Автономни вятърни генератори

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2013

Автономните (stand alone, off grid) вятърни генератори са подходящи за захранване на инсталации в изолирани зони, къмпинги, ферми, планински заслони, сезонни жилища, отдалечени обекти с режим на работа без поддръжка, охранителни системи, климатични инсталации. Малки вятърни генератори могат да захранват телекомуникационни системи като ретранслатори, антени за мобилни телефони и други прибори, които се инсталират в отдалечени, неелектрифицирани райони. Също така могат да се използват с успех и при помпени и отводнителни инсталации, за нуждите на уличното осветление и за снабдяването с енергия на защитени природни зони.

Този тип ветрогенератори се произвеждат с мощност до 10 kW, а кулите на които се монтират са с височина от 1.80 m до 20 m. Конструирани са да стартират при малка скорост на вятъра от 3.0 m/sec, което ги прави масово приложими. В комбинация с фотоволтаични елементи, обхвата им на приложение нараства до възможност за изцяло автономно електрозахранване на обекти.

Етапи при изграждане на автономните системи

Първоначалният етап от изграждането на автономни ветроенергийни съоръжения включва предварително оразмеряване на системата. Съгласно специфичните изисквания на клиента за захранваща мощност, работна площ и други, се определя оптималната топология на автономната система. Планира се изграждането на носещата конструкция, монтирането на ветрогенератора, окабеляването и инсталирането на останалата електроапаратура.

Поради голямото разнообразие на терените, на които се монтират ветрогенератори, съоръженията трябва да се оразмеряват в съответствие с климатичните условия, при които ще работят: равнинни, планински (хълмисти), морски (офшорни) и крайбрежни. Плътността на въздуха във всеки от изброените райони не е еднаква и това обуславя различията в работните настройки, както и в използваните материали за производство на турбините и техните конструкции.

Съществен етап в планирането на системата е измерването на скоростта на вятъра. Средната скорост на вятъра не трябва да се приема като единствена величина в изчисленията, а като преобладаващата за даден ветроскоростен интервал. Принос за ветровата мощност носят и всички други скорости, които са различни от преобладаващата, но са в същата ветроскоростна лента. Паралелно с измерването на ветроскоростите се мери и плътността на ветровата мощност, както и температурните разлики на терена и въздуха над него в момента на измерванията. Плътността на ветровата мощност, изчислена във W/m2, е важна енергийна характеристика на вятъра, която се влияе не само от хоризонталната ветроскорост, но и от другите характеристики на вятъра и въздуха. След съпоставяне на измерените данни с изчислените по ветродинамичния модел, моделът се калибрира и прецизира за конкретното измервано място, за да се направи, макар и приблизително, начален избор на по-добрите ветроенергийни точки още в процеса на самото измерване.

Влиянието на атмосферно налягане, температурата и относителната влажност на въздуха също са от значение за количеството произведена енергия от вятърния генератор. Атмосферното налягане може лесно да бъде измерено на всяка удобна височина. За разлика от него, уредите за измерване на температурата трябва да се монтират на височина най-малко 10 м, за да се избегне влиянието на топлината, излъчвана от земята. Относителната влажност на въздуха не оказва влияние върху произведената енергия, но е полезно да се знае за оценка на опасността от заледяване.

Избор на ветрогенератори

След анализиране на резултатите от ветроенергийния одит, се пристъпва към избор на подходяща за преобразуване на наличния ветропотенциал турбина. Изборът се прави след детайлен анализ на ветроенергийните характеристики на ветрогенераторите, които са предварително подбрани така, че електрическата им производителност да е най-висока при съответните ветроусловия и други енергозначими показатели на местата. За целта се изготвя реалистична оценка на електропроизводството за избраните варианти на ветрогенератори, която включва очакван пълен потенциал на годишно електропроизводство и очаквана часова електропроизводителност, съобразно типа на ветрогенераторите и енерготехническите им параметри. При избора на турбина е препоръчително да се използват и данни от техническите тестове на ветрогенераторите в реални експлоатационни условия, направени от независими технически одитори.

Видове вятърни турбини

Сред най-често използваните малки вятърни генератори са моделите с пропелерен тип турбина, турбини с вертикална ос и многолопаткови (реактивни) турбини. Пропелерен тип са вятърните турбини с хоризонтална ос, които използват реактивен принцип на обтичане на роторните лопатки. Турбините са с две или три лопатки. Коефициентът на бързоходност (отношение на периферната скорост на колелото към скоростта на вятъра) е от 6 до 10. Този тип турбини работят само при скорости на вятъра над 5 m/s. Днес, дизайнът на почти всички съвременни ветрогенератори е с хоризонтална ос на въртене, тъй като нейната ефективност е по-висока. Вятърните генератори с вертикална ос са познати още като турбини тип Дариус. Характеризират се с коефициент на бързоходност от 5 до 6. Коефициентът на мощност е Cp = 0.40. Имат сравнително нисък стартов въртящ момент.

Вертикално-осевите турбини се използват по-често за локални електрозахранвания, в места където няма персонал, защото те не следват посоката на вятъра. Те са по-прости за производство и по-надеждни за експлоатация. Не са с големи мощности и по изключение могат да бъдат свързани към обществена мрежа. Турбините с вертикална ос имат няколко основни предимства. Така например, конструкцията позволява генератора и скоростната кутия да се монтират в основата и не е необходим механизъм, който да ориентира ветрогенератора по посока на вятъра. Като недостатъци често се посочват трудното задвижване, определено от ниските скорости на вятъра в близост до земята; по-ниската ефективност в сравнение с турбините с хоризонтална ос и др.

Многолопатковите вятърни турбини са реактивен тип вятърни осеви турбини. Сред техническите им характеристики са коефициентът им на бързоходност от 3 до 4; коефициент на мощност Cp = 0.35; коефициент на полезно действие (КПД) от 20 до 43%. Имат среден стартов момент. Могат да работят и при по-ниски скорости на вятъра. Използват се и за приложения, различни от тези за производство на електроенергия (например за изпомпване на вода).

Съхранение на произведената енергия

В автономните ветроенергийни системи DC електричеството, произвеждано от турбината, се използва непосредствено след това или се съхранява в акумулаторни батерии. Ако се захранват DC уреди от системата, те обикновено са свързани към батерията чрез предпазител. За захранване на АС уреди се използва директно свързан с акумулаторната батерия инвертор. Съществуват и системи, в които постоянният ток се използва директно без батерии, например за захранване на помпени станции.

Акумулаторните батерии е необходимо да притежават възможност за дълготраен живот при условия на ежедневно зареждане и разреждане, т. е. пълни (дълбоки) цикли “разряд-заряд”. Като вид обикновено са оловно-киселинни. Според конструкцията си се разделят на залети и затворени. В залетите батерийни клетки има течен електролит, който системно трябва да бъде допълван с дейонизирана вода. Затворените клетки обикновено съдържат електролит под формата на гел или включват метод за рекомбиниране на водород и кислород и нямат нужда от допълване.

В идеалния случай батериите се зареждат на три етапа. В първия от тях батерията получава най-голям заряд. Следва абсорбиращ заряд, когато батерията се зарежда при постоянно напрежение, но при намален ток, за да се завърши процесът на зареждане. Последната фаза е допълващ заряд, в която батерията просто се поддържа заредена.

Специалистите съветват да не се допуска пълно разреждане на батериите. Максимално допустимата дълбочина на разряд е 80%. За залети батерии с дълбок цикъл препоръчителната дълбочина на разряд е 50%. Ако батерията редовно се разрежда само до 20%, тя би имала още по-дълъг живот. Степента на саморазреждане на батериите във фотоволтаичните системи е около 3% на месец.

Електрическият капацитет на батериите, измерван в амперчас (Ah), се влияе от тока и температурата, при които се разрежда. При ниски температури, капацитетът значително намалява - по правило с 1% за всеки температурен градус. Температури под 0 оС могат да повредят оловно-киселинните батерии, тъй като при тези стойности има вероятност електролитът да замръзне. Твърде високите температури също оказват негативно въздействие върху батериите.

Важен фактор при избора на батерия за конкретното приложение е нейната Ah ефективност, която се определя от отношението между броя амперчасове към и от батерията (втората стойност винаги е по-малка). При новите батерии тази стойност е около 90% при идеални режими на зареждане и подходящи температурни условия. В реални условия за добър показател се приема и 75% Ah ефективност.


Top