Navrhování elektřiny společně: O výběru větrného generátoru

K zahřívání naší planety Sluncem dochází nerovnoměrně, v důsledku toho se vytvářejí zóny s různým tlakem vzduchu a v důsledku toho se mezi nimi pohybuje vzduch. Proudění vzduchu je tvořeno větry, za jejich minimální rychlost se považuje 0,6 m/s – rychlosti větru pod touto rychlostí jsou považovány za klidné. Pro výrobu elektřiny pomocí větrné energie na konstantní bázi je zapotřebí pohyb vzduchu rychlostí 3 m/s, ideálně asi 6-10 m/s, ale ne více než 25 m/s.

Množství elektřiny vyrobené větrným generátorem roste úměrně s rychlostí větru – když se zdvojnásobí, rotor větrného kola dostane osmkrát více kinetické energie.

Rychlost větru přímo ovlivňuje několik faktorů:

• výška nad zemí. Čím blíže jsou toky atmosférických plynů k povrchu Země, tím vyšší je stupeň tření o něj. V rovinatých oblastech se rychlost větru zvyšuje o 12 % s dvojnásobným nárůstem výšky;
• roční období. Většina oblastí naší planety se vyznačuje změnami intenzity větru v závislosti na ročním období. Vítr fouká v zimě zpravidla vyšší rychlostí než v létě;
• terén. Kopce umístěné na rovných plochách jsou nejvhodnější pro umístění větrného generátoru – zde budou rychlosti větru mnohem vyšší než na rovině.

Je třeba vzít v úvahu, že ne ve všech případech umístění větrné turbíny na kopec nebo horský hřeben zaručí její maximální výkon. Kopce tvoří zónu vysokého tlaku a ustupují z nich do určité vzdálenosti. Strmé a nerovné svahy mohou způsobit víření vzduchu (turbulence), které odříznou proudění vzduchu z vrcholu kopce – v této situaci je instalace větrného generátoru na něj nesmyslná.

V nejlidnatějších oblastech Ruska jsou zdroje větru nízké – průměrná roční rychlost větru nepřesahuje 5 m/s, což znamená, že síla proudění větru je malá. S přihlédnutím ke dnům úplného klidu zde budou větrné generátory pracovat s dostatečnou produktivitou maximálně 182 dní v roce, tzn. pouze v polovině kalendářního roku.

Konstantní větry v Rusku jsou přítomny pouze v oblastech přiléhajících k velkým vodním nádržím – mořím a jezerům. Velké vodní plochy absorbují sluneční teplo pomaleji než pobřežní země kvůli vyšší tepelné kapacitě vody. Ohřátý vzduch stoupá nad pevninu a vytváří zónu vysokého tlaku. To způsobuje rozdíl tlaků mezi vzduchovými hmotami nad mořem (jezerem) a pobřežím, což způsobuje vánek vanoucí z nádrže během dne – vítr, jehož rychlost obvykle nepřesahuje 5 m/s. V noci je situace opačná – země se ochlazuje rychleji než vodní masy, nad nádrží se vytvoří pásmo vysokého tlaku a vzduch ze země se řítí do vodní nádrže. Rychlost kontinentálního a mořského vánku je úměrně závislá na teplotním rozdílu mezi vzduchovými hmotami nad vodní plochou a pevninou. I přes relativně nízkou rychlost vánků je jejich výhodou stabilita.

Podle mapy větrných zdrojů jsou z pohledu větrné energie nejvýnosnější pobřeží Tichého a Severního ledového oceánu, ale vzhledem k malému počtu sídel je umístění větrných instalací v těchto oblastech značně obtížné. . V obydlených oblastech je největší potenciál větrné energie na pobřeží podél obvodu Finského zálivu a Ladožského zálivu, v Krasnodaru a Rostovské oblasti a také v oblasti Vladivostoku. Větrná růžice a jejich síla slibuje poměrně vysokou produktivitu větrných turbín v Archangelské a Murmanské oblasti.

Průměrná rychlost větru – jak ji určit?

Než začnete hledat větrný generátor, který je vhodný pro cenu a výkon, měli byste si zjistit, jaké jsou větrné zdroje v dané oblasti. Existují dva způsoby, jak určit průměrnou roční rychlost větru – na základě údajů z místní meteorologické služby a pomocí mini meteostanice.

Meteorologové mají tendenci zprůměrovat data za určité časové období, což jim neumožňuje posoudit sezónní potenciál větru ani denní změny intenzity větru. Vzhledem k tomu, že rychlost větru závisí na místní krajině, může dojít k výrazným rozdílům v jeho údajích i při posunutí anemometru o několik desítek metrů a ještě více na vzdálenost větší než 2 km. Výška, ve které meteorologové odečítají, je obvykle 10 m, a jak jsme již zjistili výše, rychlost větru roste s výškou a pokud má být gondola větrného generátoru instalována nad nebo pod desetimetrovou hranicí, pak se spolehnout. průměrné meteorologické údaje při výběru výkonu větrné turbíny by neměly.

Maximální přesnosti měření větrných zdrojů je dosaženo pouze pomocí miniaturní (přenosné) meteostanice. Měření se provádí přímo na místě budoucí instalace větrného generátoru a je možné současně měřit rychlost větru v několika oblastech a výškách pro výběr nejvhodnější polohy.
Mezi nevýhody této metody patří délka doby měření a cena pořízení meteostanice. Pro získání co nejpřesnějších dat o větrné energii je nutné odečítat údaje z mini meteostanice po dobu jednoho měsíce, ideálně za celý kalendářní rok. Rychlosti větru v zimních a jarních měsících jsou nejvyšší, ale zaměřit se při výběru větrné turbíny pouze na ně je chyba, protože taková větrná turbína nebude fungovat s méně silným větrem v teplém období. Náklady na digitální přenosnou meteorologickou stanici vybavenou třemi externími rádiovými senzory budou asi 9000 XNUMX rublů.

Proč potřebujete znát průměrnou rychlost větru? Modely větrných generátorů jsou navrženy pro určitý rozsah rychlostí – pokud je intenzita větru nižší než vypočítaná, větrné kolo se neroztočí, pokud je vyšší, jeho lopatky se zlomí.

Výběr výkonu větrné turbíny

Je důležité zvážit účel využití větrného mlýna – zda ​​slouží jako hlavní nebo pomocný zdroj elektrické energie.
Větrná turbína vybavená povinným regulátorem a střídačem může být použita v následujících energetických systémech:

• autonomní, napájené bateriemi (UPS);
• autonomní, na baterie a záložní generátor (benzín, nafta nebo plyn);
• pomocné, dodávající elektřinu spolu s napájením z centrální energetické sítě.

Pokud je větrná turbína jediným dodavatelem elektřiny, pak by její výkonové charakteristiky měly být určeny na základě dvou výchozích parametrů – průměrné roční rychlosti větru a průměrné denní spotřeby elektřiny. Pro každý model větrné turbíny sestaví výrobci plán výroby energie v závislosti na rychlosti větru.

O typech invertorů a UPS si podrobně povíme v příštím článku, ale zatím se krátce zamyslíme nad zásadami jejich výběru. Celková kapacita baterií musí odpovídat režimu spotřeby a střídač musí mít dostatečný výkon, aby zvládl špičkové zatížení. Příklad výpočtu:

• mořské pobřeží, průměrná rychlost větru 6 m/s. Rodina – manžel, manželka a syn – přijíždí každý víkend do malého venkovského domu u moře. Domácí elektrospotřebiče pracují dva dny v týdnu, maximální denní spotřeba energie je 15 kW/h, nejvyšší špičkové zatížení 3 kW. V souladu s tím se měsíčně spotřebuje 120 kW/h (15 kW/h násobeno 8 dny volna v měsíci). Při průměrné roční rychlosti větru 6 m/s bude měsíční potřebu elektřiny zajišťovat větrný generátor o výkonu 700 W (15000 (W) ÷ 24 (hod) = 625 ≈ 700 W). Budete potřebovat dostatečně velkou baterii, kterou lze plně nabít do 5 dnů z větrné turbíny o jmenovitém výkonu, a 3 kW měnič, který dokáže kompenzovat špičkové zatížení.

Autonomní napájení z větrné turbíny vybavené bateriemi, se záložním elektrickým generátorem využívajícím neobnovitelnou primární energii. Záložní generátor umožní osvobodit energetický systém od rozmarů větru a špičkového zatížení, zatímco větrný generátor bude sloužit jako hlavní dodavatel elektřiny. Větrný mlýn nabíjí UPS, která napájí spotřební systém. Při nedostatku větrné energie (bezvětří), který se kryje s vysokou spotřebou, a také při nedostatečném nabití baterií se aktivuje záložní elektrocentrála. Vezměte prosím na vědomí, že benzinový, plynový nebo naftový generátor bude pracovat na doplnění náboje v UPS, což mu umožní pracovat na maximální výkon. Jakmile se baterie nabijí, nebo se opět zvýší rychlost větru, záložní elektrocentrála přestane fungovat.

Centrální elektrická síť v provincii je náchylná k poruchám a nedostatečné kapacitě a náklady na dodávanou elektřinu mohou být neúnosné. Paralelně připojená větrná turbína do sítě umožní kompenzovat nedostatek energie, stabilizovat zatížení sítě a snížit náklady na platby za kilowatty přijaté z centrální sítě, a to bez použití baterií. Jedinou podmínkou je, že potřebujete synchronní měnič. Pokud větrný generátor vyrábí nadměrné množství elektřiny, jejíž objem převyšuje potřeby spotřebitelů, jde její přebytek do centrální sítě. A pokud je produktivita větrné turbíny nedostatečná, nedostatek vyrovná elektrická síť.

Výkon větrné turbíny (výkon)

Při výběru modelu větrného generátoru pro potřeby energetického systému byste měli věnovat pozornost jeho výkonu v závislosti na průměrné rychlosti větru v oblasti, kde bude větrná turbína instalována. Nemá smysl volit model, jehož maximální výkon je dosahován při rychlostech např. 10 m/s v oblasti, kde vítr vane průměrnou rychlostí 5 m/s. Externě bude výkonný větrný mlýn stát mnohonásobně více, ale jeho výkon bude výrazně nižší než u méně produktivních modelů, ale určených pro parametry střední rychlosti větru.

Závislost výkonu větrného generátoru na průměru rotoru (větrného kola)

Čím větší je průměr kola tvořeného lopatkami, tím vyšší je výkon větrné turbíny. Lze ji vypočítat pomocí vzorce D2•V3÷7000, kde D je průměr větrného kola, V je rychlost větru, rozsah chyby je plus/minus 20 %. Rotor o průměru 2 metry při rychlosti větru 5 m/s je tedy schopen generovat přibližně 0,07 kW elektřiny. Ale již při průměru 4 metry bude výkon větrného generátoru při rychlosti větru 5 m/s asi 0,28 kW. V souladu s tím, při stejném instalovaném výkonu deklarovaném výrobci pro dva modely větrných turbín, bude výkon vyšší u té, jejíž větrné kolo má větší průměr.

Kolik lopatek (křídel) by měl mít rotor?

Větrné generátory s nejmenším počtem křídel mají maximální účinnost – tzn. s jednou čepelí a protizávažím. Při nízkých rychlostech větru však není snadné takový rotor roztočit, takže optimální počet lopatek je dva nebo tři.

Stožár pro větrný generátor

Gondola větrné turbíny s nízkým výkonem se zpravidla tyčí nad úrovní terénu do výšky 10–20 m Hlavním kritériem v této věci je typ terénu, přítomnost vegetace a výška budov:

• 10m vysoký stožár je vhodný pro otevřené plochy;
• stožár vysoký 15 m – pro umístění na místě, v jehož blízkosti jsou jednopatrové budovy a nízké stromy;
• Stožár vysoký 20 m je navržen tak, aby zvedl větrný generátor nad překážky pohybu větru v podobě vysokých stromů a dvoupatrových domů.
• Větrné turbíny o výkonu do 1,5 kW se obvykle montují na stožáry vysoké až 12 m – vyšší stojany vážně prodražují větrnou elektrárnu.

Existují tři typy kovových stožárů pro větrné turbíny:

• upevnění na kotevních drátech je nejlepší volbou, a to jak z hlediska nákladů, tak i výkonových charakteristik. Nevýhoda: vyžaduje prostor pro vedení napínacích kabelů;
• otočně-sklopné, kotvené – podtyp stožárů prvního typu, umožňuje opakované sestupy a výstupy gondoly na principu „studničního jeřábu“, což usnadňuje údržbu větrného mlýna a jeho ochranu během hurikánů;
• volně stojící, připevněný k betonovému základu bez vyztužení – odolává vysokému zatížení větrem a zabírá minimální prostor, ale bude dražší než ostatní.

Ceny a výrobci větrných generátorů

V Rusku jsou asi dvě desítky firem zabývajících se sériovou výrobou větrných turbín. Mezi ně patří hlavní město OJSC MMZ „Forward“, Centrum vědeckého výzkumu CJSC „Vindek“, LLC „Sapsan-Energia“, SKB „Atik“, NPO „Electrosphere“ (St. Petersburg), LLC „Electroveter“ (Safonovo, Smolensk region .), CJSC NPO Vetrotekhnika (Volgograd), LLC LMV Company Větrná energie“ (Chabarovsk).

Výrobní podniky zpravidla oznamují ceny za samotnou větrnou turbínu – gondolu vybavenou větrným kolem, generátorem a v některých případech i regulátorem. Náklady na kompletní sadu včetně stožáru, baterií požadované kapacity a střídače budou dvakrát až čtyřikrát vyšší než cena samotného větrného generátoru. V průměru stojí větrná turbína s instalovaným výkonem 0,5 kW při rychlosti větru 6 m/s 41000 73000 rublů, plně vybavená – od 90000 XNUMX do XNUMX XNUMX rublů. (cena závisí na zvoleném výkonu měniče a typu UPS).

Záruční doba na větrné generátory se v závislosti na výrobci pohybuje od jednoho do tří let.

Na konci

Doba návratnosti větrného generátoru závisí na zdrojích větru a produktivitě samotné instalace. Například výše diskutovaná větrná turbína produkuje 0,5 kW při průměrné roční rychlosti větru 6 m/s, tzn. ideálně za den – 12 kW, za měsíc – 360 kW a za rok – 4320 kW. Ale ve skutečnosti bude naše větrná turbína za rok vyrábět elektřinu pouze 70 % času, protože asi 30 % spotřebuje během hodin klidu nebo nízké rychlosti větru. Ve skutečnosti tedy vyrobí asi 3000 10 kW ročně a za 10 let provozu (při ročním provozu bude větrný generátor správně fungovat 20–30000 let) – 10 140000 kW. Vezmeme-li v úvahu kompletní sadu nejvyšší úrovně, náklady na instalaci, údržbu a jednorázovou výměnu UPS, budou náklady na větrnou elektrárnu za 140000 let asi 30000 4,6 rublů. Vydělením XNUMX XNUMX XNUMX XNUMX dostaneme náklady na kilowatt za desetiletou životnost větrné turbíny – XNUMX rublů, což přibližně odpovídá moderním cenám za kilowatt z centrální elektrické sítě.

Pokud je ale průměrná rychlost větru 8 m/s, pak se produktivita našeho větrného mlýna zvýší na jeden kW, což znamená, že za 10 let bude jeho výkon přibližně 60000 2,3 kW a v důsledku toho se náklady na kilowatt budou rovnat na XNUMX rublů.
Větrná elektrárna je efektivní, pokud není přístup k síťovému napájení a její organizace je nemožná nebo by stála značnou částku. A pokud vezmeme v úvahu nevyhnutelné zdražení elektřiny, pak se pořízení autonomního zdroje za předpokladu dostatku větrných zdrojů může ukázat jako docela výhodné.

Následující článek doplňuje sérii materiálů „Autonomní napájení pro venkovský dům“. Bude hovořit o bateriích a invertorech pro alternativní napájecí systémy, o výpočtu energetických potřeb pro váš domov a také o způsobech, jak minimalizovat náklady na energii.

Větrná elektrárna (WPP).. Hlavní parametry větrných generátorů.. Nominální výkon.. Odhadovaná rychlost větru.. Účinnost generátoru.. Faktor využití větrné energie.. Výpočet elektrické zátěže.. Roční spotřeba energie.. Anemometr.. Kapacita baterie.. Rychlost nabíjení baterie.. Odhad požadovaného výkonu větrné elektrárny.. Maximální odhadovaná zátěž.. Ekonomická proveditelnost použití větrné elektrárny.

Podle odborníků, Větrná energie nebude nikdy levnější než energie z tradičních zdrojů – tepelných, jaderných nebo vodních elektráren. Důvodem jsou velké jednorázové náklady na vybavení a práce na instalaci, seřízení a údržbě větrných elektráren. Proto má smysl používat větrné elektrárny k zásobování domácnosti elektřinou, když není možnost připojení k externím elektrickým sítím. V tomto případě se musíte rozhodnout, který způsob získávání alternativní energie je ve vašem konkrétním případě vhodný.

Se vší rozmanitostí návrhy a modely větrných elektráren mají jedno společné: vysokou cenu. Abyste se vyhnuli zbytečným výdajům při nákupu, neměli byste se spoléhat pouze na informace od prodejců a prodejních poradců. Předtím se musíte seznámit s charakteristikami vyráběných elektráren, určit vaši potřebu elektřiny, klimatické vlastnosti vaší oblasti. Jak na to? Zkusme na to přijít.

Hlavní parametry větrných turbín

● Jmenovitý výkon větrného generátoru — užitečný výkon, který může dodat při vypočtené rychlosti větru;
● Odhadovaná rychlost větru — rychlost větru, při které je větrný generátor schopen produkovat deklarovaný jmenovitý výkon;
● Množství elektřiny vyrobené za hodinu — jeden z hlavních parametrů větrných generátorů, který musí být porovnáván s maximálním zatížením za stejnou dobu.

Nominální výkon jsou často mylně považovány za hlavní faktor při nákupu nebo srovnávání schopností větrných turbín mezi sebou. Skutečný výkon generovaný větrnými turbínami se však vždy liší od jmenovitého výkonu a může se neustále měnit v závislosti na aktuální rychlosti větru. Kromě toho není zátěž připojena přímo k větrnému generátoru. Neméně důležitý je proto výkon měniče napětí (invertoru) a kapacita baterií, které musí zajistit energii ve dnech bez větru.
Jmenovitý výkon větrného generátoru přímo závisí na průměru jeho rotoru (kvadrát) a odhadované rychlosti větru (krychlový). Při nákupu větrných generátorů lze jejich jmenovité výkony porovnávat pouze tehdy, pokud je odhadovaná rychlost větru stejná. Je také nutné vzít v úvahu průměry rotorů porovnávaných větrných turbín.

Pro přehlednost, porovnejme horizontální větrný generátor s deklarovaným jmenovitým výkonem 1 kW při vypočtené rychlosti větru 12 m/s a větrný generátor o jmenovitém výkonu 500 W, generovaný při rychlosti větru 9 m/s.
Zdá se zřejmé, že první z nich je silnější, pokud neznáte nebo nepřehlédnete odhadovanou rychlost větru, při které je udávaného výkonu dosaženo. Ve skutečnosti jednoduchý výpočet ukazuje, že při rychlosti větru 9 m/s větrný generátor s deklarovaným výkonem 1 kW nevyrobí více než 420 W, zatímco druhý při stejné rychlosti větru 9 m/s 500 W, resp. Rozdíl je zřejmý. Zvláště pokud jsou ceny větrných turbín přibližně stejné. Podobnou kontrolu lze provést pomocí vzorce:

P = ξ * D 2 * V 3 * η gen (W), kde:

Р – jmenovitý výkon větrného generátoru;
D – průměr otáčení rotoru (m);
V – rychlost větru (m/s);
ξ – koeficient využití větrné energie (0,4 ÷ 0,5),
η gen – Účinnost generátoru (0,8-0,9).

Definice výchozích dat

Odhadnout požadovaný výkon větrného generátoru Musíte znát spotřebu energie vašeho zařízení. Aby to bylo provedeno, a výpočet elektrických zátěží. Pro stanovení roční spotřeby energie potřebujete také znát dobu trvání maximální spotřeby zátěže. Kapacita větrné elektrárny se musí vypočítat pro maximální zatížení, pokud dům není připojen k vnější síti. Pokud je obtížné vypočítat dobu trvání maximální spotřeby zatížení, můžete použít referenční materiály, například „Pokyny pro návrh městských elektrických sítí RD 34.20.185-94“.

Roční spotřeba elektřiny se určí vynásobením maximálního projektovaného výkonu ročním počtem hodin maximální spotřeby zátěže.

Bude vaše větrná turbína nákladově efektivní? – závisí především na aktivitě větru ve vaší oblasti. Průměrná roční rychlost větru 4.0-4.5 m/s je minimum pro to, aby byl větrný generátor ekonomicky životaschopný. Pro analýzu aktivity větru se můžete obrátit na místní meteorologickou stanici, kde si můžete prohlédnout archiv údajů o síle větru. Existuje také mnoho webových stránek, které obsahují větrné mapy pro Rusko a další země. Existují webové stránky, kde jsou meteorologické stanice zveřejňovány online: například registrací na webu gdeduet.ru, budete moci přijímat data o rychlosti větru ve vaší oblasti v reálném čase.
Pro přesnější a nezávislejší posouzení větru (přímo na místě instalace větrného generátoru) je lepší zakoupit speciální zařízení na měření rychlosti větru. Na trhu je široká škála možností, od jednoduchých anemometrů až po složitější a dražší digitální zařízení. Používají také anemometr, ale data jsou vedena do počítače ke zpracování a uložení.
Znalost objektivní průměrné roční rychlosti větru vám umožní správně odhadnout požadovaný výkon větrné turbíny.

Nutno podotknout, že při slabém větru Větrné turbíny se sice točí, ale téměř nic neprodukují a ve dnech bez větru stojí na místě. Počet baterií nebo jejich celkovou kapacitu by proto měly být počítány s ohledem na dny bez větru a nejlépe s rezervou, protože olověné baterie nemají rády hluboké vybíjení. Za větrného dne (6-8 m/s) musí být baterie nabity a rychlost nabíjení baterie nesmí být nižší než odhadovaná spotřeba elektřiny za jednotku času (kW*hodina). Nezbytné rychlost nabíjení baterie musí poskytovat větrný generátor s odpovídajícím výkonem.

Odhad požadovaného výkonu větrné turbíny

Zdrojová data:

● Maximální konstrukční zatížení – 2,8 kW;
● Počet hodin maximální spotřeby zátěže za rok – 2500 (doporučená hodnota pro soukromý rezidenční sektor);
● Průměrná roční rychlost větru – 8 m/s;
● Koeficient využití větrné energie (ξ) – 0,4
● Účinnost generátoru (η gen) – 0,8

Zjišťujeme roční spotřebu elektřiny: 2800 W * 2500 h = 7000000 XNUMX W*h

Požadovaná rychlost nabíjení baterie: 7000000/12/30/24 = 810 W*h

Požadovaný jmenovitý výkon větrného generátoru: 810/0,4*0,8 = 2530 W*h

S našimi výchozími podmínkami tedy bude vyhovovat větrný generátor o jmenovitém výkonu 3 kW (s dostatečnou rezervou).

Je třeba poznamenatže tento způsob hodnocení je přibližný z důvodu subjektivního výběru některých údajů. Pokud jsou však počáteční parametry správně určeny, umožňuje vám vybrat větrný generátor s nominálním výkonem blízkým skutečnému a vyhnout se neoprávněným výdajům.
V regionech s nízkou průměrnou roční rychlostí větru (3-4 m/sec) vyvstává přirozená otázka o ekonomické proveditelnosti použití větrné turbíny.

Při nákupu Je nutné pečlivě prostudovat technické vlastnosti větrných elektráren a věnovat pozornost rychlosti větru, při které je poskytován stanovený výkon. Pokud je průměrná roční rychlost větru ve vaší oblasti nižší, pak z větrného generátoru nedostanete výkon uvedený v pasu. Bude to výrazně méně (výkon je úměrný rychlosti větru na kostky).
Je také nutné dbát na minimální rychlost větru, při které se lopatky větrného generátoru začnou pohybovat. Přednost by měla být dána těm modelům, u kterých je rychlost rozběhu rotoru minimální.

Viz také: