Як працює вітрогенератор і комплектуючі до вітряків?



Зміст розділу :


  1. Компоненти вітроустановки
  2. Комплектація наших вітроустановок
  3. Підбір вітряка
  4. Приклади підбору компонентів установки
  5. Схеми роботи вітрогенератора

1. Компоненти вітроустановки


До основних компонентів системи, без яких робота вітряка неможлива, відносять наступні елементи:

  1. Генератор - потрібний для заряду акумуляторних батарей. Від його потужності залежить як швидко заряджатимуться ваші акумулятори. Генератор потрібний для вироблення змінного струму. Сила струму і напруга генератора залежить від швидкості і стабільності вітру.
  2. Лопаті - приводять в рух вал генератора завдяки кінетичній енергії вітру.
  3. Щогла - зазвичай, чим вище щогла, тим стабільніше і сильніше сила вітру. Звідси слідує - чим вище щогла, тим вища продуктивність генератора. Щогли бувають різних форм і висот.

Список додаткових необхідних компонентів :

  1. Контролер - керує багатьма процесами вітроустановки, такими, як поворот лопатей, заряд акумуляторів, захисні функції та ін. Він перетворює змінний струм, який виробляється генератором в постійний для заряду акумуляторних батарей.
  2. Акумуляторні батареї - накопичують електроенергію для використання в безвітряні години. Також вони вирівнюють і стабілізують напругу, що виходить, з генератора. Завдяки ним ви отримуєте стабільну напругу без перебоїв навіть при поривчастому вітрі. Живлення вашого об'єкту йде від акумуляторних батарей.
  3. Анемоскоп і датчик напряму вітру - відповідають за збір даних про швидкість і напрям вітру в установках середньої і великої потужності.
  4. АВР - автоматичний перемикач джерела живлення. Робить автоматичне перемикання між декількома джерелами електроживлення за проміжок в 0,5 секунд при зникненні основного джерела. Дозволяє об'єднати вітроустановку, громадську електромережу, дизель-генератор і інші джерела живлення в єдину автоматизовану систему. Увага: АВР не дозволяє живити об'єкт одночасно від двох різних джерел живлення!
  5. Інвертор - перетворює струм з постійного, який накопичується в акумуляторних батареях, в змінний, який споживає більшість електроприладів.
Інвертори бувають чотирьох типів:
  1. Модифікована синусоїда - перетворює струм в змінний з напругою 220В з модифікованою синусоїдою (ще одна назва: квадратна синусоїда). Придатний тільки для устаткування, яке не чутливе до якості напруги, : освітлення, обігрів, заряд пристроїв і тому подібне
  2. Чиста синусоїда - перетворює струм в змінний з напругою 220В з чистою синусоїдою. Придатний для будь-якого типу електроприладів : електродвигуни, медичне устаткування та ін.
  3. Трифазний - перетворює струм в трифазний з напругою 380В. Можна використовувати для трифазного устаткування.
  4. Мережевий - на відміну від попередніх типів дозволяє системі працювати без акумуляторних батарей, але його можна використовувати тільки для виведення електроенергії в громадську електромережу. Їх вартість, зазвичай, у декілька разів перевищує вартість немережевих інверторів. Іноді вони коштують дорожче, ніж усі інші компоненти вітроустановки разом узяті.



2. Комплектація наших вітроустановок


У комплект наших вітроенергетичних установок входить:

  1. Турбіна
  2. Щогла (не входить в комплект EuroWind 300L)
  3. Лопаті
  4. Кріплення
  5. Троси щогли
  6. Поворотний механізм (тільки з вітрогенераторами EuroWind 3 і потужніші)
  7. Контролер
  8. Анемоскоп і датчик вітру (тільки з вітрогенераторами EuroWind 3 і потужніші)
  9. Хвіст (тільки з вітрогенераторами EuroWind 2 і меншої потужності)

Акумулятори, інвертор і додатково устаткування підбираються індивідуально і в базову комплектацію не входять. Незалежно від комплектації вітрогенератор завжди автоматично позиціонується за вітром.

Компоненти вітрогенератора
Комплектуючі вітрогенератора EuroWind 10


3. Підбір вітряка


Перше питання, на яке Ви повинні дати відповідь і який допоможе вам відповісти на інші питання, : Для чого Вам потрібний вітрогенератор і які завдання він повинен виконувати?

Відповівши на головне питання, Ви можете без проблем відповісти на інші питання і вирішити який набір устаткування Вам потрібний і скільки це коштуватиме.

Отже, три основні величини, які визначають роботу усього комплексу :

  1. Вихідна потужність вітроустановки (кВт)визначається тільки потужністю перетворювача (інвертора) і не залежить від швидкості вітру, ємкості акумуляторів. Ще її називають "піковим навантаженням". Цей параметр визначає максимальну кількість електроприладів, які можуть бути одночасно підключені до вашої системи. Ви не зможете одночасно споживати більше електроенергії, чим дозволяє потужність вашого інвертора. Якщо ви споживаєте електроенергію рідко, але у великих кількостях, то звернете увагу на потужніші інвертори. Для збільшення вихідної потужності можливе одночасне підключення декількох інверторів.
  2. Час безперервної роботи за відсутності вітру або при слабкому вітрі визначається ємкістю акумуляторних батарей (А.год або кВт) і залежить від потужності і тривалості споживання. Якщо ви споживаєте електроенергію рідко, але у великих кількостях, зверніть увагу на акумулятори з великою ємкістю.
  3. Швидкість заряду акумуляторних батарей (кВт/год) залежить від потужності самого генератора. Також цей показник прямо залежить від швидкості вітру, а побічно від висоти щогли і рельєфу місцевості. Чим потужніший Ваш генератор, тим швидше заряджатимуться акумуляторні батареї, а це означає, що ви зможете швидше споживати електроенергію з батарей і у великих об'ємах. Потужніший генератор слід брати у тому випадку, якщо вітри в місці установки слабкі або ви споживаєте електроенергію постійно, але в невеликих кількостях. Для збільшення швидкості заряду акумуляторів можлива установка декількох генераторів одночасно і підключення їх до однієї акумуляторної батареї.

Виходячи з перелічених вище чинників, для підбору вітрогенератора і супроводжуючого устаткування Вам необхідно відповісти на три питання:

  1. Кількість електроенергії, необхідна Вашому об'єкту щомісячно (вимірюється в кіловатах). Ці дані потрібні для підбору генератора. Їх можна узяти з комунальних рахунків на оплату електроенергії або розрахувати самостійно, якщо об'єкт знаходиться у стадії будівництва.
  2. Бажаний час автономної роботи Вашої енергосистеми у безвітряні періоди або періоди, коли Ваше споживання енергії з акумуляторів перевищуватиме швидкість зарядки акумуляторних батарей генератором. Цей параметр визначає кількість і ємкість акумуляторних батарей.
  3. Максимальне навантаження на Вашу мережу в пікові моменти (вимірюється в кіловатах). Необхідно для підбору інвертора змінного струму.



4. Приклади підбору компонентів установки


Розглянемо декілька загальних прикладів підбору устаткування вітроустановки. Точніший розрахунок може бути зроблений нашими фахівцями і включає значно більше необхідних деталей.

Приклад розрахунку вітряка №1

Описання:

Приватний будинок в Київській області знаходиться у стадії будівництва. За попередніми розрахунками мешканці будинку споживатимуть не більше 300-400 кВт електроенергії щомісячно. Витрати електроенергії не дуже високі, оскільки господар використовуватиме для опалювання і нагріву води твердопаливний котел, а вітрогенератор потрібний тільки для повного забезпечення побутових приладів електроенергією.

Господар проводить основну частину дня на роботі, а пік споживання електроенергії припадає на ранішні і вечірні години. У цей момент можуть бути включені електроприлади сумарною потужністю до 4 кВт.

Будинок знаходиться на піднесеності і є відкритий простір навколо майбутнього місця установки вітрогенератора.

Громадської електромережі немає.

Задача:

Повністю забезпечити 300-400 кВт електроенергії щомісячно з піковими навантаженнями до 4 кВт.

Рішення:

Генератор:

Щоб зрозуміти як швидко повинні заражатися акумулятори при витраті електроенергії 400 кВт в місяць, ми повинні розділити 400 кВт/мес на 30 днів (отримаємо щоденне споживання), а потім отримане число розділити на 24 години (400/30/24 = 0,56 кВт/година - середнє щогодинне споживання). Швидкість заряду акумуляторних батарей генератором повинна скласти як мінімум 560 Втв годині

У Київській області низька середньорічна швидкість вітру, але відкритий простір і підвищення об'єкту дозволить вітрогенератору працювати як мінімум на 30-40% від номінальної потужності. Для точніших показників можна зробити вимір швидкості вітру в місці установки.

Для того, щоб забезпечити заряд акумуляторних батарей генератором за цих умов із швидкістю 560 Втв годину, треба узяти генератор, номінальна потужність якого буде як мінімум в три рази більше за необхідну, оскільки генератор працюватиме усього на 30-35% від номінальної потужності (560Вт/ч*3=1680Вт/ч). Для цих потреб нам підходить генератор EuroWind 2 з номінальною потужністю 2000 Ватів.

Акумулятори:

Проводячи 8-9 годин на роботі в буденні дні, господарі відсутні, і енергоспоживання їх будинку зведене до мінімуму. У нічний час споживання також зведене до мінімуму. Основне споживання відбувається уранці і увечері. Між цими основними списами існує інтервал у 8-9 годині.

При середньому рівні заряду акумуляторних батарей 560 Вт/ч за інтервал 8-9 годин вітровий генератор зможе виробити близько 5000 Ватів. У вітряні дні цей показник може збільшитися як мінімум в два рази, тому за той же період часу може бути вироблені 10000 Втелектроенергії.

Генератор EuroWind 2 має напругу 120 Вольт, тому йому потрібно 10 акумуляторів з напругою 12 Вольт (12В*10=120В). Одна акумуляторна батарея 12В 100Ач здатна зберегти до 1,2 кВт електроенергії. Десять таких батарей можуть зберегти до 12 кВт (1200Вт*10=12000Вт). Для запасу 10000 Втелектроенергії нам чудово підійдуть 10 акумуляторних батарей 12В з місткістю 100Ач.

Інвертор:

Для максимального споживання електроенергії в пікові моменти до 4 кВт, можна встановити інвертор 5 кВА. Він зможе забезпечити постійне навантаження 4 кВт і пускові струми до 6 кВт (150% навантаження). Таблицю сумісності інверторів ви знайдете в розділі Інвертори.

Додаткове устаткування:

АВР в даному випадку не потрібний, оскільки немає основної мережі, а комутацію з дизельним генератором (чи бензиновим) можна робити за допомогою перекидного рубильника.

А ось дизельний генератор на 5 кВт в нашому випадку не перешкодить - його можна використовувати як резервне живлення при повній відсутності вітру.

РАЗОМ:

Для повного енергозабезпечення об'єкту нам потрібний генератор EuroWind 2, 10 акумуляторних батарей 12В з місткістю 100Ач, інвертор 5 кВА, дизельна електростанція на 5 кВт.


Приклад розрахунку вітряка №2

Описання:

Невеликий готель на 8 номерів разом з рестораном розташовані на трасі у відкритому полі. Середньорічна швидкість вітру в місці установки була заміряна заздалегідь і складає 6,8 м/с. Витрати електроенергії на побутові прилади і освітлення складають 60 кВт на один номер в місяць і близько 2500 кВт в місяць на ресторан. Ресторан і готель обігріваються, кондиціонують і круглий рік забезпечують себе гарячою водою за допомогою трифазного геотермального теплонасоса инверторного типу потужністю 14 кВт. Споживання електроенергії цього теплонасоса складає 3,5 кВт/година, а пускові струми - всього 2,8 кВт.

Невеликий готель на 8 номерів разом з рестораном розташовані на трасі у відкритому полі. Середньорічна швидкість вітру в місці установки була заміряна заздалегідь і складає 6,8 м/с. Витрати В ресторані і готелі використовуються енергозбережні лампи для освітлення. Пікове навантаження при використанні електроприладів і освітлення об'єкту складає близько 7,5 кВт (не рахуючи 3,5 кВт теплонасоса).

Є громадська електромережа, але вона не може забезпечити потреби, оскільки виділена лінія потужністю тільки 4 кВт. Велику потужність не може забезпечити місцева підстанція.

Задача:

Повне забезпечення об'єкту незалежною електроенергією, опалюванням і резервним живленням від основної мережі.

Рішення:

Генератор:

Щомісячна витрата електроенергії на зміст номерів складе 60 кВт * 8 номерів = 480 кВт в місяць. Загальна витрата електроенергії на зміст готелю і ресторану без урахування опалювання складе 2980 кВт в місяць (480 кВт 2500 кВт = 2980 кВт). Звідси витікає, що середнє щогодинне споживання на усі електроприлади і освітлення без урахування обігріву складе 4,14 кВт/година (2980 кВт / 30 днів / 24 години = 4,14 кВт/година). До цього числа необхідно додати 3,5 кВт/година, які споживатиме теплонасос. У результаті ми отримуємо, що генератор повинен забезпечувати нас як мінімум 7,64 кіловатами електроенергії щогодини (4,14 кВт/година 3,5 кВт/година = 7,64 кВт/година).

Середньорічна швидкість вітру 6,8 м/с дозволяє генератору працювати як мінімум на 40% від номінальної потужності. Звідси витікає, що номінальна потужність генератора повинна складати як мінімум 19,1 кВт/година (7,64 кВт/година / 40% = 19,1 кВт/година)

Для цих цілей чудово підійшов би генератор EuroWind 20, але він розрахований на вищі середні швидкості вітру, як і інші потужні генератори (EuroWind 15, 20, 30, 50). Тому ми віддамо перевагу двом генераторам EuroWind 10, які працюватимуть в одній системі, замість одного генератора EuroWind 20. Тим паче, що вільне місце для установки вітрогенератора в даному випадку не критично - є вільна площа навколо готелю і ресторану.

Акумулятори:

У цьому комплексі практично відсутні великі перерви у використанні електроенергії, а постійні вітри підтримують рівномірний рівень заряду акумуляторів.

В цьому випадку потрібні акумулятори, які будуть своєрідним "буфером" між генератором і інвертором. Їх головне завдання полягатиме в стабілізації і випрямленні напруги, а не накопиченні електроенергії.

Генератор EuroWind 10 має напругу 240 Вольт, тому йому потрібно 20 акумуляторів з напругою 12 Вольт (12В*20=240В). Одна акумуляторна батарея 12В 150Ач здатна зберегти до 1,8 кВт електроенергії. Двадцять таких батарей можуть зберегти до 36 кВт (1800Вт*20=36000Вт). Запасу електроенергії в 36 кВт повинно вистачити усьому комплексу майже на 5 годин безперервної роботи при середньому навантаженні при повній відсутності вітру. Для цього нам підійдуть 20 акумуляторних батарей 12В з місткістю 150Ач.

Інвертор:

Для максимального споживання електроенергії в пікові моменти до 7,5 кВт, можна встановити інвертор 10 кВА. Він зможе забезпечити постійне навантаження 8 кВт і пускові струми до 12 кВт (150% навантаження).

А для забезпечення теплонасоса потужністю 3,5 кВт нам потрібний трифазний інвертор, оскільки цей теплонасос вимагає трифазний струм з напругою 380В. В цьому випадку візьмемо ще один інвертор - трифазний 5 кВА, який забезпечить нас напругою 380В і постійною потужністю 4 кВт.

Додаткове устаткування:

Можна встановити АВР, який автоматично перемикатиме живлення готелю і ресторану з вітрогенератора на громадську електромережу у разі повного безвітря і розряду акумуляторних батарей. Середнє споживання готелю і ресторану (4,14 кВт) практично дорівнює потужності громадської лінії електропередач, яка була виділена об'єкту (4 кВт), тому резервне живлення буде забезпечено.

Для резервного забезпечення теплового насоса можна встановити трифазну бензинову або дизельну електростанцію потужністю 3,5 4 кВт, оскільки громадська електромережа не зможе забезпечити трифазний струм для резервного живлення теплонасоса.

РАЗОМ:

Для повного енергозабезпечення цього об'єкту нам потрібні два генератор EuroWind 10, 20 акумуляторних батарей 12В з місткістю 150Ач, однофазний інвертор 10 кВА, трифазний інвертор 5 кВА, АВР, бензинова або дизельна електростанція на 3,5-4 кВт.



5. Схеми роботи вітрогенератора


Приводимо декілька популярних схем роботи вітрогенераторних систем із споживачем. Це усього лише деякі приклади, тому можливі і інші схеми роботи. У кожному випадку складається індивідуальний проект, який здатний вирішити поставлене перед нами завдання.

Автономне забезпечення об'єкту (з акумуляторами)
Автономне забезпечення об'єкту (з акумуляторами).
Об'єкт живиться тільки від вітроенергетичної установки.


Вітрогенератор (з акумуляторами) і комутація з мережею
Вітрогенератор (з акумуляторами) і комутація з мережею.
АВР дозволяє перемкнути живлення об'єкту за відсутності вітру і повному розряді акумуляторів на електромережу. Ця ж схема може використовуватися і навпаки - вітрогенератор, як резервне джерело живлення. В цьому випадку АВР перемикає вас на акумуляторні батареї вітрогенератора при втрати живлення від електромережі.


Вітрогенератор (з акумуляторами) і резервний дизель-(бензо-)генератор
Вітрогенератор (з акумуляторами) і резервний дизель-(бензо-)генератор.
У разі відсутності вітру і розряді акумуляторних батарей відбувається автоматичний запуск резервного генератора.


Вітрогенератор (без акумуляторів) і комутація з мережею
Вітрогенератор (без акумуляторів) і комутація з мережею.
Громадська електромережа використовується замість акумуляторних батарей - в неї йде уся вироблена електроенергія і з неї споживається. Ви платите тільки за різницю між виробленою і спожитою електроенергією. Така схема роботи поки що не дозволена в Україні і в багатьох інших країнах.


Гібридна автономна система - сонце-вітер
Гібридна автономна система - сонце-вітер
Можливе підключення сонячних фотомодулів до вітрогенераторної системи через гібридний контроллер або за допомогою окремого контролера для сонячних систем.


Збільшення продуктивності системи
Збільшення продуктивності системи.
Можливо встановити два і більше генератори, інвертори і комплект акумуляторів для збільшення потужності системи.

Також можливі інші схеми роботи і комутації вітрогенераторів.