О калькуляторе ветротурбины
Этот калькулятор ветротурбины помогает оценить выходную мощность (power output), доход (revenue) и крутящий момент (torque) для турбин двух типов: с горизонтальной осью (HAWT) и вертикальной осью (VAWT). Достаточно ввести несколько базовых параметров, чтобы оценить эффективность и потенциальную выручку.
Чем отличаются HAWT и VAWT?
HAWT (Horizontal-Axis)
В HAWT лопасти вращаются вокруг горизонтальной оси. Это самый распространённый тип onshore турбин: их ставят на холмах и в ветреных местах, но также широко используют offshore.
Advantages:
- выше эффективность
- технология более “зрелая”
- лучше работают при сильном ветре
Drawbacks:
- переменная нагрузка на лопасти
- генератор расположен высоко над землёй
- дорогие ремонт и обслуживание
VAWT (Vertical-Axis)
VAWT вращаются вокруг вертикальной оси. Они встречаются реже, чем HAWT, но имеют свои преимущества.
Advantages:
- генератор на уровне земли
- проще обслуживание
- работают при ветре с любого направления
- обычно тише
Drawbacks:
- обычно ниже эффективность
- может потребоваться растяжка (guy wires) для устойчивости
- технология менее распространена
Как рассчитать мощность ветротурбины?
Чтобы оценить мощность, нужно найти две величины: доступную мощность ветра (available wind power) и эффективность турбины. Их произведение даёт оценку выходной мощности.
Шаг 1: Sweep area турбины
Перед расчётом мощности ветра определите swept area по формулам:
For HAWT:
A = π × L²
где L — длина лопасти (радиус турбины)
For VAWT:
A = D × H
где D — диаметр, а H — высота турбины
Шаг 2: Available wind power
Зная swept area, найдите available wind power по формуле:
Pwind = 0.5 × ρ × v³ × A
где:
- A — sweep area
- ρ — плотность воздуха (по умолчанию 1.225 kg/m³)
- v — скорость ветра (типичный рабочий диапазон ~3-25 m/s)
- Pwind — доступная мощность ветра
Шаг 3: эффективность турбины
Общую эффективность можно оценить так:
μ = (1-km) × (1-ke) × (1-ke,t) × (1-kt) × (1-kw) × Cp
где:
- Cp — эффективность турбины (ниже Betz limit 59.3%, обычно 30-40%)
- kw — wake losses из‑за соседних турбин и рельефа (обычно 3-10%)
- km — механические потери лопастей и gearbox (обычно 0-0.3%)
- ke — электрические потери турбины (обычно 1-1.5%)
- ke,t — потери при передаче в сеть (обычно 3-10%)
- kt — доля времени простоя из‑за поломок/обслуживания (обычно 2-3%)
- μ — реальная эффективность
Шаг 4: выходная мощность
Чтобы получить мощность турбины, умножьте эффективность на доступную мощность ветра:
Poutput = μ × Pwind
Выручка от генерации
Если вам нужна оценка revenue, она в основном зависит от electricity tariff — то есть сколько вы получаете за 1 kWh. Тогда расчёт простой:
revenue = tariff × Poutput
Какой torque у HAWT/VAWT?
Torque (сила, вызывающая вращение лопастей) можно вычислить через tip speed ratio (TSR). Формула:
τ = Poutput / (RPM × 30/π)
Чтобы посчитать обороты в минуту:
For HAWT:
RPM = 60 × v × TSR / (π × 2 × L)
For VAWT:
RPM = 60 × v × TSR / (π × D)
Как работают ветротурбины?
Ветротурбины превращают кинетическую энергию ветра в электричество. Упрощённо процесс выглядит так:
- Ветер обтекает лопасти, возникает подъёмная сила (lift), и лопасти начинают вращаться.
- Вал ротора передаёт вращение на генератор.
- Генератор за счёт электромагнитной индукции вырабатывает электричество.
- Энергия передаётся по кабелям вниз по башне.
- Далее через подключение к сети (grid connection) выполняются нужные преобразования напряжения и распределение на потребителей.
Выработка в зависимости от мощности
Ветротурбина может вырабатывать примерно 1.8-90 kWh в сутки — в зависимости от мощности и размера. В таблице — ориентиры для разных мощностей:
| Wind Turbine Capacity | Daily Output | Monthly Output | Yearly Output |
|---|---|---|---|
| 100 W | 1.8 kWh | 54 kWh | 657 kWh |
| 200 W | 3.6 kWh | 108 kWh | 1,314 kWh |
| 300 W | 5.4 kWh | 162 kWh | 1,971 kWh |
| 400 W | 7.2 kWh | 216 kWh | 2,628 kWh |
| 500 W | 9 kWh | 270 kWh | 3,285 kWh |
| 1,000 W (1 kW) | 18 kWh | 540 kWh | 6,570 kWh |
| 3,000 W (3 kW) | 54 kWh | 1,620 kWh | 19,710 kWh |
| 5,000 W (5 kW) | 90 kWh | 2,700 kWh | 32,850 kWh |
Какая турбина нужна для дома?
Обычно одной 5-15 kilowatt wind turbine достаточно, чтобы обеспечить дом электричеством. Но всё зависит от потребления и набора электрических устройств.
Средний дом в США потребляет около 877 kWh в месяц или ~10,500 kWh в год. Турбина 5 kW при capacity factor 80% произведёт примерно 35,000 kWh в год — этого достаточно для большинства домов.
Стоимость ветротурбин
Ориентировочная структура затрат
- Small Residential Turbines (5-15 kW): $15,000 - $75,000
- Commercial Turbines (100 kW): $200,000 - $500,000
- Utility Scale Turbines (2-3 MW): $2,000,000 - $4,000,000
- Annual Maintenance: 1.5-3% of initial cost ($50,000+ for large turbines)
- Installation: 10-20% от стоимости турбины
Скорость ветра: что важно
| Wind Speed (m/s) | Wind Speed (mph) | Описание | Работа турбины |
|---|---|---|---|
| 0-3 | 0-7 | Лёгкий ветер | Ниже cut-in speed |
| 3-5 | 7-11 | Слабый ветер | Начинает генерировать |
| 5-10 | 11-22 | Умеренный ветер | Хорошая генерация |
| 10-15 | 22-34 | Свежий ветер | Оптимальная генерация |
| 15-20 | 34-45 | Сильный ветер | Высокая мощность |
| 20-25 | 45-56 | Очень сильный ветер | Почти rated power |
| 25+ | 56+ | Шторм | Cut-out speed (отключение) |
Betz Limit
The Betz Limit — фундаментальный принцип ветроэнергетики. Он говорит, что никакая турбина не может “снять” более 59.3% кинетической энергии ветра. Этот теоретический максимум вывел немецкий физик Albert Betz в 1919 году.
На практике большинство современных турбин достигают 30-40%, а лучшие конструкции — 45-50%. Остальная энергия теряется из‑за:
- аэродинамического сопротивления (drag) лопастей
- wake effects и турбулентности
- механического трения в gearbox и подшипниках
- электрических потерь в генераторе и преобразовании энергии
Что влияет на производительность
- Wind Speed: мощность растёт пропорционально кубу скорости (v³)
- Blade Design: длинные лопасти “снимают” больше энергии, но требуют более прочных материалов
- Hub Height: более высокая башня даёт доступ к более сильным и стабильным ветрам
- Air Density: зависит от высоты, температуры и влажности
- Terrain: рельеф влияет на поток и турбулентность
- Wake Effects: турбины “в тени” по ветру получают меньше энергии
- Maintenance: регулярное обслуживание поддерживает оптимальную работу
Note: калькулятор даёт теоретическую оценку для идеальных условий. Реальная производительность зависит от ветрового режима, рельефа, качества монтажа и обслуживания. Для точной оценки конкретной площадки консультируйтесь со специалистами по ветроэнергетике.