Как определить необходимую мощность ветрогенератора (ВЕУ)

Чтобы правильно подобрать необходимую мощность систем с ВЭУ, необходимо понять основные различия между выработанной энергией, потребляемой и аккумулируемой как резерв. Но прежде чем говорить об устройстве, принципах установки и функционирования ВЭУ, стоит обратить внимание на три основные величины, которые имеют решающее значение при выборе элементов системы:

1) выходная мощность (Р, кВт) определяется только мощностью преобразователя и не зависит от скорости ветра и освещенности ФМ, емкости АБ;
2) время непрерывной работы (t, час) при отсутствии ветра/солнца определяется только емкостью АБ (А*ч) и зависит от величины и характера нагрузки и режимов работы. Для примера, в 4-х полностью заряженных АБ емкостью 200А*ч запасается 7-8кВт*ч электроэнергии, что при постоянной нагрузке 1кВт обеспечивает непрерывную работу 7-8 часов;
3) выработка электроэнергии (W, кВт*час) определяется реальным ветропотенциалом, высотой мачты, рельефом местности, солнечной освещенностью и расположением ФМ и, обычно, указывается за усредненный промежуток времени, например, месяц, т. к. дневная или, тем более, часовая выработка будет носить выборочный, случайный характер.

Т. к. одну и ту же задачу по мощности, выработке с различными вариантами резервирования можно решить различным набором элементов системы, то нужно определиться с понятиями (лучше в количественном выражении): 1) мощность преобразователя (это первое, что определяется заказчиком исходя из его нагрузки);
2) мощность генерирования. Это величины главные, но по физической сути — мгновенные, т. е. без увязки со временем. Следующие по порядку определения (выбора):
3) выработка (энергия генерирования);
4) энергия резервирования (временной запас в аккумуляторных батареях с учетом мощности нагрузки) являются более важными при расчете автономных систем.

Между величинами 1, 2, 3, 4 нет прямой связи, однако есть полученные опытным путем типовые системы или детально выбранный вместе с заказчиком оптимальный вариант для конкретного использования.
Как показывает практика, многие потребители путают понятия «мощность оборудования», которое измеряется в ваттах или киловаттах, и «производство электроэнергии этим оборудованием», которое равняется количеству произведенной энергии в единицу времени — Вт час, кВт час. Реальную стоимость имеют именно киловатт-часы, за которые потребитель платит деньги. Кроме того, опыт эксплуатации ВЭУ показал, что заказчики, как правило, не учитывают график распределения нагрузок на протяжении суток, а просто суммируют мощность потребителей в доме (электрооборудование и бытовая техника). Отсюда делается ошибочный вывод, что мощности системы с ВЭУ в 1,5 кВт недостаточно, хотя после расчетов, а особенно эксплуатации, становится очевидным, что месячное энергопотребление вполне покрывается возможностями стандартной ветроэнергетической установки, предназначенной для электроснабжения индивидуального дома и хозяйства.

Например, производимая в Украине система с ВЭУ-08 мощностью 1,5 кВт способна выдавать в условиях Киевской области (далеко не самый благоприятный в отношении ветропотенциала регион Украины) летом до 100 кВт час в месяц, а в зимне-весенний сезон — свыше 200 кВт час, что соответствует энергопотреблению среднестатистической украинской семьей (100-300 кВт час в месяц). В местностях, где наблюдается значительный ветропотенциал (например, в степи или на возвышенности), или при условии применения мачты большей высоты производство электроэнергии возрастает в 1,5-2 раза, причем шумовое влияние уменьшается.

ПОЧЕМУ ВСЕ-ТАКИ ВЭУ?​

В чем состоит преимущество электроснабжения с помощью ветроустановки?
Например, прокладка ЛЭП предусматривает выполнение проектных работ, включая разработку технических условий на подключение, приобретение и снабжение всего оборудования (столбы, провода, счетчики и т. д. ), а также строительно-монтажных и пусконаладочных работ. В результате километр такой воздушной ЛЭП обойдется заказчику иногда до 50 000 гривен за 1 км, а со временем и больше, если принять во внимание вероятность вреда, который могут причинить вандалы.
Энергоснабжение от бензиновых и дизельных электростанций меньше страдает от актов вандализма и стоит дешевле. Однако оно связано со значительным и эксплуатационными затратами и проблемами с доставкой и хранением топлива.
При этом ВЭУ выгодно отличаются от энергогенерирующих установок, работа которых базируется на использовании двигателей внутреннего сгорания, прежде всего с точки зрения: — экологичности — в атмосферу не выбрасываются вредные вещества; — комфортности — шум от работы ВЭУ значительно ниже, чем от ДВС; — эксплуатации и технического обслуживания — отпадает потребность в постоянном обеспечении топливом, а также в постоянной замене масла и фильтров; — мгновенное (до 20 мсек) переключение при пропадании сети. Кроме того, необходимость в текущем ремонте ВЭУ (замена подшипников, аккумуляторных батарей, реже — лопастей возникает не чаще, чем раз в 5-6 лет в течение всего срока эксплуатации. Для бензиновой же мини-электростанции капитальный ремонт означает как минимум замену поршневой группы, расточку коленвала, гильз и т. д. При ежедневной 8-часовой эксплуатации такой ремонт рекомендуется осуществлять каждые 20 месяцев, что соответствует 5000 часам даже для лучших образцов ведущих мировых производителей.

КАК РАБОТАЕТ ВЕТРОГЕНЕРАТОР?​

Ветер дует и вращает ветроколесо, генератор вырабатывает электроэнергию. Но это еще не тот стабильный ток с напряжением 220 В и частотой 50 Гц, который необходим для работы современного домашнего электрооборудования и бытовых приборов. Поскольку скорость ветра все время меняется, меняется и частота вращения ветроколеса, и генератор выдает напряжение от 0 до 56 В с различной частотой. Эта «грязная», или «грубая», электроэнергия, выработанная ветрогенератором, поступает на аккумуляторные батареи (АБ), которые входят в состав ветроэнергетической системы и обеспечивает бесперебойность ее работы. АБ позволяют запасать электроэнергию в период сильных ветров и отдавать ее потребителям при слабом ветре или его отсутствии. Но аккумуляторы выдают постоянный ток, поэтому в комплект ветроэлектростанции входит еще один прибор — инвертор (преобразователь), назначение которого — преобразовать постоянный ток в переменный 220В/50Гц.
Известно, что ВЭУ в Украине, в зависимости от места установки, может работать 20-30% от общего количества дней в году с номинальным генерированием мощности. Остальное время она работает преимущественно либо с недогрузкой, либо вообще пребывает в простое. Поэтому нельзя полагаться только на ветер, тем более, что один кВт установленной мощности стоит от 1000 до 3000 долларов США, в зависимости от назначения установки. Если потребитель имеет энергоемкие устройства, которые включают редко и на непродолжительное время, — целесообразнее установить ВЭУ, которая будет работать со стабильной нагрузкой. А пиковые нагрузки будут покрывать посредством бензинового или дизельного генератора большой мощности, которые работают только ограниченное время (т. е. на «пиковые» нагрузки).
Недостаточность электроэнергии летом, если такое случится, легко компенсировать при помощи солнечных фотоэлектрических панелей. Тем более что зимой и даже в пасмурные дни они все равно способны генерировать весьма ощутимое количество электроэнергии. Благодаря этому АБ будет гарантированно подзаряжаться даже во время длительного отсутствия ветра. В случае использования комплексных ветросолнечных систем предусматривается более плавное среднегодовое покрытие нагрузок, так как ветер доминирует в осенне-зимний период, а солнце — в весенне-летний, а также увеличение среднесуточной (среднемесячной) выработки энергии за счет увеличения вероятности одновременной работы двух независимых источников энергии. Таким образом, при работе двух источников с одним блоком управления и преобразования относительная стоимость системы в целом снижается и, как следствие, уменьшается удельная себестоимость выработки одного киловатт*часа электроэнергии.
Подзарядку АБ может обеспечить и обычная электросеть, если существует возможность подключения. Вариант совместной работы ветроустановки и сети имеет дополнительные преимущества. Известно, что пригороды интенсивно застраиваются. Возводимые сегодня коттеджи, как правило, укомплектованы разнообразной бытовой техникой и аппаратурой. В связи с этим нагрузки на существующие трансформаторные подстанции, не рассчитанные на современных потребителей, резко возросли и вследствие этого напряжение в электросети падает иногда до 130 В. Бытовая техника (котлы, стиральные машины, насосы, телерадиоприборы), особенно импортного производства, к таким условиям работы не приспособлена и отказывается работать, более того — выходит из строя. Поэтому для жизненно важных устройств обычно рекомендуется использовать однофазные стабилизаторы напряжения.
Однако стабилизация напряжения не снимает проблемы гарантированного энергоснабжения потребителей из-за отключения сети или ее отсутствия. В этом случае в автономных системах энергоснабжения используют инверторно-аккумуляторные системы, состоящие из источника бесперебойного питания (ИБП) и аккумуляторных батарей, которые заряжаются от сети или бензиновых или дизельных генераторов. В автономной энергосистеме на основе ВЭУ в случае отключения существующей сети ИБП будет исправно работать в режиме резервного источника даже без использования в это время самой ВЭУ. Стоит уточнить, что речь идет не о тех источниках бесперебойного питания с вмонтированными АБ для компьютерных систем, которые рассчитаны на работу в течение нескольких минут при этом имеют, к сожалению, несинусоидальную форму выходного сигнала, что не пригодно для бытовых приборов, а о более мощных силовых устройствах с выносными АБ большой емкости, а поэтому и с более длительным сроком автономного/резервного энергообеспечения. Последний определяется емкостью АБ и мощностью подключенного напряжения. Установка ВЭУ и солнечных фотоэлектрических панелей даст возможность заряжать ИБП.

УСТРОЙСТВО И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ВЭУ​

Принцип работы и технические параметры ветроэнергетических установок малой мощности можно рассмотреть на примере упоминавшейся выше ВЭУ-08 — разработки Харьковского авиационного института (ЧП МИР ВЕТРА)
В типовой состав системы энергообеспечения нагрузок 220В/50Гц на основе ВЭУ-08 входят следующие компоненты: — головка, куда входит тихоходный генератор на постоянных магнитах (Nd-Fe-Ba), выпрямитель, механический тормоз, поворотное устройство и трехлопастный ротор с центробежным регулятором угловой скорости, — вырабатывает «грубую» электроэнергию с нестабильными параметрами, зависящими от скорости ветра. На ВЭУ-08 применена аэромеханическая система стабилизации частоты вращения ветротурбины, позволяющая эксплуатировать ее в широком диапазоне скоростей ветра. Тихоходный генератор на постоянных магнитах прямо приводится турбиной. Отсутствие мультипликатора и системы возбуждения генератора обеспечивает высокий ресурс ветроустановки;
— фотоэлектрический модуль (солнечная батарея) — опциональный компонент, вырабатывающий дополнительную «грубую» энергию.
Повышает надежность энергообеспечения и суммарную выработку энергии;
— аккумуляторная батарея (АБ) — накопитель энергии для согласования графиков выработки и потребления энергии. Применяется кислотная АБ с номинальным напряжением 24 В и рекомендуемой емкостью 190 АЧ.
— источник бесперебойного питания (ИБП) — устройство, согласующее между собой указанные выше компоненты, нагрузку и внешнюю сеть 220 В. Заряжает АБ от ВЭУ, ФЭМ и внешней сети 220 В. Преобразует накопленную в АБ энергию в стабилизированные 220 В/50 Гц с синусоидальной формой с номинальной мощностью до 1,5 кВт. Автоматически коммутирует нагрузку на питание от внешней сети 220 В или от преобразователя. Отображает параметры системы на цифровом индикаторе;
— мачта — служит для установки головки на высоте 11-17м, на которой ветровой поток не затеняется препятствиями и имеет достаточную скорость. Устанавливается на фундаменте без растяжек. Отчуждаемая при этом площадь земли — круг диаметром 2,9 м.
ВЭУ-08 дает возможность гарантированно получать электроэнергию переменного напряжения со стабильными параметрами однофазной сети для питания компьютеров, телевизоров, аудио— и видеотехники, осветительных приборов, систем автоматики и циркуляционных помп отопительных систем, холодильников и т. д.
Источниками энергии выступают:
— ветроустановка и фотоэлементы — в случае отсутствия электроэнергии;
— энергосеть — во время безветренной погоды и разряженной аккумуляторной батареи;
— аккумуляторная батарея — в случае отсутствия и ветра и питания в энергосети на протяжении времени, которое определяется емкостью батареи.
Опыт свидетельствует, что одинаковых технических решений почти не бывает. У каждого заказчика существуют свои нюансы как по поводу привязки к местности, так и по поводу состава оборудования.

 

Re: КАК ОПРЕДЕЛИТЬ НЕОБХОДИМУЮ МОЩНОСТЬ ВЕТРОГЕНЕРАТОРА (ВЕУ)

На мой взгляд - это вполне достаточная энергетическая установка для индивидуального дома.