Енергетична ефективність вітрогенератора для дому
Глобальні потреби в енергії безперервно зростають, але незабаром ця тенденція має зіткнутися з вичерпанням світових запасів нафти, що може спричинити енергетичну кризу. В останні роки великі надії, у сенсі вирішення глобальної енергетичної проблеми, покладаються на альтернативні джерела енергії та новітні технології. Вітряні електростанції з деяких пір стали символом альтернативної та «екологічної» енергетики. Відкритим залишається питання енергетичної та економічної ефективності вітрогенераторів у різних умовах експлуатації порівняно з традиційними джерелами електроенергії.
У зв'язку з лібералізацією економіки та індивідуалізацією соціуму, останнім часом збільшився інтерес до автономних автоматизованих вітрогенераторів, які не пов'язані з електромережею та обслуговують індивідуальне житло.
Завданням є дослідження енергетичної та економічної ефективності автоматизованих автономних вітрогенераторів малої потужності методами статистичного моделювання.
Ідея використати «дарову» енергію вітру для отримання електрики у власному будинку на перший погляд дуже приваблива. Однак, як не дивно, електрика від домашнього вітрогенератора виявляється парадоксально дорогою.
З одного боку, електропостачання домашнього господарства має відповідати двом обов'язковим умовам:
1 – це має бути змінний струм 220 В частотою 50 Гц;
2 – електроживлення має бути безперебійним. Вітер – явище непостійне, і вітряк безпосередньо не зможе повноцінно забезпечувати будинок електрикою. Тому до витрат на вітрогенераторНеобхідно додати витрати на громіздкі та дорогі електричні акумулятори, що накопичують енергію вітру. Акумулятор виробляє постійний струм, який має бути перетворений на змінний. Для цього потрібний інвертор, вартість якого додатково збільшує витрати на отримання «безкоштовної енергії». Необхідність установки вітрогенератора на високій щоглі також збільшує витрати.
З іншого боку, всі ці додаткові пристрої призводять до втрат енергії при її зберіганні та перетворенні.
Цікавим є питання, чи можна досягти енергетичної автономності індивідуального житла за рахунок використання вітрогенератора, хоча б у найбільш сприятливих для України умовах Криму, де середня швидкість вітру сягає 7 м/с (у степу на узбережжі та на височинах).
Як розрахунковий варіант було обрано сучасну вітроелектричну установку ВЕУ-М-3/5. Вона відповідає за потужністю вимогам і є типовим представником у своєму класі. Це класичний трилопатевий вітроагрегат з незмінним кутом установки лопатей, максимальною електричною потужністю 3 кВт, діаметром вітродвигуна 4,6 м та швидкістю обертання 500 об/хв. Лопата особливої конструкції виконана зі скловуглепластика за спеціальною технологією, має високий ресурс при малій вазі та забезпечує низький рівень шуму. Щогловий комплект (труба на розтяжках) максимально спрощений і здешевлений.
Основою ВЕУ є спеціально розроблений для неї низькооборотний безредукторний електрогенератор. За принципом роботи – це трифазний багатополюсний синхронний генератор змінного струму із збудженням від рідкісноземельних постійних магнітів.
Потужність вітрового потоку пропорційна кубу швидкості вітру і обчислюється поформулі:
Залежність потужності вітрового потоку швидкості для вітрогенератора ВЭУ-М-3/5 наведено малюнку нижче. На цьому ж малюнку наведено паспортні значення електричної потужності ВЕУ-3/5. У робочому діапазоні швидкостей 3 – 11 м/с коефіцієнт використання потужності вітру вітрогенератором ВЕУ-3/5 становить близько 0,3. Це непогане значення для вітроустановок. Навіть теоретично неможливо досягти коефіцієнта 0,6, а реально цей коефіцієнт ще в 1,5 – 2 рази менше. При високих швидкостях вітру коефіцієнт використання зменшується ще сильніше. Так, при швидкості вітру 20 м/с потужність вітру сягає 80 кВт, але генератор неспроможна її використовувати. На жаль, технічно неможливо забезпечити високий коефіцієнт використання потужності вітру в широкому динамічному діапазоні її зміни (на три порядки).
Структурна схема установки представлена малюнку нижче. Вітрогенератор генерує трифазну змінну напругу. Акумулятор заряджається через випрямляч постійним струмом. Цим процесом управляє контролер заряду. Акумуляторна батарея потрібна для згладжування випадкових коливань навантаження та потужності вітру. Регулювання та обмеження швидкості обертання вітродвигуна при високих швидкостях вітру (до 40 м/с) досягається за рахунок електромагнітного гальмування генератором. Якщо при цьому акумулятор вже заряджений, то надмірна енергія, що генерується, розсіюється в резистивних трубчастих електронагрівачах (ТЕН-ах).
Живлення побутових електроприладів змінною напругою 220 В, 50 Гц здійснюється від акумуляторної батареї через інвертор. У разі відсутності вітру використовується резервний бензиновий електрогенератор. Хоча резервний генератор може безпосередньо живити побутові електроприлади, такий режим енергетичноневигідний. Більшу частину часу резервний генератор буде недовантажений через мінливість споживаної потужності. Найвигідніше заряджати від нього акумулятор (через випрямляч). При цьому резервний генератор включатиметься зрідка і короткочасно, але на повну потужність. У такому режимі ресурс мотогодин бензинового генератора та паливо будуть використані найбільш раціонально.
Кількісно мінливість вітру характеризується графіками щільності розподілу швидкості та автокореляційної функції. Мається на увазі середньогодинна швидкість.
Щільність розподілу визначає частоти повторюваності різних швидкостей. Для вітру характерна сильна несиметрія розподілу швидкості. Слушною теоретичною моделлю вважається розподіл Вейбулла. На малюнку нижче наведено необхідний теоретичний розподіл Вейбулла. Параметр a, що визначає несиметрію, прийнятий рівним 1,5. Параметр b, що визначає середнє значення, прийнятий 7 м/с. Це типові для кримських вітрів значення.
Автокореляційна функція відображає відносну стабільність швидкості вітру на коротких часових інтервалах (якщо зараз штиль, то велика ймовірність, що через годину теж буде штиль). Характерний час автокореляції швидкості вітру близько 10 годин. На довших інтервалах взаємозалежність різко послаблюється.
На малюнку нижче наведена статистична модель усієї вітроенергетичної установки (включаючи акумулятор та резервний бензиновий генератор) у середовищі програмного засобу VisSim. Такт моделювання 1 з відповідає 1 години в реальному часі. Внутрішня структура моделі захована всередині блоку Power Installation Model. Виведено осцилограми основних змінних моделей.
Generator capacity – потенційна потужність генератора (кВт). Такупотужність генератор може видавати, якщо споживач може її прийняти всю. Інакше реально генерована потужність буде меньше.
Power generation – потужність, що реально генерується (кВт). Вона витрачається на зарядку акумулятора та живлення споживача.
Power demand – потрібна споживачем потужність (кВт). Завдяки наявності акумулятора і резервного генератора, потреба задовольняється на 100%, тобто необхідна потужність завжди збігається з потужністю, що реально споживається. Але споживана потужність не збігається з потужністю, що генерується, так як акумулятор то заряджається за рахунок надлишку генерованої потужності, то розряджається для покриття надлишкової потреби.
Charge – заряд акумулятора (кВт·год). Змінюється в межах від 0 до 20 кВт·год (це гранична ємність акумулятора).
Power reserve – потужність резервного бензинового генератора (2,5 кВт). Зрідка короткочасно вмикається при слабкому вітрі, коли заряд акумулятора наближається до нуля і його потрібно зарядити.
Регулювальну характеристику включення резервного генератора наведено на малюнку нижче. Резервний генератор вмикається, якщо заряд акумулятора падає нижче 2 кВт·год, і вимикається, коли заряд акумулятора доходить до 7 кВт·год.
Виробник вітрогенератора рекомендує використовувати акумулятор з енергетичною ємністю 20 кВт·год (добовий запас енергії). Цікавить дослідження наступне питання. Чи можна уникнути резервного бензинового генератора, збільшивши ємність акумулятора? На перший погляд це можливе, адже середня потенційна потужність вітрогенератора перевищує середню потребу. На малюнку нижче наведено залежність тривалості включень (ПВ) резервного генератора від ємності акумуляторарезультатів статистичного моделювання). З графіка видно, що ПВ справді зменшується із збільшенням ємності акумулятора. Але навіть при чотириразовому збільшенні ємності до 80 кВт·год (акумулятор тоді важитиме 2 тонни!) не вдається довести ПВ до нуля. Таким чином, позбавитися резервного бензинового генератора за рахунок збільшення ємності акумулятора практично нереально.
На малюнку нижче наведено баланс середніх потужностей вітрогенератора за результатами моделювання. Середня потужність вітрового потоку є досить великою і становить 12 кВт. Однак поточна потужність вітру змінюється в широкому динамічному діапазоні, від нуля до сотні кіловат. Практично неможливо створити вітрогенератор, що ефективно працює у всьому цьому діапазоні потужностей. Тому в середньому ефективність використання потужності вітру невисока. Так, встановлена потужність генератора в 4 рази менша, що становить лише 3 кВт. Таку максимальну електричну потужність можна отримати за стабільної швидкості вітру 11 м/с і узгодженого навантаження. Надлишок потужності при великих швидкостях вітру просто зникає. Якщо врахувати нестабільність вітру, то середня потенційна електрична потужність складе 1 кВт (і це за умови, що навантаження відбирає всю потужність, що генерується). Якщо врахувати ще неузгодженість навантаження (максимуми споживання не відповідають максимумам продуктивності), то реальна потужність, що генерується, буде ще менше в 1,6 рази, що складе 0,636 кВт (і це незважаючи на наявність акумулятора). Коефіцієнт використання встановленої потужності генератора становить лише 0,636/3 = 0,021 = 21%. В електричну енергію перетворюється лише 0,636/12 = 0,053 = 5,3% від початкової енергії вітру.
Резервний бензиновий генератор, що зрідка включається принедостатній вітер (ПВ=4,6%), додає в середньому 0,113 кВт. В результаті, отримуємо середню потужність генерується 0,75 кВт.
Через втрати в акумуляторі та інверторі реальна потужність, що віддається споживачеві, буде ще меншою (в 1,4 раза) і складе 0,54 кВт. Це відповідає середньомісячному споживанню 0,54 · 24 · 30 = 390 кВт · годину електроенергії. Склад побутових електроприладів та режим їх використання має бути обраний відповідно. Це скромно, але досить комфортно для невеликого індивідуального будинку.
Загальна місячна плата за електроенергію 1500 грн складається з амортизаційної плати за встановлене обладнання 1080 грн (термін окупності прийнято 10 років) та плати за бензин для резервного бензогенератора 430 грн.
Вартість однієї кіловат-години електроенергії буде 1500/389 = 3,88 грн, що на порядок більше вартості електроенергії від мережі.
Енергетична автономність приватного житла за рахунок використання автоматизованого вітрогенератора технічно досяжна, проте плата за автономність виявляється високою. Вартість вітро-електроенергії, навіть в умовах Криму (найкращі в Україні, середня швидкість вітру до 7 м/с), виявляється на порядок більшою, ніж при живленні від електромережі.
Енергетична ефективність індивідуального вітрогенератора дуже мала. Середня споживана електрична енергія складає всього 4.5% від середньої потужності вітрового потоку, що проходить через вітрогенератор, і 18% від встановленої потужності електрогенератора.
Основним фактором, що заважає збільшити енергетичну ефективність вітрогенератора, є випадкова мінливість потужності вітрового потоку у великому динамічному діапазоні (на три порядки).
Рекомендується використовувати вітрогенератор з діаметром лопатей 4,5 м,швидкістю обертання 500 об/хв, висотою щогли 10 м, безредукторним багатополюсним синхронним генератором з постійними магнітами потужністю 3 кВт, акумуляторну батарею енергоємністю 20 кВт·год, масою 500 кг, резервний бензогенератор на 2,5 кВт, інвер. Така установка забезпечить середнє споживання електроенергії 390 кВт·год на місяць за ціною 3,88 грн за кіловат·год.
За розрахунковий термін окупності 10 років доведеться тричі змінити бензогенератор та один раз акумуляторну батарею. Робота самого вітрогенератора передбачається безаварійною і не потребує техобслуговування.