Монтаж и сервис оборудования по использованию возобновляемых источников энергии. Том 3. Монтаж и сервис ветроустановок
Рис.2.20. Структурная схема сетевых ВЭУ
Классификация по типу применяемой электромашины представлена на рис.2.21.
Рис.2.21. Классификация ВЭУ по типу применяемой электрической машины
Глава 3. Малая ветроэнергетика
3.1 Области применения ветроустановок
К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1кВт относятся к микро-ветряной энергетике. Они применяются на, с/х фермах для водоснабжения и т.д.
Малые ветрогенераторы могут работать автономно, то есть без подключения к общей электрической сети. Обеспечение потребителей электроэнергией за счет ветроэлектрических установок (ветряков) напрямую зависит от наличия ветра в месте установки оборудования, его силы и постоянства. Разумеется, метеорологическая карта ветров очень приблизительно оценивает скорость ветра в том или ином регионе и, как правило, это среднегодовые осредненные данные. Поэтому необходимо оценивать возможность эффективной работы ветроустановки индивидуально в каждом конкретном случае. Во многом наличие и сила ветра зависят от рельефа местности, открытости пространства, присутствия вблизи водоемов, рек и т. п. Даже около высоких сооружений возможна весьма эффективная работа ветровых систем из-за возникновения эффекта «сквозняков» между зданиями. Более того, независимо от направления ветра «сквозняки» между зданиями, в лощинах, вдоль русла рек, в оврагах присутствуют практически всегда, и скорость ветра , как правило, достаточна для успешной работы ветроустановки. Поэтому, перед принятием решения о приобретении ветроэлектостанции целесообразно понаблюдать за ветром, Есть множество случаев, когда вам может понадобиться небольшое количество электроэнергии, например, освещения, механизм открывания ворот, предупредительные огни, подъем воды из скважины, показатели уровня воды и другие маломощные устройства. Для этих целей может быть применена ветроустановка с ротором Савониуса, рис.3.1, которая проста в изготовлении и может производить достаточно энергии для маломощных устройств.
Рис.3.1. Ветроустановка с ротором Савониуса
Ветроустановка мощностью 1.5 кВт, ВЭУ-1.5 представлена на рис. 3.2. Она может использоваться для питания светильников общественного и персонального освещения.
Портативная ветроэнергетическая установка благодаря малым размерам может легко транспортироваться на легковых автомобилях среднего класса. Может использоваться для приготовления пищи, обогрева жилища и т.д. Устанавливается без помощи грузоподъемных машин, двумя рабочими с помощью лебедки. Подключив ветроустановку к аккумуляторам, можно заряжать их в ветреную погоду и использовать их емкость во время безветрия. Выпускается с выходом 48В постоянного тока и 220В/50Гц переменного тока (с инвертором).
Рис.3.2. Ветроустановка мощностью 1.5 кВт.
Ветроустановка мощностью 3кВт, 4-лопастная, рис.3.3, могут использоваться для обеспечения энергопитания небольшого дома, удаленного объекта.
Рис. 3.3. Ветроустановка мощностью 3 кВт
Ветроустановка мощностью 30 кВт, представлена на рис. 3.4 может служить удобным автономным источником энергопитания для большого коттеджа, группы домов, офиса или небольшого цеха.
В России начаты разработки малых ветроэнергетических установок роторного типа, которые имеют диапазон рабочих скоростей ветра от 3 до 50 м/с и улучшенные экологические параметры: уменьшенный уровень шума, вибрации и воздействия на фауну местности.
Рис. 3.4. Ветроустановка мощностью 30 кВт
Опробованы экспериментальные образцы мощностью 1 кВт. На рис.3.5 представлен схематичный разрез роторного ветрогенератора, с комплектующими элементами и состоящего из осе совмещенных вертикальных роторных модулей, состоящих в свою очередь из кольцевых направляющих аппаратов, внутри которых на подшипниковых узлах установлены роторы, их выходной вал шлицевым соединением присоединен к валу электрогенераторов.
Рис. 3.5. Схема ВЭУ роторного типа
Направляющий аппарат забирает воздух из свободного потока, направляет на рабочие лопатки виндротора, обеспечивает активный выход отработанного воздуха из объема виндротора. Воздушный поток на лопатках виндротора реализует два своих параметра – динамический напор и скорость, чем определяются высокий момент, создающийся при трогании двигателя при низких скоростях ветра и высокая скорость набора нагрузки при росте скорости ветра. Благодаря двукратному изменению направления потока на лопатках роторов кинетическая энергия ветра с высоким КПД преобразуется в механическую энергию вращения вала роторов, которая электрогенератором преобразуется в электрическую.
К малым ветрогенераторам относятся парусные ветрогенераторы. Предлагаемые парусные ветрогенераторы предназначены для бесперебойного снабжения электроэнергией промышленных параметров 380/220/50 владельцев индивидуальных строений, агроферм и предприятий малого бизнеса и т.д. Типовые модели: 1кВт, 4кВт, 10кВт. Максимальная мощность – до 100кВт. Для подъема воды из любых водоисточников: скважины, колодца, открытого водоема без применения электропровода или двигателя внутреннего сгорания может быть использована технология с применением ветронасосной установки небольшой мощности (1,5-3 кВт). Ветронасосы бесшумны в работе, используют энергию ветра, не требуют постоянного контроля за их работой, удобны в эксплуатации, снабжены устройством, позволяющим качать воду при отсутствии ветра в ручном режиме. Позволяют подавать воду ритмичными порциями, и могут быть использованы при поливе участков по бороздам, капельным методом, дождеванием. При использовании емкости для накопления воды полив может осуществляться прогретой солнцем водой. Ветронасосная установка представлена на рис.3.6.
Рис.3.6. В етронасосн ая установк а
Установка состоит из двух основных частей – ветродвигателя и насоса. Ветродвигатель – многолопастной, тихоходный, представляет собой головку с 12-лопастным ветроколесом. При изменении направления ветра он автоматически самоустанавливается с подветренной стороны опоры благодаря повороту головки. Насос является самовсасывающим, с горизонтальной проточной резиновой диафрагмой. Производительность установки увеличивается при увеличении скорости ветра и при уменьшении высоты подъема воды. Установка начинает работать при скорости ветра 2,5м/с и при скорости в 6 м/с производительность ее доходит до 700л/ч при высоте всасывания 8м.
В основном малая ветроустановка состоит из следующих основных компонентов:
- ротор, лопасти, ветротурбина,
- мачта с растяжками
- генератор,
- аккумуляторные батареи,
- контроллер,
- инвертор (= 24 В -> ~ 220 В 50Гц) ,
- анемометр и датчик направления ветра,
- АВР – автоматический переключатель источника питания.
Лопасти ветротурбины приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.
Мачта используется для подъема ветротурбины.
Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра. В зависимости от условий эксплуатации и специфических требований в составе ветроэнергетической установки (ветрогенератора) используются следующие типы генераторов.
Генератор с аксиальным зазором - синхронный тихоходный генератор с постоянными магнитами. Выходное напряжение является переменным по частоте и амплитуде, необходима сложная электронная регулировка. Генератор может использоваться в автономных системах. Синхронизация с сетью требует дополнительного оборудования.
Генератор с комбинированным возбуждением - низкооборотный генератор с электромагнитами. Дополнительная, регулирующая обмотка стабилизирует выходное напряжение генератора на выходе. Выход - постоянное напряжение (24В, 48В, 96В и т.д.). Генератор может использоваться в автономных системах, таблица 3.1.
Таблица 3.1. Технические характеристики низкооборотных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов
Синхронизация с сетью требует дополнительного оборудования.
Генератор асинхронный синхронизированный. Обмен активной и реактивной энергией с автоматической (согласно физической природе) стабилизацией частоты и амплитуды выходного напряжения делает такой генератор привлекательным для использования в составе сети. В случае сетевого варианта выход - переменное, согласованное по фазе, частоте и амплитуде напряжение. В случае автономного варианта для получения постоянного напряжения требуется дополнительный регулятор. В таблице 3 представлены технические характеристики низкооборотных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов.
Контроллер необходим для управления работой ветроустановкой (поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др.)
Инвертор необходим для преобразования переменного тока, вырабатываемого генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей. Инверторы бывают четырёх типов:
1.Модифицированная синусоида – преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с модифицированной синусоидой (ещё одно название: квадратная синусоида). Пригоден только для оборудования, которое не чувствительно к качеству напряжения: освещение, обогрев, заряд устройств.
2.Чистая синусоида - преобразовывает ток в переменный с напряжением 220В с чистой синусоидой. Пригоден для любого типа электроприборов: электродвигатели, медицинское оборудование и др.
3.Трехфазный – преобразовывает ток в трехфазный с напряжением 380В. Можно использовать для трехфазного оборудования.
4. Сетевой – в отличие от предыдущих типов позволяет системе работать без аккумуляторных батарей, но его можно использовать только для вывода электроэнергии в местную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов.
В зависимости от моделей они различаются по входному постоянному напряжению (12V, 24V, 48V) и по мощности подключаемой к ним нагрузки (от 500 Вт до 5 кВт и более). Как правило, все инверторы обеспечивают защиту от перегрузки, короткого замыкания, перезаряда и полного разряда аккумуляторов. Большинство инверторов обладает функцией автоматического переключения питания бытовых приборов на аккумулятор и обратно при "пропадании" сети 220V 50Гц и её "появлении", а также способностью автоматической зарядки аккумуляторов после использования их в качестве источника электроэнергии. Инвертор питает приборы напряжением 220 Вольт 50 Гц и контролирует состояние батареи. В случае нехватки вырабатываемой ветряком и накопленной на аккумуляторах энергии, и падении напряжения на батарее до 22 Вольт, автоматически запускается дизель-генератор. Инвертор переключает потребители на питание от дизеля и одновременно заряжает аккумуляторную батарею. При достижении напряжения на клеммах аккумуляторов 28 (или 30 – в зависимости от емкости батареи) Вольт, дизель-генератор автоматически выключается, и питание приборов инвертор переключает на аккумуляторы.
Аккумуляторные батареи необходимы для накапления электроэнергии, которая будет использована в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им получается стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Определяясь с мощностью приобретаемой ветроэлектрической установки, надо иметь ввиду, что все ветроустановки работают на заряд аккумуляторной батареи. Только так можно обеспечить непрерывное электропитание потребителей определённой мощности требуемым напряжением, при помощи подключаемого к аккумуляторной батарее инвертора. Однако надо учитывать, что максимально возможный зарядный ток на аккумуляторы составляет 10% от их ёмкости. Это значит, что чем мощнее ветрогенератор, тем больше должна быть ёмкость установленной аккумуляторной батареи и, следовательно, большее количество аккумуляторов. Так при мощности генератора в 5 кВт и напряжении на аккумуляторной батарее 48 Вольт, максимально возможный ток заряда батареи составляет около 100 Ампер. Следовательно для батареи, собранной из отдельных 12 вольтовых аккумуляторов ёмкостью по 200 А/час. каждый, необходимо 20 аккумуляторов, чтобы использовать мощность генератора в полном объёме. То есть каждые 4 аккумулятора, соединённые последовательно, составляют одну линейку напряжением 48 Вольт и ёмкостью 200 А/час. Максимально возможный ток для такой линейки составляет 20 Ампер. Таких линеек необходимо 5, соединённых параллельно. Если же аккумуляторов будет меньше (общая ёмкость батареи меньше 1000 А/час.) - то либо придётся ограничивать ток заряда , либо аккумуляторная батарея будет "кипеть" при сильном ветре, и быстро выйдет из строя. Конечно, чем мощнее генератор, тем больше ток заряда при малых ветрах, и быстрее восстановление аккумуляторов до полной ёмкости. Но соотношение цены и мощности ветроустановки, возможность размещения огромной по количеству и дорогой по цене аккумуляторной батареи заставляют подумать о мощности приобретаемого ветрогенератора.
Основные типы аккумуляторов, применяемые для автономного электроснабжения ВЭУ: свинцово-кислотные и щелочные.
Наиболее распространенным типом АБ являются свинцово-кислотные, как с жидким электролитом, так и герметизированные (в последнее время становятся все более популярными).
Специальные батареи с намазными пластинами для использования в системах автономного электроснабжения часто собираются из отдельных аккумуляторов с напряжением 2 вольта, соединенных вместе. АБ меньшей емкости с напряжением 6 и 12 вольт также используются, но реже. Такие батареи выпускаются в основном в Европе, в США и в Китае.
Тяговые аккумуляторы, как с жидким электролитом, так и герметизированные, предназначены для цикличных режимов работы. Аналогичными параметрами обладают и модификации deep cycle (глубокого разряда). Они более подходят для автономных систем энергоснабжения. Они дороже обычных герметизированных АБ, но и срок службы у них больше.
Кислотный аккумулятор не переносит глубокой разрядки, но его можно подзаряжать порциями. Щелочной наоборот, не любит отдавать больших токов, зато токи в количестве примерно 1/10 емкости готов отдавать долго. Заряжать/разряжать щелочной аккумулятор порциями нельзя, зато при правильной эксплуатации (помимо зарядки/разрядки она подразумевает промывку банок и замену электролита раз в сезон ) они служат до 20 лет (точнее, 1000-1500 полных циклов). Также, щелочные аккумуляторы плохо заряжаются малыми токами. Этим объясняется тот факт, что щелочные аккумуляторы не нашли широкого применения в системах автономного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии. Никель-кадмиевые и никель-металгидридные герметичные батареи могут использоваться в некоторых случаях. Хотя они намного дороже кислотных, зато имеют очень большой срок службы и имеют более стабильное напряжение в процессе разряда. Применяются обычно в переносных или мобильных источниках питания, т.к. позволяют запасать большее количество энергии на кг веса.
Никель-кадмиевые и никель-железные аккумуляторы с жидким электролитом дешевле герметичных, но содержат жидкий электролит, выделяют газы при заряде и требуют периодического обслуживания и специального вентилируемого помещения. По стоимости запасенной энергии в цикле заряд-разряд сопоставимы или даже дешевле герметичных свинцово-кислотных батарей.
Можно использовать никель-железные аккумуляторы (обычно их используюут в качестве тяговых на электротранспорте, а также на железной дороге) только в составе автономной дизель-аккумуляторной системы, в которой топливный генератор является единственным источником энергии. Из опыта известно, что свинцово-кислотные АБ не долго держатся в таких системах - глубокие циклы и хронический недозаряд делают свое черное дело. В этих условиях работы можно смириться с такими недостатками щелочных АБ, как невозможность заряда малыми токами (можно от генератора выставить любой, и даже лучше если ток будет большой - быстрее зарядится), эффект памяти (циклы будут как раз глубокие) и низкий КПД заряда. Для генераторной системы эффект памяти не важен - АБ разряжаются как можно сильнее, чтобы запускать генератор как можно реже.
Если щелочные АБ можно заряжать большим током, то его низкий КПД с лихвой окупится более эффективным режимом работы генератора. Ведь для дозаряда свинцовых АБ требуется долго заряжать их малыми токами, т.е. практически на холостом ходу генератора. А у щелочных ограничения при заряде - это температура аккумуляторов, а также газовыделение.
Еще раз подчеркнем, что не для всякой резервной или автономной системы подходят щелочные аккумуляторы. Если есть солнечные батареи или ветроустановки, т.е. источники, которые выдают разные токи, в т.ч. и малые, щелочные аккумуляторы ставить смысла нет - энергия малых токов будет просто теряться без пользы.
Рекомендуется ставить в исключительных случаях, в недорогих системах обычные стартерные батареи, если есть кому их обслуживать и место установки имеет принудительную вентилляцию. Нужно быть готовым к тому, что в таких батареях будет теряться часть энергии вследствие саморазряда. Автомобильные аккумуляторы также имеет смысл ставить, если система работает в очень тяжелых условиях, аккумуляторы сильно разряжаются и возможности зарядить их до 100% нет (например, при заряде от жидкотопливного генератора, или при условии использования простейших контроллеров заряда в фотоэлектрических системах). Любые аккумуляторы при хроническом недозаряде долго не работают, поэтому более дешевые аккумуляторы будет не так жалко выкидывать. Если энергия "достается" дорого (например, в фотоэлектрических системах), то нужно обратить внимание на гелевые аккумуляторы (маломощные системы) или заливные аккумуляторы с намазными пластинами (серия OPzS). При этом очень желательно применение контроллеров с ШИМ-модуляцией тока заряда на последней стадии заряда. Если используется простейший контроллер, то нужно периодически проводить тренировочные заряды до 100% емкости аккумуляторной батареи с применением специальных зарядных устройств. Герметизированные аккумуляторы лучше применять также, если облуживать их некому, или нет специального вентиллируемого помещения для аккумуляторов. Этот вариант дороже, чем с применением автомобильных аккумуляторных батарей.
Гелевые лушче переносят циклические режимы работы, поэтому их рекомендуется применять в автономных энергосистемах, когда аккумуляторы периодически заряжаются и разряжаются. Можно также использовать AGM батареи, их срок службы будет немного меньше, чем у гелевых АБ. AGM батареи рекомендуется использовать в резервных системах электроснабжения, когда в основном батареи находятся в заряженном состоянии и периодически отдают энергию при авариях в системе электроснабжения.
Для бесперебойного энергопитания количество аккумуляторных батерий можно упрощенно рассчитать, придерживаясь следующих рассуждений. На основании расчетов можно самостоятельно подсчитать необходимое количество аккумуляторов в соответствии с пиковыми потреблениями, характерными для конкретного жилища или офиса.
Во время минимального потребления (днем и ночью) при наличии ветра ВЭУ будет заряжать аккумуляторы. Скорость зарядки батарей зависит от мощности, вырабатываемой ВЭУ, а значит, от силы ветра.
Можно легко посчитать, что ВЭУ-3 на скорости ветра 6 м/сек будет выдавать 0.7 кВт/час, или 0.7кВт х 12час = 8.4кВт за день и столько же за ночь, что достаточно для утренних и вечерних пиковых потреблений.
Необходимо заметить, что аккумуляторы обладают свойством остаточной ёмкости. Например, используя аккумулятор 75 А/ч, можно включить электроплиту мощностью 1 кВт в течении 40 мин., после чего инвертор отключится. Если уменьшить нагрузку до 500 Вт (подключить, к примеру, телевизор) - можно получать энергию ещё столько же. Затем можно подключить 300 Вт-ную дрель, а потом 130 Вт-ный краскопульт, далее 60 Вт-ный паяльник и, наконец, 30 Вт-ную лампочку. Из вышеприведенного примера совсем не следует что эти (и другие) нагрузки нельзя включить все сразу. Просто количество времени, которое будут работать все одновременно включенные приборы, будет меньше.
Анемоскоп и датчик направления ветра необходим для сбора данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.
АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при прекращении работы основного источника. Он позволяет осуществить совместную работу ветроустановки с местной электросетью, дизель-генератором и другими источниками питания. АВР не позволяет запитывать электросети объекта одновременно от двух разных источников питания.
3.2.
Варианты подключения ВЭУ к потребителю
Малая ветроэнергетическая установка может иметь несколько вариантов подключения к потребителю и соответственно иметь разную комплектацию. На рис.3.7 представлена минимальная комплектация малой ветроустановки.
Рис.3.7. Минимальная комплектация малой ветроустановки
Рассмотрим шесть основных вариантов подключения ВЭУ к потребителю.
1-й вариант. Автономная ВЭУ. Объект энергопотребления является полностью обособленным сооружением и не подключен к линии электропередач. Требуется периодическое энергопитание 24 (48, 96) В постоянного тока, например, для питания водяного насоса, освещения и т.д., что не требует бесперебойности в работе системы.
Подключение производится следующим образом: к клеммам оборудования подключается выход ВЭУ соответственно 24 (48, 96) В постоянного тока. При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и питает подключенное оборудование. Если потребление превзошло энергоподачу от системы "ВЭУ", система отключится до тех пор, пока нагрузка не уменьшится до уровня потребления, который может обеспечить система "ВЭУ", либо ветер не возрастет до уровня, при котором количество выработанной энергии превысит количество потребляемой в данный момент. При отсутствии ветра ВЭУ стоит, генератор бездействует и потребитель не получает энергопитание. Особенно эта ситуация опасна в холодное время года.
2-й Вариант. Автономная ВЭУ + аккумуляторные батареи. Объект энергопотребления является полностью обособленным сооружением и не подключен к линии электропередач. Требуется бесперебойное энергопитание 24 (48, 96) В постоянного тока, например, для питания водяного насоса, системы удаленного мониторинга, освещения и т.д
Перед приобретением ветроэнергетической установки (ВЭУ) необходимо подсчитать требуемую мощность ВЭУ и аккумуляторных батарей. К клеммам оборудования подключается выход ВЭУ соответственно 24 (48, 96) В постоянного тока через аккумулятор, рис.3.8.
Рис.3.8. Подключение ВЭУ к потребителю через аккумуляторные батареи
При наличии достаточного ветра ветроэнергетическая установка работает и заряжает аккумуляторные батареи. При слабом ветре или чрезмерном увеличении нагрузки потребителя количества энергии, поступающей от ВЭУ, недостаточно, и нагрузка начинает забирать часть энергии от аккумуляторов. Если потребление превзошло энергоподачу от системы "ВЭУ-батареи", система отключится до тех пор, пока нагрузка не уменьшится до уровня потребления, который может обеспечить система "ВЭУ-батареи", либо ветер не возрастет до уровня, при котором количество выработанной энергии превысит количество потребляемой в данный момент. При отсутствии ветра ВЭУ стоит, генератор бездействует и нагрузка потребляет энергию только от аккумуляторов.После разряда аккумуляторов система выключится и ток во внутренней сети пропадет - потребитель остается без энергопитания.