Енергоефективність вітрової турбіни для дому

Глобальні енергетичні потреби постійно зростаючі, але в найближчому майбутньому ця тенденція повинна зіткнутися з виснаженням запасів світового масла, які можуть створити енергетичну кризу. В останні роки на альтернативних джерелах енергії розміщені великі сподівання щодо вирішення глобальної енергетичної проблеми. ВЕС є символом альтернативної та «зеленої» енергії. Відкрито питання енергоефективності вітротурбін в різних умовах експлуатації порівняно з традиційними джерелами електроенергії.
У зв'язку з лібералізаціями економіки та індивідуалізації суспільства, останнім часом, є збільшення інтересу до автономних автоматизованих вітротурбін, які не підключені до електричної мережі і служать індивідуальним житлом.
Завдання полягає у вивченні енергетичної та економічної ефективності автономних вітротурбін з використанням статистичних методів моделювання.
Ідея використання вільної енергії вітру для створення електроенергії у вашому домі на перший погляд дуже приваблива. Тим не менше, електрика з домашньої вітрової турбіни є парадоксально дорогою.
З одного боку, побутова електропостачання повинна відповідати двох обов'язкових умов:
1 - він повинен змінювати струм 220 V частоти 50 Гц;
2 - Живлення повинно бути безперешкодним. Вітер є волейним явищем, а вітрова турбіна не зможе повністю забезпечити будинок електрикою. Тому до вартості вітрової турбіни необхідно додавати собівартість сипучих і дорогих електричних батарей, які зберігають вітрову енергію. Акумулятор генерує прямий струм, який повинен перетворюватися в змінний струм. Це вимагає інвертора, вартість якого додатково збільшує вартість отримання «безкоштовної енергії». Необхідність установки вітрової турбіни на високому масі також підвищує витрати.
З іншого боку, всі ці додаткові пристрої призводять до втрати енергії під час зберігання та перетворення.
Цікавим питанням є те, чи можна досягнути енергетичної автономії окремого житла через використання вітрогенератора, принаймні в найбільш вигідних умовах для України в Криму, де середня швидкість вітру досягає 7 м / с (в степу на узбережжі і на схилах).
В якості розрахункового варіанту було обрано сучасний вітрогенератор-М-3/5. Він відповідає вимогам живлення та є типовим представником у своєму класі. Це класична тришарова вітрова турбіна з кутом установки ножа, максимальною електричною потужністю 3 кВт, діаметром вітрової турбіни 4,6 м і швидкістю обертання 500 об / хв. Леза спеціального дизайну виготовляється з вуглецевого скла за спеціальною технологією, має високий ресурс з низькою вагою і забезпечує низький рівень шуму. Мистий набір (піп на розтяжках) максимально спрощений і дешевше.

Стандартний дизайн індивідуальної вітротурбіни
Основа вітрової турбіни є спеціально розробленим низькошвидкісним електрогенератором. За принципом роботи, це трифазний багатополярний синхронний генератор з збудженням від рідкісних наземних постійних магнітів.
Потужність потоку вітру пропорційна кубу швидкості вітру і розраховується за формулою:
На малюнку показано залежність від вітротурбіни-М-3/5. Так само цифра показує паспортні значення електричної енергії вітрової турбіни-3/5. В діапазоні робочої швидкості 3 - 11 м / с, коефіцієнт використання вітрової турбіни-3/5 становить близько 0,3. Це гарне значення для вітротурбін. Навіть теоретично неможливо досягти коефіцієнта 0,6, але в реальності цей коефіцієнт ще 1,5-2 рази менше. При високих вітрових швидкостях швидкість утилізації зменшується ще більше. Так, на швидкості вітру 20 м / с, вітрова потужність досягає 80 кВт, але генератор не здатний його використовувати. На жаль, це технічно неможливо досягти високої швидкості використання вітру в рамках такого широкого динамічного діапазону трьох замовлень величини.

В залежності від швидкості вітру
Будівельна схема установки представлена на малюнку нижче. Вітрова турбіна генерує трифазну змінну напругу. Акумулятор заряджається через випрямлення з прямим струмом. Процес контролюється контролером заряду. Акумулятор необхідний для згладжування випадкових коливань в навантаженні та вітровій потужності. Регулювання та обмеження швидкості обертання вітрової турбіни на високих швидкості вітру (до 40 м / с) досягається за рахунок електромагнітного гальмування генератором. Якщо акумулятор вже заряджається, то надлишок енергії генерується в резисторних трубчастих електронагрівачах.

Структурна схема електростанції
Потужність побутової техніки з змінною напругою 220 В, 50 Гц здійснюється з батареї через інвертор. При відсутності вітру використовується запасний бензиновий генератор. Незважаючи на те, що генератор резервного копіювання може безпосередньо потужність побутової техніки, такий режим є енергонедостатнім. Більшість часу резервний генератор буде перевантажений через летючість споживання електроенергії. Для зарядки акумулятора краще заряджати. У той же час, генератор резервних копій буде перетворюватися з періодично і коротко, але при повній потужності. У цьому режимі життя моторних годинників бензинового генератора і палива буде використовуватися найбільш раціонально.
кількісна мінливість вітру характеризується графіками щільності розподілу швидкості та функцією автоматичного кореляції. Це відноситься до середньої частоти.
Щильність розподілу описує частоту повторення різних швидкостей. Вітер характеризується сильною асиметрією розподілу швидкості. Підходить теоретична модель - розподіл Weibull. На малюнку нижче показано необхідний теоретичний розподіл Weibull. параметр a, який визначає асиметрію, береться до 1.5. Параметр б, що визначає середнє значення, береться до 7 м/с. Це типово для кримських вітрів.

Щільність розподілу швидкості вітру
Функція автоматичного кореляції відображає відносну стійкість швидкості вітру за короткий проміжок часу (якщо в даний момент спокійно, то є висока ймовірність того, що протягом години також буде спокійно). Типовий час регулювання швидкості вітру становить близько 10 годин. При більш тривалих інтервалах, взаємозалежність послаблює різко.

Функція автоматичного регулювання швидкості вітру
На малюнку нижче показано статистичну модель всієї вітрової турбіни (в тому числі генератор батареї та запасного бензину) в середовищі програмного забезпечення VisSim. Симуляційний інсульт 1 с відповідає 1 годині в режимі реального часу. Внутрішня структура моделі прихована всередині моделі установки живлення. Виводяться осцилографи основних змінних моделі.

Статистичне моделювання електростанцій
Потужність генератора – потенційна потужність генератора (кВт). Цей генератор живлення може дати, якщо споживач може прийняти його все. В іншому випадку фактична генерована потужність буде менше.
генерація енергії є фактично створеною потужністю (кВт). Використовується для зарядки акумулятора і живлення споживача.
Споживана потужність – потужність, необхідну споживачем (кВт). Завдяки наявності акумулятора і резервного генератора, потреба задоволена 100%, тобто необхідна потужність завжди збігається з фактичним споживанням електроенергії. Але споживання енергії не збігається з живленням, що генерується, так як акумулятор потім заряджається через надлишок електроенергії, після чого розряджається для покриття зайвої потреби.
Зарядка - заряд акумулятора (кВт). Від 0 до 20 кВт•год (це максимальна ємність акумулятора).
Заказник живлення - бензиновий генератор потужністю 2,5 кВт. Зрозуміло, вона перетворюється на короткий час в слабкому вітрі, коли заряд акумулятора близько до нуля, і його потрібно перезаряджати.
Регулювання характеристика повороту на генераторі резервних копій показано на малюнку нижче. Генератор резервного копіювання працює, якщо заряд акумулятора знижується нижче 2 кВт•год, і вимкнено, коли заряд акумулятора досягає 7 кВт•год.

Налаштування регулювання для перемикання на генератор резервних копій
Виробник вітрової турбіни рекомендує використовувати акумулятор з енергоємністю 20 кВт•год. Наступне питання є інтересом до дослідження. Чи можна обійтися без резервного бензинового генератора, збільшуючи ємність акумулятора? На перший погляд, це можливо, тому що середня потенційна ємність вітрової турбіни перевищує середню потребу. На малюнку нижче показано залежність тривалості включень (PV) резервного генератора на ємності акумулятора (на основі результатів статистичного моделювання). На графіку показано, що ПВ дійсно знижується з підвищенням ємності акумулятора. Але навіть при чотирикратному збільшенні потужності до 80 кВт•год (акумулятор потім зважить 2 тонн!), не можна привезти ПВ до нуля. Таким чином, позбутися від резервного бензинового генератора шляхом збільшення ємності акумулятора практично неможливо.

Залежність тривалості включень (ПВ) резервного газогенератора на ємності акумулятора
На малюнку нижче показано баланс середньої ємності вітрової турбіни за результатами моделювання. Середній потік вітру досить великий і становить 12 кВт. Тим не менш, потужність струму вітру змінюється над дуже широким динамічним діапазоном, від нуля до сотні кВт. Це майже неможливо створити вітрову турбіну, яка працює ефективно по всій потужності. Тому середня ефективність використання вітрової потужності низька. Отже, встановлена потужність генератора становить 4 рази менше, що становить лише 3 кВт. Максимальна електрична потужність може бути отримана з стабільною швидкістю вітру 11 м / с і координованим навантаженням. Надмірна потужність при високих швидкості вітру просто зникає. З огляду на нестійкість вітру, середня потенційна електрична потужність становитиме 1 кВт (припустимо, що навантаження набирає всю потужність, вироблену). Якщо ми враховуємо невідповідність навантаження (податкові максимуми не відповідають максимальній продуктивності), то генерується реальна потужність буде не менше 1,6 разів, що буде 0,636 кВт (відсутність акумулятора). Встановлений коефіцієнт потужності генератора становить лише 0,636/3 = 0.021 = 21%. Тільки 0,636/12 = 0,03 = 5.3% від початкової енергії вітру перетворюється в електричну енергію.

Середній баланс потужності
При недостатньому вітру (PV = 4.6%), додає в середньому 0,113 кВт. В результаті ми отримуємо середню генеровану потужність 0,75 кВт.

Середня виробнича потужність, кВт
У зв'язку з втратами акумулятора та інвертора реальна потужність, доставлена споживачу, буде менше (1.4 разів) і становитиме 0.54 кВт. Це відповідає середньомісячному споживанню 0,54 x 24 x 30 = 390 кВт•год електроенергії. Склад побутової техніки і режим їх використання слід вибрати відповідно. Для маленького окремого будинку досить зручно.
Сумарна щомісячна плата за електроенергію 1500 грн складається з оціночної плати за встановлене обладнання 1080 грн (податковий період, прийнятий 10 років) та плати за бензиновий генератор 430 грн.

Щомісячний платіж за електроенергію, грн
Вартість одного кВт-години електроенергії становитиме 1500/389 = 3.88 грн, що є замовленням величини більше, ніж вартість електроенергії з сітки.
Енергія автономії приватного житла через використання автоматизованої вітрової турбіни технічно досяжна, але вартість автономії висока. Вартість вітру та електрики, навіть в умовах Криму (найкращіше в Україні, середня швидкість вітру становить до 7 м / с), є порядок величини більше, ніж при згоді з сітки.
Енергоефективність індивідуальної вітротурбіни дуже низька. Середня споживана електрика становить лише 4,5% від середньої вітрової потужності через вітрову турбіну і 18% встановленої потужності генератора.
Основним чинником, що перешкоджає підвищенню енергоефективності вітротурбіни, є випадкова мінливість потужності вітрового потоку в великому динамічному діапазоні (на трьох координатах величини).
Рекомендовано використовувати генератор вітру діаметром 4,5 м, швидкість обертання 500 об/хв, максимальна висота 10 м, безшовний синхронний багатополярний генератор з постійними магнітами потужністю 3 кВт, акумулятор потужністю 20 кВт•год, маса 500 кг, резервний газогенератор 2,5 кВт, інвертор 4.5 кВт. Така установка забезпечить середнє споживання електроенергії на 390 кВт•год за місяць за ціною 3,88 грн за добу.
Для розрахункового періоду окупності 10 років вам доведеться змінити бензиновий генератор тричі і акумулятор один раз. Робота вітрової турбіни передбачається без проблем і не вимагає технічного обслуговування.
Без резервного генератора газу неможливо забезпечити безперебійне постачання електроенергії навіть при чотирикратному збільшенні ємності акумулятора від рекомендованого. Таким чином, тільки автономія від електромережі реалістично досяжна, не від поставок вуглеводневого палива.
С.В. Іносов, Л.Г. Соболєвська, О.В. Чернявський

Джерело: Альтернативнергія.ru