Принцип работы ветрогенератора и его комплектующие

Как работает ветрогенератор и комплектующие к ветрякам?

Содержание раздела:

  1. Компоненты ветроустановки
  2. Комплектация наших ветроустановок
  3. Подбор ветряка
  4. Примеры подбора компонентов установки
  5. Схемы работы ветрогенератора

1. Компоненты ветроустановки

К основным компонентам системы, без которых работа ветряка невозможна, относят следующие элементы:

  1. Генератор – необходим для заряда аккумуляторных батарей. От его мощности зависит как быстро будут заряжаться ваши аккумуляторы. Генератор необходим для выработки переменного тока. Сила тока и напряжение генератора зависит от скорости и стабильности ветра.
  2. Лопасти – приводят в движение вал генератора благодаря кинетической энергии ветра.
  3. Мачта – обычно, чем выше мачта, тем стабильнее и сильнее сила ветра. Отсюда следует – чем выше мачта, тем больше выработка генератора. Мачты бывают разных форм и высот.

Список дополнительных необходимых компонентов:

  1. Контроллер – управляет многими процессами ветроустановки, такими, как поворот лопастей, заряд аккумуляторов, защитные функции и др. Он преобразовывает переменный ток, который вырабатывается генератором в постоянный для заряда аккумуляторных батарей.
  2. Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходящее напряжение из генератора. Благодаря им вы получаете стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре. Питание вашего объекта идёт от аккумуляторных батарей.
  3. Анемоскоп и датчик направления ветра – отвечают за сбор данных о скорости и направлении ветра в установках средней и большой мощности.
  4. АВР – автоматический переключатель источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного источника. Позволяет объединить ветроустановку, общественную электросеть, дизель-генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. Внимание: АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания!
  5. Инвертор – преобразовывает ток из постоянного, который накапливается в аккумуляторных батареях, в переменный, который потребляет большинство электроприборов.
  6. 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 и т.п.
    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 общественную электросеть. Их стоимость, обычно, в несколько раз превышает стоимость несетевых инверторов. Иногда они стоят дороже, чем все остальные компоненты ветроустановки вместе взятые.



2. Комплектация наших ветроустановок

В комплект наших ветроэнергетических установок входит:

  1. Турбина
  2. Мачта (не входит в комплект EuroWind 300L)
  3. Лопасти
  4. Крепления
  5. Тросы мачты
  6. Поворотный механизм (только с ветрогенераторами EuroWind 3 и старше)
  7. Контроллер
  8. Анемоскоп и датчик ветра (только с ветрогенераторами EuroWind 3 и старше)
  9. Хвост (только с ветрогенераторами EuroWind 2 и младше)

Аккумуляторы, инвертор и дополнительно оборудование подбираются индивидуально и в базовую комплектацию не входят. Независимо от комплектации ветрогенератор всегда автоматически позиционируется по ветру.

Компоненты ветрогенератора
Комплектующие ветрогенератора EuroWind 10


3. Подбор ветряка

Первый вопрос, на который вы должны дать ответ и который поможет вам ответить на остальные вопросы: Для чего вам нужен ветрогенератор и какие задачи он должен выполнять?

Ответив на главный вопрос, вы можете без проблем ответить на остальные вопросы и решить какой набор оборудования вам необходим и сколько это будет стоить.

Итак, три основные величины, которые определяют работу всего комплекса:

  1. Выходная мощность ветроустановки (кВт), определяется только мощностью преобразователя (инвертора) и не зависит от скорости ветра, емкости аккумуляторов. Ещё её называют «пиковой нагрузкой». Этот параметр определяет максимальное количество электроприборов, которые могут быть одновременно подключены к вашей системе. Вы не сможете одновременно потреблять больше электроэнергии, чем позволяет мощность вашего инвертора. Если вы потребляете электроэнергию редко, но в больших количествах, то обратите внимание на более мощные инверторы. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов.
  2. Время непрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется емкостью аккумуляторных батарей (Ач или кВт) и зависит от мощности и длительности потребления. Если вы потребляете электроэнергию редко, но в больших количествах, обратите внимание на аккумуляторы с большой емкостью.
  3. Скорость заряда аккумуляторных батарей (кВт/час) зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель прямо зависит от скорости ветра, а косвенно от высоты мачты и рельефа местности. Чем мощнее ваше генератор, тем быстрее будут заряжаться аккумуляторные батареи, а это значит, что вы сможете быстрее потреблять электроэнергию из батарей и в больших объемах. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или вы потребляете электроэнергию постоянно, но в небольших количествах. Для увеличения скорости заряда аккумуляторов возможна установка нескольких генераторов одновременно и подключение их к одной аккумуляторной батарее.

Исходя из перечисленных выше факторов, для подбора ветрогенератора и сопровождающего оборудования вам необходимо ответить на три вопроса:

  1. Количество электроэнергии, необходимое вашему объекту ежемесячно (измеряется в киловаттах). Эти данные необходимы для подбора генератора. Их можно взять из коммунальных счетов на оплату электроэнергии или рассчитать самостоятельно, если объект находится в стадии строительства.
  2. Желаемое время автономной работы вашей энергосистемы в безветренные периоды или периоды, когда ваше потребление энергии из аккумуляторов будет превышать скорость зарядки аккумуляторных батарей генератором. Данный параметр определяет количество и емкость аккумуляторных батарей.
  3. Максимальная нагрузка на вашу сеть в пиковые моменты (измеряется в киловаттах). Необходимо для подбора инвертора переменного тока.



4. Примеры подбора компонентов установки

Рассмотрим несколько общих примеров подбора оборудования ветроустановки. Более точный расчёт может быть произведён нашими специалистами и включает в себя гораздо больше необходимых деталей.

Пример расчёта ветряка №1

Описание:

Частный дом в Киевской области находится в стадии строительства. По предварительным расчётам жильцы дома будут потреблять не больше 300 400 кВт электроэнергии ежемесячно. Затраты электроэнергии не очень высокие, т.к. хозяева будут использовать для отопления и нагрева воды твердотопливный котёл, а ветрогенератор необходим только для полного обеспечения бытовых приборов электроэнергией.

Хозяева проводят основную часть дня на работе, а пик потребления электроэнергии припадает на утренние и вечерние часы. В этот момент могут быть включены электроприборы суммарной мощностью до 4 киловатт.

Дом находится на возвышенности и есть открытое пространство вокруг будущего места установки ветрогенератора.

Общественной электросети нет.

Задача:

Полностью обеспечить 300-400 кВт электроэнергии ежемесячно с пиковыми нагрузками до 4 кВт.

Решение:

Генератор:

Чтобы понять как быстро должны заражаться аккумуляторы при расходе электроэнергии 400 кВт в месяц, мы должны разделить 400 кВт/мес на 30 дней (получим ежедневное потребление), а затем полученное число разделить на 24 часа (400/30/24 = 0,56 кВт/час – среднее ежечасное потребление). Скорость заряда аккумуляторных батарей генератором должна составить как минимум 560 Ватт в час.

В Киевской области низкая среднегодовая скорость ветра, но открытое пространство и возвышение объекта позволит ветрогенератору работать как минимум на 30-40% от номинальной мощности. Для более точных показателей можно произвести замер скорости ветра в месте установки.

Для того, чтобы обеспечить заряд аккумуляторных батарей генератором при этих условиях со скоростью 560 Ватт в час, нужно взять генератор, номинальная мощность которого будет как минимум в три раза больше необходимой, т.к. генератор будет работать всего на 30-35% от номинальной мощности (560Вт/ч*3=1680Вт/ч). Для этих нужд нам подходит генератор EuroWind 2 с номинальной мощностью 2000 Ватт.

Аккумуляторы:

Проводя 8-9 часов на работе в будние дни, хозяева отсутствуют, и энергопотребление их дома сведено к минимуму. В ночное время потребление также сведено к минимуму. Основное потребление происходит утром и вечером. Между этими основными пиками существует интервал в 8-9 часов.

При среднем уровне заряда аккумуляторных батарей 560 Вт/ч за интервал 8-9 часов ветровой генератор сможет выработать около 5000 Ватт. В ветреные дни этот показатель может увеличиться как минимум в два раза, поэтому за тот же период времени может быть выработано 10000 Ватт электроэнергии.

Генератор EuroWind 2 имеет напряжение 120 Вольт, поэтому ему необходимо 10 аккумуляторов с напряжением 12 Вольт (12В*10=120В). Одна аккумуляторная батарея 12В 100Ач способна сохранить до 1,2 кВт электроэнергии. Десять таких батарей могут сохранить до 12 кВт (1200Вт*10=12000Вт). Для запаса 10000 Ватт электроэнергии нам отлично подойдут 10 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 100Ач.

Инвертор:

Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты до 4 кВт, можно установить инвертор 5 кВА. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку 4 кВт и пусковые токи до 6 кВт (150% нагрузка). Таблицу совместимости инверторов вы найдёте в разделе Инверторы.

Дополнительное оборудование:

АВР в данном случае не нужен, т.к. нет основной сети, а коммутацию с дизельным генератором (или бензиновым) можно производить посредством перекидного рубильника.

А вот дизельный генератор на 5 кВт в нашем случае не помешает – его можно использовать как резервное питание при полном отсутствии ветра.

ИТОГО:

Для полного энергообеспечения объекта нам необходим генератор EuroWind 2, 10 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 100Ач, инвертор 5 кВА, дизельная электростанция на 5 кВт.


Пример расчёта ветряка №2

Описание:

Небольшой отель на 8 номеров вместе с рестораном расположены на трассе в открытом поле. Среднегодовая скорость ветра в месте установки была замерена предварительно и составляет 6,8 м/с. Расходы электроэнергии на бытовые приборы и освещение составляют 60 кВт на один номер в месяц и около 2500 кВт в месяц на ресторан. Ресторан и отель обогреваются, кондиционируются и круглый год обеспечивают себя горячей водой с помощью трехфазного геотермального теплонасоса инверторного типа мощностью 14 кВт. Потребление электроэнергии данного теплонасоса составляет 3,5 кВт/час, а пусковые токи - всего 2,8 кВт.

В ресторане и отеле используются энергосберегающие лампы для освещения. Пиковая нагрузка при использовании электроприборов и освещения объекта составляет около 7,5 кВт (не считая 3,5 кВт теплонасоса).

Есть общественная электросеть, но она не может обеспечить потребности, т.к. выделена линия мощностью только 4 кВт. Большую мощность не может обеспечить местная подстанция.

Задача:

Полное обеспечение объекта независимой электроэнергией, отоплением и резервным питанием от основной сети.

Решение:

Генератор:

Ежемесячный расход электроэнергии на содержание номеров составит 60 кВт * 8 номеров = 480 кВт в месяц. Общий расход электроэнергии на содержание отеля и ресторана без учёта отопления составит 2980 кВт в месяц (480 кВт + 2500 кВт = 2980 кВт). Отсюда следует, что среднее ежечасное потребление на все электроприборы и освещение без учёта обогрева составит 4,14 кВт/час (2980 кВт / 30 дней / 24 часа = 4,14 кВт/час). К этому числу необходимо прибавить 3,5 кВт/час, которые будет потреблять теплонасос. В итоге мы получаем, что генератор должен обеспечивать нас как минимум 7,64 киловаттами электроэнергии ежечасно (4,14 кВт/час + 3,5 кВт/час = 7,64 кВт/час).

Среднегодовая скорость ветра 6,8 м/с позволяет генератору работать как минимум на 40% от номинальной мощности. Отсюда следует, что номинальная мощность генератора должна составлять как минимум 19,1 кВт/час (7,64 кВт/час / 40% = 19,1 кВт/час)

Для этих целей отлично подошёл бы генератор EuroWind 20, но он рассчитан на более высокие средние скорости ветра, как и другие мощные генераторы (EuroWind 15, 20, 30, 50). Поэтому мы отдадим предпочтение двум генераторам EuroWind 10, которые будут работать в одной системе, вместо одного генератора EuroWind 20. Тем более, что свободное место для установки ветрогенератора в данном случае не критично – есть свободная площадь вокруг отеля и ресторана.

Аккумуляторы:

В этом комплексе практически отсутствуют большие перерывы в использовании электроэнергии, а постоянные ветра поддерживают равномерный уровень заряда аккумуляторов.

В этом случае необходимы аккумуляторы, которые будут являться своеобразным «буфером» между генератором и инвертором. Их главная задача будет состоять в стабилизации и выпрямлении напряжения, а не накоплении электроэнергии.

Генератор EuroWind 10 имеет напряжение 240 Вольт, поэтому ему необходимо 20 аккумуляторов с напряжением 12 Вольт (12В*20=240В). Одна аккумуляторная батарея 12В 150Ач способна сохранить до 1,8 кВт электроэнергии. Двадцать таких батарей могут сохранить до 36 кВт (1800Вт*20=36000Вт). Запаса электроэнергии в 36 кВт должно хватить всему комплексу почти на 5 часов непрерывной работы при средней нагрузке при полном отсутствии ветра. Для этого нам подойдут 20 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 150Ач.

Инвертор:

Для максимального потребления электроэнергии в пиковые моменты до 7,5 кВт, можно установить инвертор 10 кВА. Он сможет обеспечить постоянную нагрузку 8 кВт и пусковые токи до 12 кВт (150% нагрузка).

А для обеспечения теплонасоса мощностью 3,5 кВт нам необходим трехфазный инвертор, т.к. этот теплонасос требует трехфазный ток с напряжением 380В. В этом случае возьмём ещё один инвертор – трехфазный 5 кВА, который обеспечит нас напряжением 380В и постоянной мощностью 4 кВт.

Дополнительное оборудование:

Можно установить АВР, который будет автоматически переключать питание отеля и ресторана с ветрогенератора на общественную электросеть в случае полного безветрия и разряда аккумуляторных батарей. Среднее потребление отеля и ресторана (4,14 кВт) практически равно мощности общественной линии электропередач, которая была выделена объекту (4 кВт), поэтому резервное питание будет обеспечено.

Для резервного обеспечения теплового насоса можно установить трехфазную бензиновую или дизельную электростанцию мощностью 3,5 4 кВт, т.к. общественная электросеть не сможет обеспечить трехфазный ток для резервного питания теплонасоса.

ИТОГО:

Для полного энергообеспечения этого объекта нам необходимы два генератор EuroWind 10, 20 аккумуляторных батарей 12В с емкостью 150Ач, однофазный инвертор 10 кВА, трехфазный инвертор 5 кВА, АВР, бензиновая или дизельная электростанция на 3,5-4 кВт.



5. Схемы работы ветрогенератора

Приводим несколько популярных схем работы ветрогенераторных систем с потребителем. Это всего лишь некоторые примеры, поэтому возможны и другие схемы работы. В каждом случае составляется индивидуальный проект, который способен решить поставленную перед нами задачу.

Автономное обеспечение объекта (с аккумуляторами)
Автономное обеспечение объекта (с аккумуляторами).
Объект питается только от ветроэнергетической установки.


Ветрогенератор (с аккумуляторами) и коммутация с сетью.
Ветрогенератор (с аккумуляторами) и коммутация с сетью.
АВР позволяет переключить питание объекта при отсутствии ветра и полном разряде аккумуляторов на электросеть. Эта же схема может использоваться и наоборот – ветрогенератор, как резервный источник питания. В этом случае АВР переключает вас на аккумуляторные батареи ветрогенератора при потери питания от электросети.


Ветрогенератор (с аккумуляторами) и резервный дизель-(бензо-)генератор.
Ветрогенератор (с аккумуляторами) и резервный дизель-(бензо-)генератор.
В случае отсутствия ветра и разряде аккумуляторных батарей происходит автоматический запуск резервного генератора.


Ветрогенератор (без аккумуляторов) и коммутация с сетью.
Ветрогенератор (без аккумуляторов) и коммутация с сетью.
Общественная электросеть используется вместо аккумуляторных батарей – в неё уходит вся выработанная электроэнергия и из неё потребляется. Вы платите только за разницу между выработанной и потреблённой электроэнергией. Такая схема работы пока-что не разрешена в Украине и во многих других странах.


Гибридная автономная система – солнце-ветер
Гибридная автономная система – солнце-ветер
Возможно подключение солнечных фотомодулей к ветрогенераторной системе через гибридный контроллер или с помощью отдельного контроллера для солнечных систем.


Увеличение производительности системы.
Увеличение производительности системы.
Возможно установить два и более генератора, инвертора и комплекта аккумуляторов для увеличения мощности системы.

Также возможны другие схемы работы и коммутации ветрогенераторов.