Малките вятърни генератори или

ползите от малкия вятър

част от проект - ВЯТЪРЪТ РАБОТИ – Оценка на потенциала

за производство на електроенергия от малки вятърни генератори на територията на 3 общини

* Проектът се осъществява с финансовата подкрепа на Програмата за подкрепа на НПО в България, по Финансовия механизъм на Европейското икономическо пространство 2009 - 2014 г.

изготвил: инж. Илия Радев

Климът – Вятърен енергиен потенцял

Енергия за хората

В сферата на енергетиката, централизираното производство и разпределението на тока, като основен енергиен ресурс е остаряла концепция, но все още особено популярна. Тенденциите, които се налагат като устойчив модел в съвременните взаимоотношения в този сектор са частично децентрализиране и локализиране на 20-30% от общата консумирана електроенергия. Именно това е в основта на последните директиви за развитие на този сектор в Европа, Канада, САЩ, Китай...

Разбира се, да се премине към такъв гъвкав енергиен модел е различно в различните райони и икономики по света.

Енергийни мрежи

Доверието в институциите намалява и комуналното разпределение на ресурсите се подкрепя от все по малко хора и организации, независимо от социалния статус на обществата. Единсвено в райони с изключително голям излишък на енергийни ресурси съществуват относително стабилни комунални мрежи за разпределение.Тенденцията в света е енергийните централизирани монополи да се пропукват, поради огромните си общи, изнесени и скрити разходи, както и слабата си гъвкавост. Вече производствата и консуматорите се местят твърде често и бързо, а централите не могат.

Енергийни мрежи

Централизирани модели

Тенденцията транспортирането на тока да става все по скъпо от неговото производство, налага новите модели, които включват все по голям процент локализация на производството на енергия.

Преобразуването на енергията в различните и форми: Механична – Топлинна – Електрическа... е другият процес, който драстично увеличава цената и с 200/300% от базовата себестойност.

Съществуването на монополни централизирани модели за производство на Електроенергия, бе възможно до сега поради малките заявки и лесно достъпните ресурси.

Вече живеем в глад за енергийни ресурси, поради високата цена на тяхното добиване и драстичното увеличените заявки за електроенергия.

Това са основните фактори обуславящи тази тенденция.

Възобновяеми източници

Именно нуждата от локални алтернативни енергоизточници е причината, поради която енергията от възобновяеми източници става популярна, това че самият ресурс е “безплатен” на пръв поглед е второстепенна екстра, но не и основна причина.

В този контекст, локалните решения за производство на ток имат много вариации, но същественото е, че за всяка област доминира една или две технологии, които са реализуеми и икономически обосновани.

За пустинни местности и високопланински плата, са характерни добър добив от слънчева и вятърна енергия. За северна Канада и Русия оттока на големи реки провокират добив от ВЕЦ. Повечето планински масиви, крайбрежни райони и острови - вятърни турбини и т.н.

Малките дизелови централи и генератори са оправдани в малкото райони по света, където все още добива на петрол е евтин. Анализ на самите източници показва, че петрола като ресурс който може да ни осигури локално производство на ток е вече твърде скъп, а той сам по себе си, също трябва да бъде транспортиран. Високата цена - себестойност и притежание на самите дизелови генератори е допълнителен утежняващ фактор.

Слънчевата енергия е основния локален източник, който е в изобилие през половината от денонощието, но все още технологиите които преобразуват добитата слънчева радиация в електричество са с много ниска ефективност 13-15%. Самите съоръжения, все още са най- скъпите съпоставимо с останалите съоръжения, позволяващи да се реализира локално производство.

Локалните решения

Локалните решения

Съпоставки

Изискват огромно количество буферни акумулиращи мощности за да компенсират заявките за ток през тъмната част от деня.

В райони с висока слънчева радиация, ниска влажност, слаби ветрове и ниска запрашеност Термо – соларните модули биха имали предимство, но тъй като технологията с която се преобразува топлината от слънчева радиация в електричество е чрез парна турбина, трудно се достига 40-50% ефективност дори и при най – високия клас съоръжения. Малките съоръжения от този тип са икономически неизгодни.

Фотоволтаиците не се включват като конкурентна технология независимо от относително по ниските цени, които бума от държавни субсидии създаде, защото допълнителните скрити разходи от дефектиране на кристалите не се отчита. Поради ниската си ефективност, изискват огромна площ, което е основен проблем при всяко локално производство на ток.

Съпоставки - продължава

Успешно приложими са при слънцезащитните системи за южните фасади на сгради, където са икономически оправдани при наличие на следяща контролна система.

Основната опция с която слънчевата енергия няма конкуренция е ако се добива локално като топлинна енергия, посредством рефлекторна или оптична система и се използва само за отопление, като са необходими топлинни акумулатори за тъмната част от деня.

Практически няма ефективна технология за производство на ток от слънчева радиация.

Вятърът като ресурс, към който се насочихме, няма конкуренция в райони с силен енергиен потенциал на потока и средна годишна скорост над 7м/с. Допълнителни фактори на околната среда, които подсилват значимостта на тази технология са висока влажност, чести обледенявания, преобладаващи силни бури.

Вятъра като ресурс При тези условия останалите технологии за локални производства

на електроенергия имат огромна себестойност и постоянни разходи за поддръжка.

За крайбрежните райони с висока влажност слънчевата радиация е много слаба за разлика от постоянните денонощни и целогодишни ветрове.

Статистиката показва че над 70 % от населението на земята обитава крайбрежията.

Основно предимство на вятъра като ресурс е, че се разпределя в цялото денонощие и относителния дял на консервиращите мощности, които да изравняват добива е малък.

В области с няколко сезона най – значимия добив е през зимата именно когато консумацията е най – голяма.

Малките и големите вятърни турбини - съпоставки

Технологията и натрупания опит в областта на механиката и аеродинамиката – основа на самата вятърна турбина, позволяват да се изпълни дълговечно съоръжение с минимално обслужване. Определени конфигурации могат да бъдат реализирани като необслужваеми, ако клиента или естеството на проекта го изисква.

Ветровитите райони с преобладаващи силни ветрове и бури разполагат с енергиен ресурс, които за локално производство на електроенергия не са рядкост.

Възниква въпроса, каква алтернатива дават големите вятърни турбини. Това са съоръжения които са икономически рентабилни, когато бъдат изградени в паркове, единични структури биха имали огромни разходи за инфраструктура, присъединяване и поддръжка, които надхвърлят разходите на самото съоръжение.

Съпоставки - продължава

Другият сериозен негатив е факта че големите турбини са проектирани да работят максимум до 26м/с скорост на потока. Зоната им на оцеляване е под 50м/с за най – високия клас.

За повечето ветровити области бури от 50-60м/с скорост на вятъра веднъж годишно са нещо обичайно.

Парадокса на големите вятърни турбини, е че именно за райони в които тяхната рентабилност е безусловна – средно годишни скорости на вятъра 8-9м/с, тоест условията за добив са превъзходни, именно там екстремалните условия по време на буря разрушават съоръжението.

Видове малки турбини

Вятърна турбина, тип хеликсова спирала, усвоява енергията на потока на реактивен принцип. Генерира се електроенергия с характеристики на тока в съответствие с европейския стандарт / 220V – 50Hz.

Основни принципи за адаптиране на конструктивната част и дизайна на аеродинамиката са:

- Висока ефективност при преобразуване на енергията на наличния вятър.

- Почти безшумната работа на въртящите се елементи. - Липса на вибрации, които да се предават към конструкцията на

сградата. - Позволяват турбината да остане в добър баланс при високи

обороти дори при силна буря.

Видове малки турбини

Аеродинамичната система – турбина.

Спираловидни турбини: Самата въртяща се част е спираловидна вертикална турбина. Въртящият момент се генерира на реактивен принцип, в следствие

голямата разлика в налягането от двете страни на турбинното перо. По голямата част от струята се изнася от вертикалния вортекс, който същевременно обдухва и охлажда намотките на статора.

Важно предимство на тази система при силна буря е, че въртящата се спирала е с малък инерционен момент и лесно може да бъде спряна, без да възникнат резонансни явления които да я разрушат.

Оцеляването и при силни бури с големи турбуленции и пулсации е забележително.

Функция и механика

Спираловидната турбина се изпълнява от армиран полимер – изключително устойчив на външни условия.

Възможни материали - високоякостни дуралови сплави; специализирани стомани; армирани полимери – полиестер; полиетитен; полиамид.

Механичните елементи при ставите са най уязвимата част от системата.

Запрашването, обледеняването и корозията, като основни подриващи фактори на околната среда са проблем за ставите.

Силова електроника

Включва AC/DC конвертор; акумулиращ – буфериращ блок, който изравнява вариациите м/у производство и потребление на ток, инверторен блок, който модулира честотата и конвертира тока DC/AC – монофазен и го съгласува с изискванията на крайните консуматори и мрежата. Дъпер товар осигурява разсейването на свръх продукцията.

Контролна система – осигурява интегрирането на всички модули от силовата електроника и тяхната оптимална работа при различните режими при различните режими, продиктувани от условията на околната среда.

Съществена част на контролната система е мониториращия модул. Той включва сензори за снемане на физическите параметри от околната среда, синхронизация на данните и процесите, комуникационен модул, осигуряващ трансфера на данни към глобалната информационна мрежа, обработка и анализ на данните.

Силова електроника

Функция - продължава

Основната функция на контрол се състои в управление на системата турбина- генератор, като я вкарва в режим на максимален добив за всеки един различен момент, при вариращи параметри на входящия поток – скорост и плътност на ветровата струя. Това се реализира, чрез промяна на заявената консумация на контролерите управляващи заряда на акумулиращия модул. При конкретна скорост и плътност на потока, имаме само един определен режим на работа при който се извлича максималния добив.

Функция - продължава

Описано като механизъм – Контролната система следи входните параметри на потока от сензорите – подава заявка за консумирана мощност към генератора, като товар – проверява и анализира добива, спрямо вече натрупаната статистика за оптималните работни характеристики, при сходни условия на околната среда и прави няколко пилотни проверки - итерации, докато намери оптималния режим на работа в конкретния момент за извличане на максимален добив.

Този динамичен режим гарантира, че системата ще работи при максимална ефективност при всички скоростно интервали – както при слаб, така и при силен вятър, ще се извлича максималния добив.

Контролната система дава възможност за постоянно дистанционно наблюдение на съоръжението и неговата работа, което е основна предпоставка за необслужваемия му статус.

При екстремни състояния на околната среда контролната система предпазва турбината от разрушаване.

Вятърната турбина и агресивната среда

Турбината съвместява две противоречиви и противопоставящи се от техническа гледна точка характеристики – улавя фините слаби вятърни потоци ,които преобладават в градска среда и същевременно, продължава да работи и остава невредима при силни бури и турболенции, които за дългия живот на това съоръжение няма да са рядкост.

Влагата и солта във въздуха, характерни за крайбрежните райони, също няма да са проблем поради безконтактната работа на магнитното поле.

Контролна система, която да извлече максимални коефициенти на полезно действие при различните скоростни интервали на вятърния поток - автономна работа без обслужване при динамичен режим.

Възможност да се интегрира в цялостното управление на сградната енергетика.

Лесно се вписва в общия облик на сградата.

Вятърна турбина и агресивна среда

Други видове вертикални турбини

Друг вид турбини са високо скоростните пропелери – работят също на реактивен принцип.

Те ефективно извличат енергията от вятърния поток, но значително по трудно се вписват в архитектурата на сградите.

Стартовите им скорости са при около 5 м/с на потока и започват да работят ефективно при скорости над 7м/с.

Достигат ефективности от 30/40% при високи обороти. Савониус турбините са ниско ефективни евтини решения които не

използват реактивния принцип на преобразуване на енергията на вятъра.

Като недостатък е относително шумната им работа и ниската ефективност при по – големи скорости на вятъра. Рядко достигат ефективност от 15%.

Техническо описание и параметри на примерна турбина

Районът на Белмекен – Рила при около 2000м надморска височина е със следните технически параметри:

Входната обдухваната площ на турбина е 2,661м2 Турбина – стартира въртенето при 3,5м/с с механична мощност

51W. При 8м/с очакваната мощност е 402W. При 14м/с ( това е обичайна номинална скорост на вятъра въз

основа на която повечето производители дават статични параметри на своите вятърни турбини) очакваната мощност е 2,156кW. Това е оптималния работен режим с оглед изискванията на генератора и силовата електроника. Достигат се обороти – периферна скорост на въртене – 440rpm.

При 21м/с очакваната механична мощност е 7,275 кW. Това са обичайни скорости на потока при бури. Съответни обороти – 720rpm.

Техническо описание - продължава

При екстремални скорости на вятъра от порядъка на 31м/с очакваната механична мощност достига 23,403 кW. При такива условия системата работи при извънредни режими на контролирано претоварване и този режим не е перманентен. Когато се достигне прага на възможностите, турбината се спира докато се охладят намотките в статора и след това отново се пуска.

При малките обороти и ниските скорости на потока силовата електроника и генератора работят при относително по ниска ефективност.

Максималната мощност на тестовия генератор е 4,5kW преди да влезе в режим на претоварване.

Свръх натоварване

Практически това което ще се случва в този режим може да се опише по следния начин:

В даден момент скоростта на потока се повишава много , минава прага на перманентния режим от 19м/с и температурата в намотките на статора започва да се повишава.

Когато сензорите отчетат пределния максимум,който е с 30% по – голям от допустимата температура в перманентен режим, контролната система свива добива за да облекчи генератора при което оборотите се увеличават пропорционално.

Когато оборотите достигнат и надхвърлят допустимия праг от 1200 rpm, се появяват ексцентрични резонансни явления които могат да разрушат турбината и затова контролната система спира турбината.

Техническо описание - продължава

При високата скорост на потока топло обмена е интензивен и температурата в намотките бързо се нормализира, след което контролната система пуска турбината за още един подобен цикъл в режим на претоварване. Тези цикли практически могат да се редуват през по – малки или големи интервали от време в зависимост от скоростта на потока и температурата на вятъра, но практически и в най-силната буря турбината може да направи няколко цикъла в режим на претоварване.

Тук ролята на контролната система е от изключително голямо значение. От информацията постъпваща от термо – сензорите, вградени в намотките на статора, се анализира актуалната позиция спрямо прага на разрушаване на електрическите компоненти и малко преди достигане на пределната точка на прегряване и разтапяне на изолационните Полимери, контролната система спира турбината.

Техническо описание - продължава

Този подход позволява на системата да извлече максимален добив дори по време на бури.

Зоната на оцеляване на турбината е 50м/с скорост на вятъра Себестойността на системата при единични количества ще е

2000/5000 Евро/kW В оказаната себестойност са включени следните модули с общи

номинални параметри на системата - извлечена електрическа мощност 1 kW при 14м/с скорост на вятъра.

Турбина – Корпус – Фундамент – Затворено пространство за инсталация на силовата електроника – Генератор – Силова преобразуваща електроника – Дъмпер товар – Контролна система и всички необходими сензори.

В конфигурацията не са включени акумулиращия модул и монтажа на съоръжението понеже като цена те варират драстично за всеки отделен случай.

Заключение и обобщение и съпоставки

Само около 5% от производителите на малки вятърни генератори

имат професионален клас изделия, повечето са близки до дилетантското гаражното производство. Един единствен сред тях произвежда изделие, което е устойчиво на силни ветрове (финландски производител, но с много малко КПД още при извличане на механичната мощност).

Подбор на турбина

Една част от професионално изпълнените системи са изключително скъпи за добива, който се гарантира и са много крехки при бури – прага им на оцеляване е около 30м/с.

Преустановяват работа още на 19м/с. Нямат контролна система, способна да анализира и оптимизира

работата на турбината, имат само статични аналогови контролни цикли с предварително зададени алгоритми.

Това е свързано с факта, че имат добра ефективност само в интервала от скорости на вятъра, които са близки до номиналната дадена скорост 14-15м/с, при по ниски или по високи скорости на вятъра коефициентът на полезно действие пада драстично.

Подбора е строго индивидуален за всеки един отделен случай.

Благодаря за вниманието!