28 и 29 октября. Проблемы экологии в контексте цифровой трансформации общества... Архитектура. Инженерия. Цифровизация. Экология» пройдет в...


Ветрогенераторы

Использование ветроустановки для автономного энергоснабжения маломощного объекта.

Зуев Н. В. (Санкт-Петербургский Государственный Аграрный Университет)
Существует два основных варианта автономного энергоснабжения:Первый вариант – использование дизель-электрической или бензино-электрической станции (ДЭС или БЭС). Второй вариант - использование возобновляющихся (нетрадиционных) источников энергии. Преимущества возобновляющихся энергоисточников по сравнению с ДЭС (БЭС) следующие:
  • Экологическая чистота.
  • Функционируют без потребления топлива.
  • Малая шумность или полная бесшумность работы.
  • Автономность работы.

Вместе с тем возобновляющиеся энергоисточники обладают следующими недостатками:
  • Возможные перебои в энергоснабжении из-за непостоянства энергетических ресурсов и, как следствие, необходимость аккумулирования энергии.
  • Высокая стоимость за 1кВт установленной мощности.

    Среди энергоустановок использующие возобновляющиеся энергоисточники самое широкое распространение нашли ветроэнергетические установки (ВЭУ), фотоэлектрические панели (ФЭП) и микро ГЭС. Все перечисленные энергоисточники могут производить электрическую энергию.

    Для автономного электроснабжения в российских условиях наиболее перспективны ВЭУ в силу следующих причин.

  • Стоимость 1кВт установленной мощности намного ниже, чем у ФЭП, сравнима с микро ГЭС.
  • Ветровые ресурсы по сравнению с солнечными распределены достаточно равномерно в течение года и в течение дня.
  • По сравнению с микро ГЭС, ВЭУ можно разместить недалеко от объекта энергоснабжения, в то время как расположение микро ГЭС привязано к реке.
  • По сравнению с ФЭП производство ВЭУ не требует высокотехнологического оборудования, и поэтому большинство элементов ВЭУ можно выпускать на любом машиностроительном предприятии или изготовить собственными силами.

    Наиболее расширенная схема энергоустановки с ВЭУ:

    ВЭУ заряжает аккумуляторную батарею (АБ).Для преобразования трехфазного напряжения ВЭУ в постоянное имеется выпрямитель. Инвертор преобразует энергию, запасенную в АБ, в высококачественное однофазное напряжение 220В/50Гц. Непосредственно к АБ подключаются потребители постоянного напряжения. Для получения ряда напряжений постоянного тока (12/24/48В) имеются делители напряжения. К инвертору подключаются потребители стандартного напряжения. Контролер заряда регулирует зарядное напряжение и тем самым предохраняет АБ от перезаряда. Избыток энергии ВЭУ, который остается при регулировании зарядного напряжения, идет на нагрев воды в бойлере или нагрев воздуха в помещении. Для этого имеется водяной или воздушный ТЭН. Для предотвращения переразряда АБ имеется контроллер нагрузок постоянного тока. Как только батарея приближается к опасному уровню переразряда, данный контроллер отключает нагрузки постоянного тока. Защиту АБ от переразряда в линии переменного тока осуществляет инвертор. В случае длительного штиля имеется какой-либо резервный энергоисточник для заряда АБ. В данном случае это ДЭС, которая подключается к инвертору. Большинство современных инверторов имеют встроенное зарядное устройство от генератора переменного тока или сети.

    Мощность ВЭУ в рассматриваемой энергоустановке обычно не превышает 5кВт. Данное ограничение связано с входным напряжением серийных инверторов, которое не превышает 48В. При увеличении мощности ВЭУ больше 5кВт и низком напряжении АБ номинальный ток генератора достигает такой величены, что эффективность энергоустановки снижается.

    Варианты использования ветроустановки:

    Рассматриваемая энергоустановка может использоваться для электроснабжения бытовых нагрузок в жилом доме, таких как:
    • Освещение.
    • Теле- и аудиотехника (телевизоры, спутниковые антенны, видеомагнитофоны магнитофоны, приемники).
    • Холодильники и другие кухонные электроприборы (миксеры, небольшие электропечи, кипятильники, печи СВЧ, кофеварки, электрочайники, тостеры, и т.п.).
    • Оргтехника (компьютеры, принтеры, сканеры, ксероксы, телефоны, факсы и т.п.).
    • Ручной электроинструмент (дрели, электролобзики, электрорубанки и т.п.).
    • Другие бытовые электроприборы (пылесосы, фены, утюги, стиральные машины, вентиляторы, кондиционеры, электронагреватели небольшой мощности и т.п.).
    • Однофазное промышленное электрооборудование небольшой мощности (насосы, компрессоры, настольные станки и т.п.).
    • Электроприборы, приводимые в действие двигателями постоянного тока (холодильники, насосы, и т.п.).
    • Электроприборы, в которых предусмотрена возможность работы от аккумуляторов или батареек (телевизоры, магнитофоны, приемники и т. п.).

    Для подсчета суммарного энергопотребления объекта, включающего большое число электроприборов удобно использовать таблицу рабочий пример которой приведён на странице Выбор системы

    Основные элементы, которые определяют стоимость энергоустановки, – это ВЭУ, инвертор и АБ. От ВЭУ зависит выработка электроэнергии. Для того чтобы понизить стоимость энергоустановки, надо понизить энергопотребление. Можно дать следующие советы для понижения энергопотребления:
    • Использовать экономичные глаогеновые электролампы. При потреблении 12Вт, данные лампы соответствует по освещенности лампам накаливания, потребляющим 100Вт.
    • Использовать современную транзисторную электротехнику с малым энергопотреблением.
    • Сократить до минимума время использования мощных бытовых электроприборов (печь СВЧ, утюг, электропечь, электронагреватель, фен, электрочайник, кофеварка, тостер, стиральная машина с подогревом воды, ручной электроинструмент и т.п.).
    • Отказаться от использования электропечей при приготовлении пищи, отопления и электрических систем получения горячей воды, а использовать для этого какое-либо топливо, например дрова, газ, солярку т.п.
    От инвертора зависит пиковая мощность энергопотребления. Для снижения мощности инвертора можно согласовывать подключение мощных электроприборов. Другой способ понизить мощность инвертора – это перевести часть нагрузок, например освещение, на постоянное напряжение. Благодаря способности АБ отдавать большой ток, мощность приборов постоянного тока практически неограничена. От АБ зависит длительность штиля, который может перекрыть энергоустановка. Для снижения емкости АБ необходимо вводить в маловетреные дни экономный режим потребления энергии. Другой способ понизить емкость АБ – это использовать резервный источник энергии для перекрытия длительных штилей, например ДЭС.
    В Санкт-Петербургском Государственном Аграрном Университете (СПбГАУ) проводятся исследования в области нетрадиционных энергоисточников. В частности в учебном хозяйстве СПбГАУ был сооружен лабораторный стенд, включающий ветроустановку “Mecanix 1500”. Основные характеристики данной ВЭУ приведены в табл. 1. Нагрузкой ВЭУ является железо-никелевая АБ емкостью 250Ач. К ВЭУ подключена многоканальная измерительная система, включающая аналого-цифровой преобразователь (АЦП), компьютер, электрические схемы преобразования каналов. Система измерения позволяет записывать данные в файл. Разработанная в СПбГАУ методика статистической обработки данных, позволяет получить основные рабочие характеристики ВЭУ, рассчитать выработку электроэнергии и др. параметры. Результаты испытания в целом подтвердили паспортные данные ВЭУ. Приведенные в статье рекомендации по выбору элементов энергосистемы с ВЭУ основаны, в основном, на результатах испытаний, полученных на лабораторном стенде СПбГАУ.

    Выбор ветряка:

    ВЭУ выбирается на основе энергопотребления объекта (в кВтч) в течении какого-либо расчетного периода и среднегодовой скорости ветра в районе сооружения ВЭУ. Мощность энергопотребления во внимание не принимается. Среднегодовая скорость ветра берется по данным метеостанции, которая ближе всего расположена к объекту. Эти данные можно взять, например, из справочника “Климат СССР. Ветер”.
    В таблице приведены характеристики некоторых отечественных ВЭУ, предназначенных для заряда АБ:
    Модель ЛМВ 1003 ЛМВ 2500 ЛМВ 3600 Mecanix 1500
    Производитель “ЛМВ Ветроэнергетика” “Mecanix”
    Расчетная мощность, Вт 1000 2500 3600 1400
    Максимальная мощность, Вт 1200 2700 4300 1600
    Начальная скорость ветра, м/с 3,2 2 4 2,2
    Расчетная скорость ветра, м/с 12 12 12 12
    Буревая скорость ветра, м/с 60 60 60 50
    Количество лопастей 3 3 3 3
    Диаметр ротора, м 2,5 5 5 3,6
    Напряжение АБ, В 12/24/48 24/48 24/48 48
    Высота мачты, м 6-18 18-40 18-40 6-18
    Срок службы, лет 15 15 15 15
    Выработка энергии в месяц при среднегодовой скорости ветра, кВтч Для районов с умеренными скоростями ветра Для районов со слабыми скоростями ветра Для районов с высокими скоростями ветра Для районов со слабыми скоростями ветра.
    При 3м/с 75 282 132 110
    При 4м/с 119 479 365 200
    При 5м/с 171 677 652 280
    При 6м/с 216 862 943 370
    При 7м/с 259 1019 1207 470
    Тип генератора Синхронный генератор с постоянными магнитами.
    Тип буревой защиты Вывод ротора из-под ветра
    Тип мачты Стальная труба с растяжками
    Цена ВЭУ без мачты, $ 1050 2600 2790 1500
    Цена мачты, $ 330 850 730 100-300
    Цена блока управления, $ 260 390 430 200
    Отличительная особенность ВЭУ, представленных в таблице, - полная автономность в течение всего срока службы. Фундамент представляет собой несколько бетонных подушек. Подъем мачты осуществляется при помощи лебедки, грузовой машины или трактора.

    При выборе ВЭУ необходимо скорректировать среднегодовую скорость ветра и суммарное энергопотребление. Необходимость коррекции среднегодовой скорости ветра связна с тем, что выработка энергии ВЭУ зависит от высоты мачты. Среднегодовые скорости ветра, приведенные в табл. 1, соответствуют высоте мачты 10м. Выбирая высокую мачту для ВЭУ (выше 10м) можно в ряде случаев увеличить среднегодовую скорость ветра на оси ротора ВЭУ до 50%. При коррекции суммарного энергопотребления учитываются потери в кабеле, инверторе и АБ. Потери в кабеле могут снижать выработку энергии ВЭУ до 30%, поэтому для снижения потерь рекомендуется при использовании длинного кабеля выбирать большое сечение жилы. Потери в АБ и инверторе связаны с КПД преобразования энергии. КПД свинцовой АБ составляет примерно 90%, КПД щелочной батареи составляет примерно 80%. Номинальный КПД современных инверторов составляет примерно 95%. Для всего рабочего диапазона инвертора можно принять среднее КПД инвертора 90%.

    Выбор аккумуляторной батареи :

    Выбор АБ производиться исходя из наиболее вероятной продолжительности штиля. Характеристики некоторых АБ, которые могут быть рекомендованы для использования в энергоустановке приведены в таблице:
    Марка 6СТ190 6СТ210 ТНЖ250 ТНЖ450 6ПАС210 6ПАС350 OPzT200 OpzT400
    Тип Свин-
    цовая
    Свин-
    цовая
    Никель-железная Никель-железная Свин-
    цовая
    Свин-
    цовая
    Свин-
    цовая
    Свин-
    цовая
    Номинальное напряжение, В 12 12 1,2 1,2 2 2 2 2
    Рабочий диапазон, В 10,5 – 12,9 10,5 – 12,9 1,1-1,4 1,1-1,4 1,75-2,15 1,75-2,15 1,75-2,15 1,75-2,15
    Номинальная емкость, Ач 190 210 250 450 250 400 200 400
    Назначение Стар-
    терная
    Стар-
    терная
    Тяговая Тяговая Тяговая Тяговая Стацио-
    нарная
    Стацио-
    нарная
    Производитель “Балт-
    электро”
    “Varta” “Ригель” “Ригель” “Varta” “Varta” “Varta” “Varta”
    Срок службы, лет 1-2 2-3 8-10 8-10 8-10 8-10 10-15 10-15
    Цена 1шт, $ 75 130 24 41 46 75 64 84

    Преимущество батарей типа “6СТ” – низкая стоимость, недостаток - небольшой срок службы. Преимущество батарей типа “ТНЖ” – большой срок службы. Недостатки батарей типа “ТНЖ” следующие. Во-первых, относительно большая стоимость. Во-вторых, из-за большого разброса напряжения в процессе работы емкость данной батареи может быть недоиспользована, так как рабочий диапазон напряжения АБ шире, чем диапазон входного напряжения обычного инвертора. Преимущество батарей типа “ПАС” – относительно большой срок службы, недостаток – относительно большая стоимость. Преимущество батарей типа “OpzT” большой срок службы, недостаток – большая стоимость.
    Из приведенной таблицы видно, что при прочих равных условиях выгодно использовать дорогие батареи с длительным сроком службы, так как они окупаются через несколько лет. Необходимое напряжение обеспечивается путем последовательного соединения элементов. Параллельное соединение допускается только для некоторых специальных типов АБ.

    Выбор инвертора:

    Существует две группы инверторов, которые различаются по стоимости примерно в 1,5 раза.
    • Первая группа более дорогих инверторов обеспечивает синосидальное выходное напряжение.
    • Вторая группа обеспечивает выходное напряжение в виде упрощенный сигнала, заменяющего синусоиду.
    Для подавляющего большинства бытовых приборов можно использовать упрощенный сигнал. Синусоида важна только для некоторых телекоммуникационных приборов. Характеристики инверторов серии DR фирмы “Trace Engineering” приведены в таблице. Отличительные особенности данной серии - это низкие цены и наличие всего ряда входного напряжения 12/24/48В.
    Модель DR1512E DR1524E DR2424E DR1548E DR2548E
    Номинальная мощность, кВт 1500 1500 2400 1500 2500
    Максимальный AC ток при перегрузке, A 14 20 36 20 38
    Максимальный КПД, % 94 94 95 94 95
    Номинальное входное напряжение, В 12 24 24 48 48
    Диапазон входного напряжения, В 10,8-15,5 21,6-31 21,6-31 43,2-62 43,2-62
    Номинальный DC ток, А 165 80 140 40 70
    Форма напряжения Мод. sin Мод. Sin Мод. sin Мод. sin Мод. sin
    Регулирование напряжения, % +/-5 +/-5 +/-5 +/-5 +/-5
    Регулирование частоты, % +/-0,04 +/-0,04 +/-0,04 +/-0,04 +/-0,04
    Выходное напряжение, В 230 230 230 230 230
    Выходная частота 50 50 50 50 50
    Максимальный зарядный AC ток, А 70 35 70 17,5 35
    Вес 16 18 21 18 21
    Цена, $ 850 850 1150 850 1150

    Выбор инвертора производится исходя из пиковой мощности энергопотребления стандартного напряжения 220В/50Гц. Существует два режима работы инвертора. Первый режим – это режим длительной работы. Данный режим соответствует номинальной мощности инвертора. Второй режим – это режим перегрузки. В данном режиме большинство моделей инверторов в течении нескольких десятков минут (до 30) могут отдавать мощность в 1,5 раза больше, чем номинальная. В течении нескольких секунд большинство моделей инверторов могут отдавать мощность в 2,5-3,5 раза большую чем номинальная. Сильная кратковременная перегрузка возникает, например, при включении холодильника. Как правило, мощность инвертора примерно равна расчетной мощности ВЭУ.

    Выводы:

    На основе расчета различных вариантов можно определить стоимость энергоустановки с ВЭУ, которая составляет от 2000 до 3000 за кВт установленной мощности энергоустановки. Стоимость 1кВтч составляет примерно 7-10 пенсов за 1кВтч при работе энергоустановки в течение 15 лет. Очевидно, что если имеется возможность подключиться к центральной электросети, то рассмотренную энергоустановку использовать невыгодно.

    Можно указать следующие регионы, где целесообразно использовать ВЭУ:
    • Вновь осваиваемые земли, где полностью отсутствует центральная электросеть.
    • Брошенные деревни и угодья, где инфраструктура энергоснабжения разрушена.
    • Регионы с устаревшим и изношенным оборудованием, где из-за аварий возможны длительные перебои с энергоснабжением.
    • Регионы, где из-за плохих погодный условий (сильный ветер, снегопад и т.д.) возможны длительные перерывы с энергоснабжением.
    • Острова и другие трудно доступные районы.
    Выводы:
    1. Альтернативные энергоисточники имеют ряд преимуществ по сравнению с ДЭС или БЭС при энергообеспечении автономных объектов.
    2. Для российских условий среди нетрадиционных энергоисточников наиболее перспективны ВЭУ.
    3. Энергоустановка обеспечивающая потребителя стандартным напряжением 220В/50Гц включает в себя следующие основные части: ВЭУ, выпрямитель, АБ, контроллер заряда АБ, ТЭН, инвертор, и др. Мощность ВЭУ в составе данной установки обычно не превышает 5кВт.
    4. Энергоустановка может обеспечивать все бытовые и другие электроприборы, которые используются в жилом доме.
    5. Наиболее дорогие элементы энергоустановки – это ВЭУ, инвертор и АБ. Для снижения стоимости ВЭУ необходимо принять меры по снижению энергопотребления объектом. Для снижения стоимости инвертора необходимо принять меры для снижения пиковой мощности потребления объекта. Для снижения стоимости АБ необходимо экономить энергию в период штиля или использовать резервный источник энергии.
    6. Приведенные в статье рекомендации по выбору элементов энергосистемы с ВЭУ основаны, в основном, на результатах испытаний, полученных на лабораторном стенде СПбГАУ.
    7. ВЭУ выбирается на основе суммарного энергопотребления объекта в течении какого-либо расчетного периода и среднегодовой скорости ветра в районе сооружения ВЭУ. При выборе ВЭУ учитывается влияние высоты мачты на среднегодовую скорость ветра и потери выработки энергии ВЭУ в кабеле, инверторе и АБ.
    8. Выбор АБ производиться исходя из наиболее вероятной продолжительности штиля.
    9. Выбор инвертора производиться исходя из пиковой мощности энергопотребления объекта.
    10. Стоимость 1кВтч, вырабатываемого энергоустановкой, велика и поэтому данную энергоустановку целесообразно применять на объектах удаленных от центральных электросетей.
    По материалам сайта www.vetro-svet.spb.ru