Ветрогенераторы для яхт

Для владельцев парусных яхт ветрогенератор – это естественный и понятный способ увеличения электрической мощности. Он используют туже энергию,  что движет парусное судно, а технология, лежащая в основе его работы, надежна и хорошо изучена. Поэтому несмотря на растущую популярность гидрогенераторов и появление все более эффективных солнечных панелей, автономные ветрогенераторы по-прежнему широко распространены на яхтах.

Преимущества и недостатки ветрогенераторов

Для зарядки тяговых аккумуляторов от береговой электрической сети на яхте устанавливают комбинированный инвертор или  зарядное устройство. В межсезонье с этой задачей справляется небольшая солнечная панель. Ветряную турбину имеет смысл использовать, когда требуется дополнительный мощный источник зарядки, который будет работать на яхте совместно с солнечными батареями или гидрогенератором.

Яхтенные ветрогенераторы – это небольшие устройства относительно малой мощности. Однако вырабатываемой ими энергии достаточно, чтобы в течении суток зарядить 12-вольтовую аккумуляторную батарею емкостью 800 ампер-часов.  Плюс ветрогенератора в том, что он производит электрическую энергию практически постоянно — во время движения и на якорной стоянке, в солнечные и в пасмурные дни. Ветрогенератор не требует технического обслуживания, ремонта и дополнительного оборудования для запуска.

Модель	D400	Superwind 350	Rutland 1200

Но существуют и минусы. Яхтенные маршруты, проложенные по ветру отнимают у генератора часть его мощности. А поскольку энергия ветра зависит от третьей степени его скорости, то с уменьшением скорости, мощность ветрогенератора стремительно падает. Например, при реальной скорости ветра 20 узлов, для яхты идущей по ветру со скоростью 8 узлов наблюдаемая скорость ветра составит всего 12 узлов. При ветре 20 узлов большинство моделей малых ветрогенераторов вырабатывают около 200 Вт, а при 12 узлах мощность опускается до 40-50 Вт. Зависимость мощности турбины от скорости ветра необходимо учитывать и при планировании стоянок. Порты и якорные стоянки привлекают владельцев яхт именно потому, что обеспечивают защиту от стихии, значит скорость ветра там ниже, чем прогнозируется на расстоянии от берега.

Все небольшие ветрогенераторы имеют примерно одинаковую максимальная мощность — от 400 до 600 Вт. Однако более важная характеристика – это ток, отдаваемый турбиной при слабом ветре. Ведь именно с ним большинство владельцев яхт хотят иметь дело во время своих путешествий. Поэтому производительность ветрогенератора при относительной скорости ветра 12 или 20 узлов гораздо лучший показателем его зарядной способности

Кроме того, кривые мощности, которые приводят производители ветрогенераторов основаны на результатах испытания плавным, постоянным воздушным потоком в аэродинамической трубе. Реальные результаты могут оказаться гораздо ниже. Поэтому там где требуется гарантированно высокая мощность владельцы предпочитают устанавливать две турбины и подключать их параллельного через один регулятор.

Как установить ветрогенератор на яхте

Чтобы получить от ветрогенератора максимальную выходную мощность, необходимо выполнить два условия. Во-первых, конструкция на которой установлена турбина должна быть как можно более устойчивой, иначе любая качка или крен будут отворачивает ее от ветра. Во-вторых, ветрогенератору нужен свободный, ровный и гладкий воздушный поток

В какой-то степени эти два требования противоречат друг другу. Скорость ветра на мачте может быть на 50 процентов выше, чем на уровне моря, поэтому чем выше вы поднимите ветрогенератор, тем больше энергии вы получите. С другой стороны турбина, ее крепление и кабельная разводка весят 20-30 кг. Такой дополнительный вес на движущейся яхте увеличивает маятниковый эффект, а значит возрастают тангаж и крен и снижается общая устойчивость

Существует множество успешных установок ветрогенераторов на мачтах. Однако для большинства владельцев яхт устанавливать турбину рекомендуется поверх кокпита. Там ее проще монтировать и обслуживать, а если возникнет неисправность, и другие способы торможения выйдут из строя, устройство можно будет отключить вручную.

Падение напряжения в кабеле существенно влияет на общую производительность системы зарядки. При установке турбины внизу кабель от нее до аккумуляторов окажется гораздо короче, а значит его сечение можно выбрать меньше и это не увеличит потери энергии .

Контроллер заряда ветрогенератора

На первый взгляд сохранение полученной электрической энергии в аккумуляторе  — это самая простая часть ветряной энергоустановки. Однако единого способа решения этой задачи среди производителей не существует и каждый из них придерживается собственных подходов.

Английская компания Marlec, использует MPPT регулятор. MPPT контроллеры получили распространение благодаря солнечным источникам энергии, у которых они повысили выходную мощность на целых 30 процентов. Контроллер регулирует напряжение генератора так, чтобы в каждый момент времени мощность установки была максимальной. Для снижения скорости турбины Marlec применяет широтно-импульсную модуляцию. Когда заряд аккумуляторной батареи приближается к 100% и ей требуется меньше энергии ШИМ-регулятор замыкает обмотки все более длинными импульсами, создавая растущий тормозной момент.

Создатель ветрогенератора D400 Петер Андерсен из компании Eclectic Energy придерживается другого подхода. Он считает, что обеспечить структурированный выходной сигнал на основе такого входа как у ветряных турбин нельзя. Более того исследование показывают, что общая производительность системы с MPPT контроллером не возрастает, а иногда наоборот снижается.

Другие производители также считают, что MPPT регулятор не добавляет достоинств небольшой ветряной турбине с правильно спроектированным и оптимизированным для низких скоростей ветра генератором. Преимущества, достигаемые благодаря эффективности генератора, сводятся на нет потерями в электронике MPPT. Однако PWM регулятор  позволяет заряжать аккумулятор до 100 процентов, поскольку обеспечивает аккумулятор именно тем током, который батарея может принять на каждой стадии зарядки.

Некоторые производители вместо MPPT контроллера, устанавливают на выходе генератора DC-DC конвертер. Конвертер повышает выходное напряжение генератора и позволяет заряжать аккумуляторы при слабом ветре (скоростью менее 2 м /с ). Ветрогенераторы с DС-DС преобразователями начинают зарядку аккумуляторов при выходном напряжении от 2 вольт и обеспечивают зарядную мощность  3 — 5 Вт. Такие устройства подходят для заряда аккумуляторов на защищенных от ветра стоянках, однако дополнительное количество энергии, получаемое от них, не велико.

Многие намеренно не используют технологии MPPT или PWM, считая простоту и надежность ключевыми достоинствами своих изделий. Если турбины работают совместно с солнечными батареями, то ветрогенератор реализует этап быстрой зарядки, а до 100% аккумуляторы заряжают солнечные панели . Дополнительная электроника в этом случае лишь увеличивает сложность и повышает стоимость изделий

Дополнительно с внешним, часто используют разгрузочный регулятор. Его добавляют, чтобы контролировать мощность, поступающую от турбины. Когда заряженность аккумулятора возрастает, избыток энергии отводят через резистор, рассеивающий тепло. С таким регулятором турбина всегда работает при полной нагрузке, а ее лопасти вращаются с оптимальной частотой.

Системы имеющие только встроенный «регулятор» турбины, лучше не использовать. Такой регулятор представляет собой электронный тормоз, срабатывающий, когда напряжение аккумулятора поднялось слишком высоко, а турбина продолжает выдавать много энергии. После остановки генератора напряжение аккумулятора падает и регулятор перезапускает генератор вновь. Если аккумуляторов почти заряжен, то происходит многократная остановка и повторный запуск ветрогенератора. Этот метод регулирование далек от того, который нужен аккумуляторной батарее — по мере увеличения заряженности ток должен плавно понижаться.

Лопасти ветрогенератора

Конструкция лопастей турбины – это еще одна область в которой модели разных производителей отличаются друг от друга. Лопасть во время вращения подвергается тем же воздействиям, что и  крыло самолета. Однако в их работе существуют и небольшие отличия. Если у лопастей постоянный шаг, то их оптимальный режим работы достигается при одной заданной скорости вращения. Значит у слишком быстро или слишком медленно вращающейся турбины эффективность снижается

Немецкая компания Superwind выпускает ветрогенераторы с изменяемым шагом, величина которого зависит от скорости вращения. Чем быстрее вращается турбина, тем больше лопасти поворачиваются вокруг своей оси и сильнее замедляют вращение. Компания утверждает, что эта система реагирует очень быстро и может защитить систему в случае отказа электронного торможения.

Лопасти – основная причина шума и вибрации, исходящих от ветрогенератора. Если скорость вращения кончиков слишком высока, то обтекающий их поток воздуха становится нестабильным, возникает турбулентность и лопасти начинают вибрировать. Известен случай, когда лопасти установленного на яхте ветрогенератора издавали такой вой на высоких скоростях вращения, что соседние лодки были вынуждены покинуть якорную стоянку.

Существует специальный коэффициент (TSR), характеризующий во сколько раз кончик лопатки турбины движется быстрее, чем реальная скорость ветра. Например, если турбина имеет TSR равный 16 — при ветре в 20 узлов концы лопасти будут двигаться со скоростью 320 узлов, а при небольшом шторме их скорость приблизится к скорости звука. Для ветрогенератора D400 производитель указывает TSR всего 3,9. Это говорит о том, что турбина спроектирована для гораздо более медленного вращения, чем модели других производителей. D400 не самый легкий ветрогенератор, вес только чистой меди в его обмотках почти 1 кг. Но его преимущество в устойчивости, надежности и относительно низких оборотах вращения

Некоторые производители указывают для своих машин максимальную скорость ветра. Однако к этой характеристике следует относится с недоверием. В ветровом потоке наиболее разрушительным является  уровень турбулентности, а его нельзя не предсказать, ни легко измерить.

Мощность ветрогенератора

Перед установкой любого электрогенерирующего оборудования на яхте, в первую очередь считают потребление энергии. Расход вычисляют как для якорной стоянки, так и для движения под парусом. В результате появляется подобие некоторого энергетического бюджета, в котором перечислены как очевидные крупные потребители, такие как холодильники, дисплеи, водонагреватели и освещение, так и менее мощные устройства — ночные навигационные огни, насосы, газовые сигнализации, мониторы двигателей, развлекательные системы.

Для подруливающего устройства или электрической лебедки предусматривают дополнительный запас мощности. Если на яхте установлен кондиционер, маловероятно, что возобновляемые источники энергии удовлетворят его потребности. В этом случае лучше подумать о дизельном генераторе или топливных элементах.

После того как расход энергии подсчитан, оценивают стиль управления яхтой. Необходимо принять во внимание регулярную среднюю скорость на маршруте и понять двигается ли яхта чаще всего против ветра, или ей всегда сопутствует попутный? Дополнительно учитывают другие генерирующие мощности, установленные на борту — солнечные панели, гидрогенератор и DC-DC зарядное устройство, работающее от генератора дизельного двигателя.