Ветрогенератор постоянного тока

Характеризуется номинальной электрической мощностью (Вт) или выходным током (А), который генератор вырабатывает от турбины при определенной скорости ветра (м/сек). Обычно мощность замеряют при скорости 12 м/сек, но могут быть и другие значения.

Другой показатель - номинальное напряжение (В) генератора. Применяются несколько ступеней постояного напряжения: 12, 24, 36, 48, 120, 220 В. С ростом ступени соответственно уменьшается ток заряда.

Электрическая мощность генератора напрямую связана с мощностью турбины. Чем мощнее турбина, тем больше ее диаметр (м), и поэтому при установке она нуждается в более высокой мачте. На конструкции мачты влияет еще один параметр - общая масса установки (кг).

Известно, что с увеличением высоты скорость ветра растет. Причем воздушный поток имеет меньше завихрений. Поэтому есть смысл располагать турбину на достаточном уровне от поверхности земли. Не исключен случай, когда более мощная (а значит и более дорогая), но «низкорослая» турбина будет проигрывать в производительности маломощной, но «высокорослой» установке.

Для оценки работы ветровой установки могут применяться дополнительные характеристики:

количество лопастей;
частота вращения при номинальной мощности (об/мин);
пусковая скорость ветра - значение (м/сек) при котором турбина начинает вращение;
стартовая производительная скорость ветра - значение (м/сек) при котором от установки начинает поступать электрический ток;
максимальная скорость ветра - значение (м/сек) ниже которого турбина работает без повреждений;
годовая производительность - выработка электричества (кВт ч) при годовой средней скорости ветра (м/сек);
и другие.

--------------------------------------------------------------------------------

Для оценки увеличения скорости ветра от высоты применяется расчетная формула:

S / So = ( H / Ho )a

где:
So и Ho - известные значения скорости ветра (м/сек) на исходной высоте (м);
Н - запланированная высота (м);
S - определяемая скорость ветра (м/сек);
a - эмпирический показатель степени 0.14.

Например, известны скорость ветра So=5 м/сек на высоте Ho=2 м. Тогда прогнозируемая скорость ветра S на новой высоте H=10 м равна:

S = 5 х ( 10 / 2)0.14 = 6.26 м/сек,

что даст относительное увеличение мощности ветровой турбины в

N / No = ( S / So)3 = ( 6.26 / 5)3 = 1.96 раза.

 

Солнечная батарея

Характеризуется как источник электрического тока посредством фотоэлектрических преобразователей. Преимущество солнечных батарей обусловлено отсутствием подвижных частей, их высокой надежностью и стабильностью. При этом срок службы практически не ограничен. Недостатком является относительно высокая стоимость и низкий к.п.д.

Модульный тип конструкции позволяет создавать установки с различными уровнями напряжения и практически любой мощности. Как правило, солнечные фотопанели работают совместно с аккумуляторными батареям и поэтому их ступени напряжения должны совпадать - 12, 24, 36 В и т.д.

Выходная мощность солнечной батареи примерно пропорциональна интенсивности солнечного потока. Причем на количество получаемой энергии влияет интенсивность именно от прямых солнечных лучей. Номинальная мощность указываемая в технических характеристиках измеряется при стандартных тестовых условия. За основу нормируемого показателя солнечной радиации берется значение в 1000 Вт/м2. Другой фактор влияющий на мощность - температура ячек панели. С ростом темературы увеличивается ток, но уменьшается напряжение.

Подобно любому электрическому генератору солнечная батарея имеет выходную вольт-амперную характеристику. Если ток нагрузки отключен, то напряжение на солнечной батарее наивысшее и находится в пределах 19-22 В (для ступени в 12 В). Максимальная выходная мощность достигается при номинальном токе и напряжении. Для выходной характеристики точка номинального режима лежит на кривой в области колена. Так как мощность есть произведение тока и напряжения, то площадь прямоугольника в указанных координатах будет максимальна.


Время при котором освещенные солнечные батареи начинают эффективно работать находится между 9-00 и 15-00 часами. В остальной период количество получаемой энергии незначительно. Без больших проблем можно эксплуатировать установки, если они будут в утренние и вечерние часы закрываться тенью от деревьев и строений.

Производительность солнечных батарей наивысшая, когда падающие лучи препендикулярны плоскости панели. В стационарном положении панели необходимо ориентировать на юг. Так как максимальная высота солнца в течении года меняется, то возможно делать сезонную корректировку. Зимний угол установки относительно горизонтали находится как сумма географической широты района плюс 15 градусов. Летний угол, наоборот, есть разность между географической широтой и 15 градусами. Для постоянной эксплуатиции нужно выбирать зимний вариант. Таким образом, всесезонный угол установки для г.Находки равен: 43 градуса с.ш. плюс 15 градусов - итого 58 градусов относительно горизонтали.

Трекер (tracker) - рамная повортная конструкция, которая динамически ориентируется относительно видимого положения Солнца. Использование трекера увеличивает дневную производительность солнечных батарей летом на 25-40%, зимой на 10-15%.

Обычно электрическая энергия от солнечных установок поступает в аккумуляторную батарею не напрямую, а через регулирующий контроллер. Его главное назначение - следить за уровнем напряжения на клеммах батареи, не позволяя ей перезаряжаться. Дополнительные функции могут состоять из защиты от перегрузки, блокировки от ночного тока утечки, контроля за глубиной разряда батареи и пр.

Наиболее известными компаниями производящие солнечные батареи являются: Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar.

Солнечный свет - экологически чистый возобновляемый источник энергии. Плотность солнечной энергии у верхней границы атмосферы на поверхность, расположенную перпендикулярно направлению солнечных лучей составляет 1353 Вт /м2. Она носит название солнечная постоянная. Пиковая плотность потока у земной поверхности снижается и может достигать 1000 Вт /м2.
Вследствие вращения Земли вокруг Солнца по эллиптической орбите расстояние между ними изменяется. Поэтому часовое количество энергии достигающей атмосферы Земли колеблется в течении года менее чем на 7%.

При прохождении солнечных лучей через атмосферу Земли часть излучения рассеивается и поглощается. Это приводит к ослаблению прямого солнечного излучения и появлению диффузного (рассеянного) излучения. Часть рассеянной энергии возращается обратно в космическое пространство, а основной ее поток достигает поверхности Земли. Доля рассеянного излучения в общем потоке поступающей солнечной радиации зависит от географических и климотологических факторов и изменяется в течении года.

Распределение глобального потока солнечной радиации на поверхности земного шара крайне неравномено. Количество энергии поступающей за 1 год на 1 кв.м поверхности изменяется от 800 кВт ч на севере до 2200 кВт*ч в наиболеее жарких пустынных местах.

Облачность уменьшает поток суммарной радиации, а при сплошной облачности прямая радиация отсутствует. Районный потенциал суммарной солнечной энергии можно охарактеризовать среднегодовым приходом солнечной радиации на 1 кв.м (кв.см) горизонтальной поверхности. Годовые суммы неустойчивы год от году. Ежегодный приход суммарной радиации во Владивостоке колеблется возле 1300 кВт ч/кв.м (112 ккал /кв.см).

Для оценки продолжительности потока солнечной энергии применяется суммарный показатель - годовое число солнечного сияния. Для Узбекистана он составляет 2815-2880, Грузии - 2125-2520, Молдавии - 2005-2080 часов. Средний показатель в г.Находке равен 2350 часам. Максимальное значение обычно достигается в феврале - 212, минимальное в июле - 167. Средняя часовая продолжительность годового сияния во г.Владивостоке составляет 1999 часов - порт, 2300 часов - Сад-Город (пригород).

 

Аккумуляторная батарея

Характеризуется как источник и потребитель электрического тока c поочередной работой в режиме заряда-разряда. Основной показатель - номинальная емкость батареи (А-час), т.е. количество электричества, которое отдает полностью заряженная батарея. Необходимо иметь ввиду, что чем слабее разрядный ток (А), тем больше электричества извлекается при полном разряде. То есть действует принцип: «Хорошего - понемногу, но подольше».

Другой показатель для заряженной батареи - напряжение на клеммах (В). Если номинальное напряжения первичного аккумулятора равно 2 В, то номинальное напряжение батареи равно числу последовательно соединенных элементов, умноженному на два. Следовательно, подключая разное число элементов можно получать требуемые ступени напряжений.

При понижении температуры электролита на 1 градус емкость батареи уменьшается примерно на 1 процент. Таким образом, емкость батареи при 25 градусах мороза наполовину меньше, чем при 25 градусах тепла. Указанную зависимость следует учитывать при выборе места хранения батареи.

Саморазряд аккумуляторной батареи возникает вледствие образования местных токов между окислами активной массы и решеткой пластин. Кроме того, при длительном хранении плотность электролита в нижних слоях становиться больше, чем в верхних. Это приводит к появлению разности потенциалов и возникновению уравнительных токов на поверхности пластин. Нормальный саморазряд исправной батареи составляет около 10% за 14 суток.

Период эксплуатации любых батарей не вечен, даже если соблюдать правила хранения и обслуживания. Но для любых типов батарей справедливо правило: чем меньше глубина и количество разрядных циклов, тем дольше жизнь батареи.

Свинцовые батареи.

В автомобилях используются стартерные (тип СТ) свинцово-кислотные батареи. Такие батареи способны кратковременно отдавать ток большой величины за несколько секунд, что необходимо при пуске двигателя стартером. Их основной недостаток - не могут многократно значительно разряжаться без потерь эксплуатационных свойств. Вряд ли какая-либо стартерная батарея выдержит больше 30 циклов, при которых емкость падает на 80%. Хотя нужно отметить, что качество импортных батарей постоянно совершенствуется. Их подключение имеет некоторый смысл, если не давать батарее сильно разряжаться.

Более надежны специально изготовленые батареи многократного цикла глубокого заряда-разряда (deep cycle). Они широко используются в электрокарах, в поездах, в авиации, в шахтах, на судах и электростанциях. Также небольшие по емкости батареи применяются в компьютерных источниках бесперебойного питания (UPS - Uninterruptible Power Supplies).

Свинцовые стационарные батареи СН предназначены для эксплуатации на постоянном месте или в условиях, исключающих перемещение. Основу батареи составляет двухвольтовый аккумулятор закрытого исполнения. Батареи различаются количеством элементов, емкостью и массой. На базе СН созданы аккумуляторы СНУ (усиленные) обладающие повышенной механической прочностью.

Стационарные аккумуляторы АБН применяют на железных дорогах для питания устройств автоблокировки, сигнализации, телемеханики и связи. Саморазряд батареи, отключенной от сети за 28 суток не должен превышать 28% (при температуре воздуха +25 градусов).

Авиационные батареи различаются по типу использования. Аэродромный тип АСА преднаначен для наземного запуска двигателей и проверки оборудования. Бортовой тип АСАМ, САМ употребляется для автономного старта двигателей и агрегатов, при аварийных режимах в системе энергоснабжения.

Кроме того, выпускаются стационарные батареи открытого исполнения С, СК, СКЭ. Большинство из них не имееют крышек и поэтому требуют частой доливки воды и вентилируемых помещений. Гарантийный срок службы при соблюдения правил ухода 4 года, наработка 800-1000 циклов.

Щелочные батареи.

В щелочных аккумуляторах электролитом служит раствор щелочи, обычно гидроксида калия. Наиболее распостранены щелочные никель-кадмиевые НК и никель-железные НЖ аккумуляторы. Кроме того, в небольших маштабах выпускаются серебряно-цинковые и серебрянно-кадмиевые аккумуляторы. Все батареи предназначены для многократного глубого заряда-разряда.

Данный вид выпускается в ламельном исполнении, активная масса которых помещается внутри сменных перфорированных коробок (ламелей). Аккумуляторы помещаются в стальные никелированные сосуды. Примение полиэтиленовых сосудов позволяет поднять характеристики ламельных аккумуляторов (тип НЖЛ). Они имеют более высокую емкость и удельную энергию.

Напряжение аккумулятора зависит от режима разряда. Номинальное напряжение ячейки равно 1.15 В. Соединяя аккумуляторы различным образом можно получить батареи с требуемыми параметрами.

Наибольший объем щелочных аккумуляторов составляют тяговые никель-железные ТНЖШ, имеющие емкость 360-1150 А час. Они предназначены для электровозов, пассажирских железнодорожных вагонов и внутризаводского транспорта. В качестве электролита в них используется водный раствор гидроксида натрия (плотностью 1190-1210 кг/м3) с добавкой 20 г/л гидроксида лития.

Аккумуляторы предназначены для работы при температуре электролита от -20 до +45 С. Срок хранения ламельных никель-кадмиевых аккумуляторов 5 лет, никель-железных - 3.5 года. Наработка при разряде-заряде составляет 1000 циклов.

Разрядная характеристика.
является зависимостью напряжения (В) на клеммах от тока разряда (А) во времени (мин-час). Естественно, чем сильнее ток из батареи, тем больше и быстрее падает напряжение. Если емкость батареи 40 А час, а номинальный режим разряда 20-часовой, то разрядный ток равен 2 амперам. Или наоборот - емкость 60 А час, номинальный ток 6 ампер, тогда время разряда 10 часов.

Любой аккумулятор обладает внутренним сопротивлением, которое зависит от ряда факторов. Как только в цепи появляется нагрузочный ток, напряжение на клеммах снижается. Падение напряжение есть произведение тока разряда на внутреннее сопротивление. То же самое происходит при заряде, но с противоположным итогом - напряжение на клеммах увеличивается.

Определение уровня заряда батареи.
Плотность электролита служит основным показателем разряда батареи. Вместе с тем, напряжение на клеммах также может быть ориентиром остаточной емкости. Трудность при измерении заключается в том, что на практике батарея постоянно находится под влиянием тока нагрузки и подзарядных устройств. Для точной оценки необходимо снимать показания напряжения, когда влияние подключенных устройств минимально, т.е. батарея на холостом ходу. Ниже приведена таблица значений степени заряда свинцово-кислой батареи при +25 С.

Процент заряда Напряжение, В Плотность электролита
100 12.70 1.265
90 12,58 1,249
80 12,46 1,233
70 12,36 1,218
60 12,28 1,204
50 12,20 1,190
40 12,12 1,176
30 12,04 1,162
20 11,98 1,148
10 11,94 1,134
0 11,90 1,120

Для электролита с иной плотностью можно приблизительно допустить, что уменьшение плотности на 0.01 г /см3 соответсвует разряду на 6%.

--------------------------------------------------------------------------------

Об импортных батареях.
Рост выработки электричества от солнечных панелей и ветровых турбин привел к появлению батарей, специально разработанных для альтернативной энергетики. Выпускаются как свинцово-кислотные (lead-acid), так и щелочные никель-кадмиевые (Ni-Сad), никель-железные (Ni-Fe) аккумуляторы.

Характеристики батарей непрерывно подвергаются модернизации следуя правилу: больше энергии, меньше веса, дольше срок. В борьбе за рынок производители извещают о следующих возможностях: эксплуатация 10-15 лет, гарантия 3-5 лет, 1000-2000 циклов заряда-разряда. Наиболее известными компаниями в секторе альтернативной энергетики являются: Trojan, Surrette, Rolls Battery Engineering, Dyno, IBE и другие.

 

Освещение и бытовые приборы

Любая электрическая нагрузка характеризуется мощностью, т.е. способностью совершить работу за некоторый период. При этом затраченная электрическая энергия будет определяться как произведение напряжения, силы тока и времени. Эта формула универсальна и для переменного, и для постоянного тока.
Выбор номинального напряжения при изолированном энергоснабжении основывается на двух факторах:

стоимостью и доступностью бытовых электроприборов, расчитанных на выбранное напряжение в доме;
уровнем напряжения источников энергии.
Вопрос, что чему должно соответствовать, решается в каждом случае по обстоятельствам.

Использование аккумуляторных батарей дает возможность подключать полезную нагрузку непосредственно на постоянном токе. Если 12 вольтовые электроприборы широко распостранены благодаря автомобильным акессуарам, то компоненты на 6, 24 и 48 В встречаются гораздо реже. Необходимо учитывать, что более высокое напряжение может сократить потери в сетях, а также дать некоторую экономию за счет уменьшения сечений проводов.

Полность или частично отказаться от бытовых приборов на постоянном токе позволяет инвертор (invertor). На его вход подается постоянное напряжение, а на выходе поддерживается переменное напряжение 50 Гц. Существуют несколько стандартных ступеней с отношением U пост./ U пер.: 12/220, 24/220, 48/220. Система с обратной функцией преобразования напряжения представляет собой обычное зарядное устройство (charger). Часто оба устройства совмещают в одном корпусе.

Оценка суммарной электрической нагрузки

Умножая потребляемую мощность на количество рабочих часов можно получить затраты энергии (Вт • час) отдельного бытового прибора. Суточный, недельный или месячный расход электричества в доме складывается из суммарного потребления всех приборов за расчетный период. Более точные затраты электроэнергии определяются по показаниям счетчиков, которые существуют как для переменного, так и для постоянного тока.

Если суточное потребление электроэнергии в доме составило 1000 Вт • час, то такое же количество электричества должно поступить от первичных источников энергии или от аккумуляторных батарей. В случае когда нагрузка питалась только от батарей разряд последних составит:

для 12 вольтовой ступени: 1000 / 12 = 83.33 А • час;
для 24 вольтовой ступени: 1000 / 24 = 41.67 А • час;
для 48 вольтовой ступени: 1000 / 48 = 20.83 А • час.

При эксплуатации не рекомедуется снижать емкость аккумуляторов ниже 20% (а еще лучше не ниже 50%). Тогда с учетом постоянного резерва полная емкость банка батарей составит:

для 12 вольтовой ступени: 83.33 / 0.8 = 103.75 А • час;
для 24 вольтовой ступени: 41.67 / 0.8 = 52.09 А • час;
для 48 вольтовой ступени: 20.83 / 0.8 = 26.04 А • час.

Если нагрузка целиком снабжалась от инвертора, то следует учесть потери на конвертацию постоянного тока в переменный. При 90% эффективности инвертора емкость банка батарей возрастет

для 12 вольтовой ступени: 103.75 / 0.9 = 115.28 А • час;
для 24 вольтовой ступени: 52.09 / 0.9 = 57.88 А • час;
для 48 вольтовой ступени: 26.04 / 0.9 = 28.93 А • час.

Определив суточную емкость батарей можно рассчитать емкость, необходимую для питания нагрузки в течении произвольного количества дней когда другие источники энергии не действуют.


Инвертор - батарейный генератор на 50 Гц.
Для многих пользователей первое знакомство с инвертором может произойти при работе с компьютером. UPS (Uninterruptible Power Supplies) защищает информацию при скачках напряжения в электрической сети, автоматически переводя питание компьютера на аккумуляторную батарею. Емкости батареи обычно хватает на 10-15 минут работы, что достаточно для корректного закрытия программ и сохранения данных.
Инверторы для автономного энергоснабжения специально ориентированы для питания разнообразной электрической нагрузки. Они имеют ряд технических особенностей:

не боятся пусковых токов при включении компрессоров, насосов и других приводов;
коэффициент мощности cosф (power factor) не ограничен и обычно имеет крайние значения от -1 до +1;
предусмотрена необходимая защита от перегрузок и коротких замыканий;
наличие мощного зарядного устройства позволяет гибко и быстрее восстанавливать емкость батареи.
Существует классификация инверторов по форме выходного напряжения. Различают инверторы с квадратичной (square), с трапецидальной (modifed sine ware) и с синусоидальной формой (sine ware). Для нагрузки с магнитными сердечниками (двигатели, трансформаторы) модификация формы напряжения приводит к некоторому изменению мощности. Для ламп накаливания и нагревательных приборов указанный фактор значение не имеет. Отдельное электронное оборудование (принтеры, серверы) может функционировать только на гармонической форме напряжения.

По сравнению с топливными эл.генераторами инвертор имеет ряд преимуществ:

бесшумность в работе;
отсутствие механического износа и ремонта;
мизерныйный расход энергии при снижении нагрузки (х.х.);
минимальное колебание выходной частоты (не превышает сотых долей процента);
экологичность и возможность подключения альтернативных источников энергии.
Наиболее известными компаниями производящие инветоры для альтернативной энергетики являются: Trace Engineering, Exeltech, Microsine, Heart Interface, Statpower и другие.

 

Украинская баннерная сеть