Выходом может быть совместное использование энергии ветра и солнца. Для этого на мачту светильника, кроме солнечной батареи, устанавливается и ветрогенератор. При хорошей погоде большую часть энергии дает солнце, при плохой - воздушные потоки. Мало того, ветры дуют не только днем, но и ночью, что позволяет практически круглосуточно заряжать аккумулятор.
Вертикальная или горизонтальная ось?
Устройство для превращения кинетической энергии поступательно движущегося воздушного потока в механическую энергию вращения вала ветродвигателя называется ветроколесом. Ось вращения ветроколеса может быть расположена как вертикально, так и горизонтально.
Наибольшее распространение получили ветряки с горизонтальной осью. Главный недостаток таких устройств - необходимость ориентации «колеса» по ветру. В маломощных ветряках «колесо» с генератором свободно поворачиваются в горизонтальной плоскости и ориентируются при помощи хвостового оперения. Более мощные системы используют для ориентации по ветру моторы, управляемые весьма сложной электроникой.
Преимуществом ветряков с вертикальной осью является отсутствие необходимости ориентировать их по ветру. До недавнего времени ветровое колесо в такой установке не могло само начать вращаться от движения воздушных масс, нужно было предварительно его раскрутить. Для этого на короткий промежуток времени электрический генератор включается в режиме электродвигателя. Сейчас уже созданы ветряки, лишенные данного недостатка. Ветрогенераторы с вертикальной осью вызывают большой интерес у специалистов, однако пока их широкое распространение сдерживается сложностью конструкции. Их использование выгодно для выработки электроэнергии для группы светильников, но для установки на одном светильнике они не подходят.
В дальнейшем под ветрогенератором мы будем подразумевать систему с горизонтальной осью.
Мощность ветрогенератора
Мощность, которую дает ветрогенератор, определяется скоростью ветра, а также площадью ометания (т.е. площадью геометрической фигуры, которую «рисуют» вращающиеся лопасти ветроколеса). В установившемся режиме максимальная мощность,ветрогенератор, не зависит от количества лопастей.
Мощность идеального ветрогенератора вычисляется по формуле:
P=0,5QSоV3СpNgNb, где
Q - плотность воздуха, равная 1,23 кг/м3,
Sо - площадь ометания,
V - скорость ветра,
Cp - коэффициент использования энергии ветра, зависит от конструкции ветряка,
Ng - КПД электрогенератора,
Nb - КПД мультипликатора (о том, что это за узел, пойдет речь дальше).
У идеального ветряка Cp составляет 0,593, в реальности при грамотном проектировании может достигать 0,35 - 0,45. КПД электрогенератора лежит в пределах 0,6 - 0,8. Мультипликатор имеет КПД 0,7 - 0,9.
Исходя из приведенной выше формулы следует, что, чем больше скорость ветра, тем, соответственно, больше мощность ветряка. Но это имеет отношение только к механической мощности. Что касается электрогенератора, то у него есть оптимальное значение скорости вращения ротора, при превышении которого мощность начинает падать.
Номинальная скорость ветра - это скорость, при котором мощность электрогенератора максимальна. Соответственно, мощность, выдаваемая ветрогенератором при номинальной скорости, называется номинальной (хотя фактически она является максимальной).
От количества лопастей, их формы и площади зависит такой параметр ветряка, как быстроходность. Она равна отношению линейной скорости концов лопастей к скорости ветра. Обычно значение быстроходности лежит в пределах 2 - 10.
При большом значении быстроходности ветряк крутится быстро, но крутящий момент мал. И, наоборот, при малом значении быстроходности ветряк крутится медленно, но имеет большой крутящий момент. Это сказывается на легкости запуска ветряка.
Как правило, чем выше быстроходность, тем выше коэффициент использования энергии ветра. Таким образом, важной задачей при проектировании ветряка является нахождение оптимального значения быстроходности, чтобы, с одной стороны, ветряк достаточно легко запускался, а, с другой стороны, эффективно использовал энергию ветра.
Конструкция ветряка
Скорость вращения самых быстроходных ветровых колес не превышает 400 об/мин. В то же время, в ветряках используются электрогенераторы, для эффективной работы которых нужна скорость вращения не менее 1000 об/мин. Повышение скорости вращения осуществляется при помощи механического устройства, именуемого мультипликатором. Его не используют лишь в маломощных моделях ветряков, где можно поступиться КПД электрогенератора во имя удешевления всей конструкции.
В ветряке к электрогенератору подключается контроллер, стабилизирующий напряжение и управляющий подачей энергии на аккумулятор. Контроллеры для ветрогенераторов, как правило, имеют дополнительный вход для подключения солнечных батарей.
Если аккумулятор полностью заряжен, а нагрузка не подключена, то контроллер подключает к электрогенератору балластное сопротивление. Совсем без нагрузки ветрогенератор включать нельзя, поскольку тогда скорость вращения ветрового колеса может стать недопустимо большой, что в итоге приведет к разрушению устройства.
Но даже если подключена нагрузка, при очень сильном ветре также возможно разрушение генератора. Когда скорость ветра превышает допустимый предел, работа устройства прекращается и срабатывает система защиты. В маломощных генераторах просто тормозится ветроколесо, в более мощных системах ветроколесо вместе с хвостом принимает вертикальное положение. Аккумулятор выполняет роль буфера, сглаживающего колебания выходной мощности генератора. Преобразование постоянного напряжения 12 В в переменное 220 В осуществляется инвертором. Светодиодный светильник можно питать от 12 В без инвертора, напрямую, что удешевляет устройство и упрощает его эксплуатацию.
Наиболее подходящими для использования в ветрогенераторах являются так называемые гелевые аккумуляторы (в литературе их часто ошибочно называют гелиевыми, что неверно, поскольку названы они в связи с использованием в них геля, а не газа гелия). Принцип работы гелевых аккумуляторов аналогичен хорошо известным свинцово-кислотным аккумуляторам, только вместо жидкого электролита используется гель. В результате аккумулятор не требует обслуживания, а, именно, периодического подливания дистиллированной воды. Срок службы гелевого аккумулятора достигает 12 лет. Он способен работать при температурах до -40C.
Стоимость оборудования
Ветрогенератор с номинальной мощностью 300 Вт стоит в России около 20000 руб, 1 кВт - 40000 руб. Кветряку и электрогенератору с контроллером, потребуется еще и гелевый аккумулятор емкостью 120 Ач, стоимость которого составляет около 20000 руб. Итого, , при выходном напряжении 12 В стоимость комплекта оборудования будет около 48000 руб. Для подачи в нагрузку переменного тока с напряжением 220 В потребуется инвертор стоимостью около 10000 руб.
Для сравнения, солнечная батарея мощностью 0,3 кВт с контроллером стоит около 45000 руб, 1 кВт - около 150000 руб. Расходы на аккумулятор и инвертер будут теми же.
Отсюда следует вывод, что стоимость оборудования в пересчете на 1 Вт мощности у ветрогенератора значительно ниже, чем у солнечной батареи. Поэтому основной упор должен делаться на ветряк, а солнечные батареи должны обеспечивать минимальную мощность для подзарядки аккумулятора в период длительного штиля.
Вандалоустойчивость
Поскольку фонари с ветрогенераторами зачастую устанавливаются в удаленных местах, встает вопрос вандалоустойчивости. Проще говоря, что произойдет, если хулиганы или злоумышленники закидают устройство камнями. Сравним по этому параметру солнечную батарею мощностью 430 Вт и комбинацию ветряк 300 Вт + солнечная батарея 130 Вт.
Стоимость солнечной батареи 430 Вт составляет около 64000 руб. Она состоит из 2 - 4 отдельных модулей. При попадании камня большого размера (такого, который разбивает защитное стекло) в модуль он выходит из строя и подлежит замене. В наихудшем варианте все модули выходят из строя, т.е. ущерб составит те самые 64000 руб.
При «обстреле» камнями ветряка у него могут сломаться или погнуться лопасти. Даже если испорчена одна лопасть, придется менять и другие, поскольку лопасти должны быть из одного комплекта, чтобы при вращении не возникало биений. Комплект новых лопастей для 300-ваттного ветрогенератора стоит около 6000 руб. Солнечная батарея на 130 Вт стоит около 17000 руб. Итого максимальный ущерб, который могут принести хулиганы, составит 23000 руб. То есть ветряк значительно превосходит по вандалоустойчивости солнечные батареи.
Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
