РОЗДІЛ 2
ВІТРОЕЛЕКТРОУСТАНОВКИ ТА ФОТОБАТАРЕЇ В АВТОНОМНИХ ЕНЕРГОСИСТЕМАХ НА ОСНОВІ
ВІДНОВЛЮВАНИХ ДЖЕРЕЛ ЕНЕРГІЇ
2.1. Вітроелектроустановка в енергосистемах на основі відновлюваних джерел
енергії
ВЕУ в автономних комплексних енергосистемах на основі ВДЕ, якщо дозволяють
кліматичні умови, використовуються досить широко. Відносна частина встановленої
потужності комплексної енергосистеми, що припадає на ВЕУ, звичайно в декілька
разів перевищує відносну частину встановленої потужності, що припадає на
фотобатарею, тобто , де - загальна встановлена потужність енергосистеми, -
відповідно встановлені потужності вітроустановки та фотобатареї. Це
пояснюється, по-перше, вартістю одного Вт встановленої потужності: для ВЕУ ця
вартість складає 1 – 1,5 $/Вт, в той час як для фотобатарей на теперішній час –
4,5 – 5 $/Вт [25], по друге, величиною потужності, яку можна зняти з 1 м2 площі
фотобатареї та вітроколеса. При максимальній енергії, яка приходить на 1м2
земної поверхні у вигляді сонячного випромінювання 1000 Вт/м2 (тропічний пояс)
і досягнутому на теперішній час ККД фотоелементів 13 – 14%, максимальна
потужність, яку можна зняти з 1м2 сонячної батареї складатиме 130 – 140 Вт
(максимальна питома потужність ). Потужність, яку можна зняти з 1 м2
вітроколеса, дорівнює:
[2] (2.1.1)
де - коефіцієнт потужності – параметр, який характеризує ефективність
використання вітроколесом вітрового потоку, він залежить від конструкції
вітроколеса та швидкості вітру, - густина повітря, - швидкість вітру.
Відповідно до критерію Бетца значення не може перевищувати , густина повітря =
1,29 кг/м3. Підставивши ці дані в формулу (2.1.1), отримаємо, що при швидкості
вітру = 7м/с питома потужність вітроколеса дорівнюватиме максимальній питомій
потужності фотобатареї. Враховуючи те, що в реальних промислових ВЕУ досягнуто
значення = 0,4, швидкість вітру, при якій питома потужність вітроколеса
дорівнюватиме максимальній питомій потужності фотобатареї складатиме м/с.
Виходячи з того, що здебільшого ВЕУ проектуються для роботи з максимальними
швидкостями вітру 17 – 20 м/с, максимальна питома потужність вітроустановки
складатиме =1300 - 2064 Вт/м2, що в 10 – 20 разів перевищує відповідний
показник для фотобатарей.
Враховуючи вищенаведене, можна стверджувати, що там, де дозволяють кліматичні
умови, ВЕУ в комплексних енергосистемах вироблятимуть основну частку енергії,
тоді як фотобатареї доцільно використовувати, разом з акумуляторними батареями,
як резервне джерело живлення, призначене для енергозабезпечення пріоритетних
об’єктів в періоди відсутності вітру.
Беручи до уваги ту важливу функцію, яку здійснюють ВЕУ в комплексних
енергосистемах на основі ВДЕ, слід відмітити проблему підвищення ефективності
перетворення вітроустановками енергії вітру, а також підвищення ефективності
передачі електроенергії споживачеві і акумулювання надлишкової електроенергії.
Ефективність перетворення енергії вітроколесом характеризує коефіцієнт
потужності . Електрична потужність на виході ВЕУ визначається обертальним
моментом на валу вітроколеса та частотою обертання . Тут - коефіцієнт
обертального моменту та максимальний обертальний момент, який дорівнює: [2] де:
- відповідно максимальна сила, яка діє на вітроколесо і радіус вітроколеса. В
роботі вітроустановки можна виділити два характерних режими: режим з
максимальним коефіцієнтом потужності (режим максимального ККД), та режим
максимальної потужності, коли . Коефіцієнти та є функціями швидкохідності
вітроколеса [2]. Слід відмітити, що максимальним значенням вихідної потужності
та ККД відповідають різні значення швидкохідності. Тобто, в залежності від
критерію ефективності енергосистеми належить підтримувати оптимальну
швидкохідність вітроколеса.
Здійснення цього принципу регулювання для малопотужних (до 5 – 10 кВт)
вітроустановок, які призначені безпосередньо для заряду акумуляторів і живлення
споживачів постійного струму, практично неможливе через те, що в таких
вітроустановках не передбачена можливість безпосереднього регулювання частоти
обертів вітроколеса. Єдине, що можна запропонувати в цьому випадку, це
регулювання навантаження, тобто комутацію акумуляторних батарей. Принцип такого
регулювання слідуючий: якщо потужність, яку розвиває вітроколесо, перебільшує
потужність, необхідну для заряду одного акумулятора, система управління
підключає до ВЕУ стільки акумуляторів, скільки потрібно, щоб струми їх заряду
не перевищували максимально допустимих для даного типу акумуляторів.
Якщо автономна система енергоживлення складається з вітроустановки змінного
струму, від якого живляться споживачі в періоди наявності вітру, та
акумуляторної батареї і інвертора, від яких споживачі живляться під час
відсутності вітру (приклад такої системи зображено на рис 2.1), то в цьому
випадку можливо запропонувати спосіб регулювання, який значно покращує
коефіцієнт використання енергії вітру.
Рис. 2.1. Енергосистема на основі вітроелектроустановки змінного струму:
ФБ – фотобатарея,
АБ – акумуляторна батарея,
ТА – тепловий акумулятор
Як відомо, в енергосистемах такого типу необхідно підтримувати постійну частоту
обертаня вітроколеса. Для цього використовують додаткове резистивне
навантаження, яке під’єднується паралельно споживачеві, або регулювання кута
атаки лопаті. І в першому і в другому випадках таке регулювання веде до втрати
частини електричної потужності, або до її нераціонального використання.
З метою збільшення коефіцієнту використання енергії вітру, додаткове резистивне
навантаження можна замінити акумуляторною бат