подключают нагрузку. В таком режиме ветрогенератор вырабатывает некоторое количество энергии, хоть и небольшое, при слабом ветре.

On-line калькулятор для расчета энергии «ветряка»

Перейдем теперь к методам расчета систем с ветряными электростанциями. Покупая устройство, вы будете знать его заявленную номинальную мощность, а также найдете в инструкции график зависимости мощности вырабатываемой «ветряком» от скорости ветра. Имея эти данные довольно сложно оценить количество вырабатываемой энергии, поэтому для дальнейших рассуждений нужно воспользоваться одной из специальных программ, учитывающих метеорологические данные в вашей местности. Мы предлагаем вам воспользоваться удобным сервисом — on-line калькулятор на нашем сайте. Программа учитывает местоположение установки, высоту мачты, а также рельеф местности. Если в электростанции имеются солнечные батареи, в калькуляторе можно произвести расчет для всей системы и получить данные и графики как суммарной, так и раздельной выработки энергии.  

              

                

Рис.1. Расчет суточного потребления (нагрузки).

Рис.2. Подбор солнечных батарей и ветряка. Индивидуальные графики среднесуточной выработки.

Рис.3. Выгрузка графика среднесуточной выработки всех источников энергии.

Не стоит забывать о том, что программа никак не может брать в расчет влияние местных особенностей (предметов, деревьев, заграждающих зданий и т.п.), затеняющих солнечные батареи или вносящих турбулентности в поток воздуха, данные факторы следует учитывать отдельно. 

Читать еще статьи…

 

Как заработать на ветряке? Или 5 шагов к энергонезависимости — Российская Ассоциация Ветроиндустрии

Наши партнёры из Альтрэн (член РАВИ) убеждены в том, что на небольшом ветрогенераторе, установленном на личном участке возле дома, можно зарабатывать.

Каков план действий?

1. Установить ветрогенератор (он же «ветряк») мощностью до 15 кВч.
2. Подключить его к электросети сети.
3. Потреблять меньше энергии, чем он вырабатывает.

Откуда возьмётся доход?

В ближайшие 20-25 лет ваш собственный ветрогенератор круглосуточно будет вырабатывать электричество и излишки выдавать в центральную энергосеть. Если в течение месяца он будет вырабатывать больше энергии, чем вы тратите, вы будете в плюсе.

Энергетическая компания, которая является поставщиком электроэнергии для вас, будет покупать у вас излишки электроэнергии по оптовому тарифу.

Сразу резонный вопрос: а если излишков не будет? Тоже неплохо – платить энергосетям вы будете только разницу между тем, что выдал в сеть ветряк и тем, что вы потратили. Цифры в счёте за электричество существенно уменьшатся.

Пошаговая инструкция

Итак, если вы решили начать зарабатывать на собственном ветрогенераторе, то предлагаем подробную инструкцию.

Шаг 1. Стоит ли овчинка выделки?

Нужно выяснить, куда именно лучше поставить ветряк. Это важно, поскольку практика показывает, что потенциальные владельцы ветрогенераторов иногда принимают желаемое за действительное. Ветра на их участке может быть недостаточно для выработки энергии от ВЭУ. Профессионально оценить ваш «ветроэнергетический» потенциал могут в Альтрэн. Вы указываете только точку на карте, а специалисты уточняют её ветровые характеристики – проверяют по базам данных и картам ветров, после чего считают коэффициент использования установленной мощности (КИУМ). Этот показатель помогает понять, насколько эффективно в течение всего года на вашей площадке сможет работать ветрогенератор.

Шаг 2. А что с окупаемостью проекта?

Просчитать окупаемость можно и самостоятельно. В расчётах важно учесть стоимость ветрогенератора, тарифы на электроэнергию, объём выработки генератора и объем вашего потребления. Если задача вызывает сложности – в Альтрэн также готовы помочь. 

Шаг 3. Какую модель ветрогенератора выбрать?

Конечно, можно выбирать ветрогенератор исходя исключительно из эстетических соображений, он красив сам по себе. Тем не менее руководствоваться при выборе лучше его техническими характеристиками. Изучайте описания разных моделей, подбирайте в соответствии со своими нуждами и возможностями ветра на вашем участке. Да, ветрогенераторы разные и их очень много, но выбрав не ту модель, вы рискуете сделать весь проект менее прибыльным. Паниковать и здесь не стоит. Специалисты Альтрэн сотрудничают с ведущими производителями ветрогенераторов России и ещё пяти других стран и помогут вам выбрать самый подходящий вариант. Тот, который лучше всего справится с превращением ветра на вашем участке в чистую энергию.

Шаг 4. Кто поможет с доставкой и установкой?

Производители ветрогенераторов иногда предлагают услуги по доставке и установке. Если у вас есть соответствующий опыт и время на изучение схем и инструкций, то собрать и запустить ветрогенератор вам вполне под силу самостоятельно. Нет? Обращайтесь в Альтрэн. Компания организует доставку и пришлёт команду монтажников, у которых есть опыт в монтаже и пуско-наладке не только мини-ветрогенераторов, но и огромных промышленных ВЭУ мощностью в несколько мегаватт. Профессиональная команда смонтирует, запустит и настроит работу оборудования.

Шаг 5. Как договориться с энергетической компанией?

Чтобы начать зарабатывать, нужно заключить договор с компанией, которая будет покупать ваше электричество. Для начала стоит определиться с правовой базой. Взаимоотношения между объектом микрогенерации, которым стал ваш ветряк, и энергетической компанией регулирует соответствующий закон и Постановление Правительства РФ от 02.03.2021 № 299 «О внесении изменений в некоторые акты Правительства Российской Федерации в части определения особенностей правового регулирования отношений по функционированию объектов микрогенерации». Если не особенно уверены в своих талантах переговорщика, также подключите специалистов из Альтрэн, они проведут переговоры за вас и помогут преодолеть все бюрократические формальности.

В итоге – вы успешный производитель и поставщик электроэнергии. Что дальше? Через месяц после установки Альтрэн уточнит, все ли у вас в порядке. И далее будет на связи, готовый отвечать на вопросы, консультировать по обслуживанию и, при необходимости, присылать своих специалистов для техобслуживания.

Не удивимся, если с такой поддержкой вы сами вскоре превратитесь в специалиста в сфере ветрогенерации и сможете консультировать по данному вопросу соседей. Потому что соседи захотят поставить ветряк у себя на участке. И начнут зарабатывать.

Сколько энергии производит ветряная турбина?

Обновлено 9 ноября 2020 г.

Автор Kevin Lee

Ветряные турбины способны вращать свои лопасти на склонах холмов, в океане, рядом с заводами и над домами. Идея предоставить природе бесплатную энергию для вашего дома может показаться привлекательной, но важно научиться рассчитывать мощность ветряной турбины, прежде чем покупать ее, и особенно важно понимать разницу между номинальной мощностью машины и фактической мощностью, которую вы получаете. можно ожидать от него. Ознакомьтесь с картами ветра, предоставленными Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, чтобы узнать, делают ли скорость ветра и доступность энергии ветра хорошим выбором для вашего дома.

Скорость ветра

Большинство ветряных турбин состоят из установленных на роторе лопастей, которые напоминают пропеллеры самолетов. Когда через них проходит воздух, они заставляют ротор вращать вал, приводящий в действие электрический генератор. Большинство турбин автоматически отключаются, когда скорость ветра достигает 88,5 километров в час (55 миль в час), чтобы предотвратить механические повреждения. Это снижает производство электроэнергии, когда возникают сильные ветры и людям требуется постоянная энергия ветра. Они также не производят электричество, если ветер дует слишком медленно. Если скорость ветра уменьшится вдвое, производство электроэнергии уменьшится в восемь раз. Время, в течение которого ветровой режим оптимален в данном регионе, определяет готовность ветроустановки. Турбины, расположенные выше, получают больше ветра, что приводит к большей производительности. Каждый из них имеет диапазон скорости ветра — от 30 до 50 миль в час — при котором он работает оптимально.

Рейтинг эффективности

Современные ветряные турбины имеют различные конструкции, предназначенные для более эффективного улавливания ветра. Эффективность является важным значением, которое необходимо знать при оценке ветровой турбины. В идеальном мире турбина могла бы преобразовывать 100 процентов ветра, проходящего через лопасти, в энергию. Из-за таких факторов, как трение, эти машины имеют рейтинг эффективности только от 30 до 50 процентов от номинальной выходной мощности. Выходная мощность рассчитывается следующим образом: 93}{2}

Площадь указана в квадратных метрах, плотность воздуха в килограммах на кубический метр, скорость ветра в метрах в секунду.

Критические особенности

То, что мощность ветряной турбины составляет 1,5 мегаватта, не означает, что на практике она будет производить столько энергии. Ветряные турбины обычно производят значительно меньше номинальной мощности, которая является максимальной мощностью, которую они могли бы производить, если бы работали все время. Например, ветряная турбина мощностью 1,5 мегаватта с коэффициентом полезного действия 33 процента может производить только половину мегаватта в год — меньше, если ветер дует ненадежно. Турбины промышленного масштаба обычно имеют номинальную мощность от 2 до 3 мегаватт. Однако количество фактически производимой энергии уменьшается за счет эффективности и наличия ветра — процента времени, в течение которого единице достаточно ветра для движения.

Советы по выбору ветряной турбины

Если вы знаете мощность и коэффициент полезного действия установки, вы можете рассчитать предполагаемую годовую производительность по следующей формуле:

365\frac{\text{дни}}{\text{год} }\times 24\frac{\text{часы}}{\text{дни}}\times \text{максимальная мощность}\times \text{коэффициент мощности}=\text{киловатт-часы в год}

Например, ожидается, что турбина номинальной мощностью 1,5 МВт и КПД 25 процентов будет производить следующее:

365\times 24\times 1500\times 0,25 = 3 285 000\text{ киловатт-часов в год}

Этот расчет предполагает наличие ветра 24 часа в сутки в течение всего года. В практическом применении этого не происходит. Вы можете использовать карты ветров NREL, чтобы скорректировать значения времени для получения более точных данных для конкретного местоположения.

Ветряные турбины: чем больше, тем лучше

Офис Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии

16 августа 2022 г.

С начала 2000-х ветряные турбины выросли в размерах — как по высоте, так и по длине лопастей — и вырабатывают больше энергии. Что движет этим ростом? Давайте посмотрим поближе.

Средняя высота ступицы турбины, диаметр ротора и паспортная мощность для наземных ветровых проектов из отчета

«Рынок наземных ветровых установок»: издание 2022 г. .

Высота ступицы ветряной турбины — это расстояние от земли до середины ротора турбины. Высота ступицы для наземных ветряных турбин коммунального масштаба увеличилась на 66% по сравнению с 19 годом.98–1999, до примерно 94 метров (308 футов) в 2021 году. Это примерно такая же высота, как Статуя Свободы! Прогнозируется, что средняя высота ступицы морских турбин в Соединенных Штатах вырастет еще выше — со 100 метров (330 футов) в 2016 году до примерно 150 метров (500 футов), что примерно равно высоте монумента Вашингтона в 2035 году.

Иллюстрация увеличения высоты турбины и длины лопастей с течением времени.

Турбинные башни становятся выше, чтобы улавливать больше энергии, поскольку ветер обычно усиливается с увеличением высоты. Изменение скорости ветра с высотой называется сдвигом ветра. На больших высотах над землей ветер может течь более свободно, с меньшим трением о препятствия на поверхности земли, такие как деревья и другая растительность, здания и горы. Большинство башен ветряных турбин высотой более 100 метров, как правило, сосредоточены на Среднем Западе и Северо-востоке, двух регионах со сдвигом ветра выше среднего.

Расположение турбинных установок на высотных башнях из Отчета о рынке наземных ветровых установок : издание 2022 г.

Диаметр ротора

Диаметр ротора турбины, или ширина круга, охватываемого вращающимися лопастями (пунктирные кружки на втором рисунке), также увеличился с годами. Еще в 2010 году ни одна турбина в Соединенных Штатах не использовала роторы диаметром 115 метров (380 футов) или больше. Средний диаметр ротора в 2021 году составлял 127,5 метра (418 футов) — больше, чем футбольное поле.

Увеличенный диаметр ротора позволяет ветряным турбинам охватывать большую площадь, улавливать больше ветра и производить больше электроэнергии. Турбина с более длинными лопастями сможет захватывать больше доступного ветра, чем более короткие лопасти, даже в районах с относительно слабым ветром. Возможность собирать больше ветра при более низких скоростях ветра может увеличить количество областей, доступных для развития ветра по всей стране. Из-за этой тенденции площадь, охватываемая ротором, выросла примерно на 600% с 1998–1999 гг.

Емкость паспортной таблички

Помимо того, что ветряные турбины стали выше и больше, с начала 2000-х годов также увеличилась их максимальная номинальная мощность или мощность. Средняя мощность вновь установленных ветряных турбин в США в 2021 году составила 3,0 мегаватт (МВт), что на 9% больше, чем в 2020 году, и на 319%, чем в 1998–1999 годах. В 2021 году увеличилось количество установленных турбин мощностью 2,75–3,5 МВт, при этом также увеличилась доля турбин мощностью 3,5 МВт и выше. Турбины большей мощности означают, что для выработки такого же количества энергии на ветровой электростанции требуется меньше турбин, что в конечном итоге приводит к снижению затрат.

Проблемы с транспортировкой и установкой

Если чем больше, тем лучше, почему в настоящее время не используются еще более крупные турбины? Хотя высота турбины и диаметр ротора увеличиваются, есть несколько ограничений. Транспортировка и установка больших лопастей турбины для наземного ветра непроста, поскольку их нельзя сложить или согнуть после изготовления. Это ограничивает маршруты, по которым могут двигаться грузовики, и радиус их поворотов. Башни турбины диаметром также трудно транспортировать, так как они могут не поместиться под мостами или эстакадами.