Энергетическая эффективность ветрогенератора для дома

Глобальные потребности в энергии непрерывно растут, но в скором времени эта тенденция должна столкнуться с исчерпанием мировых запасов нефти, что может породить энергетический кризис. В последние годы большие надежды, в смысле решения глобальной энергетической проблемы, возлагаются на альтернативные источники энергии и новейшие технологии. Ветряные электростанции с некоторых пор стали символом альтернативной и «экологичной» энергетики. Открытым остается вопрос энергетической и экономической эффективности ветрогенераторов в различных условиях эксплуатации по сравнению с традиционными источниками электроэнергии.
В связи с либерализацией экономики и индивидуализацией социума, в последнее время увеличился интерес к автономным автоматизированным ветрогенераторам, не связанным с электросетью и обслуживающим индивидуальное жилье.
Задачей является исследование энергетической и экономической эффективности автоматизированных автономных ветрогенераторов малой мощности методами статистического моделирования.
Идея использовать «даровую» энергию ветра для получения электричества в собственном доме на первый взгляд очень привлекательна. Однако, как ни странно, электричество от домашнего ветрогенератора оказывается парадоксально дорогим.
С одной стороны, электроснабжение домашнего хозяйства должно соответствовать двум обязательным условиям:
1 – это должен быть переменный ток 220 В частотой 50 Гц;
2 – электропитание должно быть бесперебойным. Ветер – явление непостоянное, и ветряк напрямую не сможет полноценно обеспечивать дом электричеством. Поэтому к затратам на ветрогенератор нужно добавить расходы на громоздкие и дорогие электрические аккумуляторы, накапливающие энергию ветра. Аккумулятор вырабатывает постоянный ток, который должен быть преобразован в переменный. Для этого необходим инвертор, стоимость которого дополнительно увеличивает затраты на получение «бесплатной энергии». Необходимость установки ветрогенератора на высокой мачте также увеличивает затраты.
С другой стороны, все эти дополнительные устройства приводят к потерям энергии при ее хранении и преобразовании.
Представляет интерес вопрос, можно ли добиться энергетической автономности индивидуального жилья за счет использования ветрогенератора, хотя бы в наиболее благоприятных для Украины условиях Крыма, где средняя скорость ветра доходит до 7 м/с (в степи на побережье и на возвышенностях).
В качестве расчетного варианта была выбрана современная ветроэлектрическая установка ВЭУ-М-3/5. Она соответствует по мощности предъявляемым требованиям и является типичным представителем в своем классе. Это классический трёхлопастной ветроагрегат с неизменяемым углом установки лопастей, максимальной электрической мощностью 3 кВт, диаметром ветродвигателя 4,6 м и скоростью вращения 500 об/мин. Лопасть особой конструкции выполнена из стеклоуглепластика по специальной технологии, имеет высокий ресурс при малом весе и обеспечивает низкий уровень шума. Мачтовый комплект (труба на растяжках) максимально упрощен и удешевлен.

Типовая конструкция индивидуального ветрогенератора
Основой ВЭУ является разработанный специально для нее низкооборотный безредукторный электрогенератор. По принципу работы – это трехфазный многополюсный синхронный генератор переменного тока с возбуждением от редкоземельных постоянных магнитов.
Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра и вычисляется по формуле:
Зависимость мощности ветрового потока от скорости для ветрогенератора ВЭУ-М-3/5 приведена на рисунке ниже. На том же рисунке приведены паспортные значения электрической мощности ВЭУ-3/5. В рабочем диапазоне скоростей 3 – 11 м/с коэффициент использования мощности ветра ветрогенератором ВЭУ-3/5 составляет около 0,3. Это неплохое значение для ветроустановок. Даже теоретически невозможно достичь коэффициента 0,6, а реально, этот коэффициент еще в 1,5 – 2 раза меньше. При высоких скоростях ветра коэффициент использования уменьшается еще сильнее. Так, при скорости ветра 20 м/с мощность ветра доходит до 80 кВт, но генератор не в состоянии ее использовать. К сожалению, технически невозможно обеспечить высокий коэффициент использования мощности ветра в столь широком динамическом диапазоне ее изменения (на три порядка).

Зависимость мощности от скорости ветра
Структурная схема установки представлена на рисунке ниже. Ветрогенератор генерирует трехфазное переменное напряжение. Аккумуляторная батарея заряжается через выпрямитель постоянным током. Этим процессом управляет контроллер заряда. Аккумуляторная батарея нужна для сглаживания случайных колебаний нагрузки и мощности ветра. Регулирование и ограничение скорости вращения ветродвигателя при высоких скоростях ветра (до 40 м/с) достигается за счет электромагнитного торможения генератором. Если при этом аккумулятор уже заряжен, то генерируемая избыточная энергия рассеивается в резистивных трубчатых электронагревателях (ТЭН-ах).

Структурная схема энергетической установки
Питание бытовых электроприборов переменным напряжением 220 В, 50 Гц осуществляется от аккумуляторной батареи через инвертор. В случае отсутствия ветра, используется резервный бензиновый электрогенератор. Хотя резервный генератор может непосредственно питать бытовые электроприборы, такой режим энергетически невыгоден. Большую часть времени резервный генератор будет недогружен из-за непостоянства потребляемой мощности. Выгоднее заряжать от него аккумулятор (через выпрямитель). При этом резервный генератор будет включаться изредка и кратковременно, но на полную мощность. В таком режиме ресурс моточасов бензинового генератора и топливо будут использованы наиболее рационально.
Количественно изменчивость ветра характеризуется графиками плотности распределения скорости и автокорреляционной функции. Имеется ввиду среднечасовая скорость.
Плотность распределения описывает частоты повторяемости различных скоростей. Для ветра характерна сильная несимметрия распределения скорости. Подходящей теоретической моделью считается распределение Вейбулла. На рисунке ниже приведено требуемое теоретическое распределение Вейбулла. Параметр a, определяющий несимметрию, принят равным 1,5. Параметр b, определяющий среднее значение, принят равным 7 м/с. Это типичные для крымских ветров значения.

Плотность распределения скорости ветра
Автокорреляционная функция отражает относительную стабильность скорости ветра на коротких временных интервалах (если в данный момент штиль, то велика вероятность, что через час тоже будет штиль). Типичное характерное время автокорреляции скорости ветра около 10 часов. На более длинных интервалах взаимозависимость резко ослабляется.

Автокорреляционная функция скорости ветра
На рисунке ниже приведена статистическая модель всей ветроэнергетической установки (включая аккумулятор и резервный бензиновый генератор) в среде программного средства VisSim. Такт моделирования 1 с соответствует 1 часу в реальном времени. Внутренняя структура модели спрятана внутри блока Power Installation Model. Выведены осциллограммы основных переменных модели.

Статистическое моделирование энергоустановки
Generator capacity – потенциальная мощность генератора (кВт). Такую мощность генератор может выдавать, если потребитель может ее всю принять. В противном случае реально генерируемая мощность будет меньше.
Power generation – реально генерируемая мощность (кВт). Она расходуется на зарядку аккумулятора и питание потребителя.
Power demand – требуемая потребителем мощность (кВт). Благодаря наличию аккумулятора и резервного генератора, потребность удовлетворяется на 100%, то есть требуемая мощность всегда совпадает с реально потребляемой мощностью. Но потребляемая мощность не совпадает с генерируемой мощностью, так как аккумулятор то заряжается за счет избытка генерируемой мощности, то разряжается для покрытия избыточной потребности.
Charge – заряд аккумулятора (кВт•час). Меняется в пределах от 0 до 20 кВт•час (это предельная емкость аккумулятора).
Power reserve – мощность резервного бензинового генератора (2,5 кВт). Изредка кратковременно включается при слабом ветре, когда заряд аккумулятора приближается к нулю и его нужно подзарядить.
Регулировочная характеристика включения резервного генератора приведена на рисунке ниже. Резервный генератор включается, если заряд аккумулятора падает ниже 2 кВт·час, и выключается, когда заряд аккумулятора доходит до 7 кВт·час.

Регулировочная характеристика включения резервного генератора
Изготовитель ветрогенератора рекомендует использовать аккумулятор с энергетической емкостью 20 кВт·час (суточный запас энергии). Представляет интерес для исследования следующий вопрос. Можно ли обойтись без резервного бензинового генератора, увеличив емкость аккумулятора? На первый взгляд это представляется возможным, ведь средняя потенциальная мощность ветрогенератора превышает среднюю потребность. На рисунке ниже приведена зависимость продолжительности включений (ПВ) резервного генератора от емкости аккумулятора (по результатам статистического моделирования). Из графика видно, что ПВ действительно уменьшается с увеличиением емкости аккумулятора. Но даже при четырехкратном увеличении емкости до 80 кВт·час (аккумулятор тогда будет весить 2 тонны!) не удается довести ПВ до нуля. Таким образом, избавиться от резервного бензинового генератора за счет увеличения емкости аккумулятора практически нереально.

Зависимость продолжительности включений (ПВ) резервного бензогенератора от емкости аккумулятора
На рисунке ниже приведен баланс средних мощностей ветрогенератора по результатам моделирования. Средняя мощность ветрового потока достаточно велика и составляет 12 кВт. Однако текущая мощность ветра изменяется в очень широком динамическом диапазоне, от нуля до сотни киловатт. Практически невозможно создать ветрогенератор, эффективно работающий во всем этом диапазоне мощностей. Поэтому в среднем эффективность использования мощности ветра невысокая. Так, установленная мощность генератора в 4 раза меньше, что составляет всего 3 кВт. Такую максимальную электрическую мощность можно получить при стабильной скорости ветра 11 м/с и согласованной нагрузке. Излишек мощности при больших скоростях ветра просто пропадает. Если учесть нестабильность ветра, то средняя потенциальная электрическая мощность составит 1 кВт (и это при условии, что нагрузка отбирает всю генерируемую мощность). Если учесть еще несогласованность нагрузки (максимумы потребления не соответствуют максимумам производительности), то реальная генерируемая мощность будет еще меньше в 1,6 раза, что составит 0,636 кВт (и это несмотря на наличие аккумулятора). Коэффициент использования установленной мощности генератора составляет всего 0,636/3 = 0,021 = 21%. В электрическую энергию превращается всего 0,636/12 = 0,053 = 5,3% от первоначальной энергии ветра.

Баланс средних мощностей
Резервный бензиновый генератор, изредка включающийся при недостаточном ветре (ПВ=4,6%), добавляет в среднем 0,113 кВт. В результате, получаем среднюю генерируемую мощность 0,75 кВт.

Средние генерируемые мощности, кВт
Из-за потерь в аккумуляторе и инверторе, реальная мощность, отдаваемая потребителю, будет еще меньше (в 1,4 раза) и составит 0,54 кВт. Это соответствует среднемесячному потреблению 0,54·24·30 = 390 кВт·час электроэнергии. Состав бытовых электроприборов и режим их использования должен быть выбран соответственно. Это скромно, но достаточно комфортно для небольшого индивидуального дома.
Общая месячная плата за электроэнергию 1500 грн складывается из амортизационной платы за установленное оборудование 1080 грн (срок окупаемости принят 10 лет) и платы за бензин для резервного бензогенератора 430 грн.

Месячная плата за электроэнергию, грн
Стоимость одного киловатт-часа электроэнергии будет 1500/389 = 3,88 грн, что на порядок больше стоимости электроэнергии от сети.
Энергетическая автономность частного жилья за счет использования автоматизированного ветрогенератора технически достижима, однако плата за автономность оказывается высокой. Стоимость ветро-электро-энергии, даже в условиях Крыма (наилучшие в Украине, средняя скорость ветра до 7 м/с), оказывается на порядок больше, чем при питании от электросети.
Энергетическая эффективность индивидуального ветрогенератора весьма мала. Средняя потребляемая электрическая энергия составляет всего 4.5% от средней мощности ветрового потока, проходящего через ветрогенератор, и 18% от установленной мощности электрогенератора.
Основным фактором, мешающим увеличить энергетическую эффективность ветрогенератора, является случайная изменчивость мощности ветрового потока в большом динамическом диапазоне (на три порядка).
Рекомендуется использовать ветрогенератор с диаметром лопастей 4,5 м, скоростью вращения 500 об/мин, высотой мачты 10 м, безредукторным синхронным многополюсным генератором с постоянными магнитами мощностью 3 кВт, аккумуляторную батарею энергоемкостью 20 кВт·час, массой 500 кг, резервный бензогенератор на 2,5 кВт, инвертор на 4,5 кВт. Такая установка обеспечит среднее потребление электроэнергии 390 кВт·час в месяц по цене 3,88 грн за киловатт·час.
За расчетный срок окупаемости 10 лет придется три раза сменить бензогенератор и один раз аккумуляторную батарею. Работа самого ветрогенератора предполагается безаварийной и не требующей техобслуживания.
Без резервного бензогенератора невозможно обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией даже при четырехкратном увеличении емкости аккумуляторной батареи от рекомендуемой. Следовательно реально достижима лишь автономность от электросети, но не от поставок углеводородного топлива.
С.В. Иносов, Л.Г. Соболевская, О.В. Чернявский

Источник: alternativenergy.ru