Mała turbina wiatrowa - Small wind turbine
Małe turbiny wiatrowe , zwane również mikroturbinami wiatrowymi, są wykorzystywane do mikrogeneracji energii elektrycznej, w przeciwieństwie do dużych komercyjnych turbin wiatrowych, takich jak te znajdujące się w farmach wiatrowych . Małe turbiny wiatrowe często mają pasywne systemy odchylania w przeciwieństwie do aktywnych. Wykorzystują generator z napędem bezpośrednim i płetwę ogonową skierowaną na wiatr, podczas gdy większe turbiny mają przekładniowe układy napędowe, które są aktywnie skierowane na wiatr.
Małe turbiny wiatrowe zwykle wytwarzają od 500 W do 10 kW, chociaż mniejsze turbiny mogą być tak małe, jak pomocniczy generator prądu o mocy 50 W dla łodzi, przyczepy kempingowej lub miniaturowej jednostki chłodniczej, a Kanadyjskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej (CanWEA) definiuje „mały wiatr” do 300 kW. IEC 61400 standard określa małe turbiny wiatrowej, jak turbiny wiatrowe o wirnik skokowej powierzchnię mniejszą niż 200 m 2 , wytwarzając przy napięciu poniżej 1000 Va.c. lub 1500 V DC.
Projekt
Ostrza
Łopatki turbin na mniejszą skalę mają zwykle średnicę od 1,5 do 3,5 metra (4 stopy 11 cali-11 stóp 6 cali) i wytwarzają 0,5-10 kW energii elektrycznej przy optymalnej prędkości wiatru. Większość małych turbin wiatrowych to tradycyjne turbiny wiatrowe o osi poziomej . W niektórych sytuacjach turbiny wiatrowe o pionowej osi mają zalety operacyjne w zakresie konserwacji i umieszczania ze względu na ich prostotę, jednak VAWT są mniej niezawodne niż HAWT i mniej wydajne w przekształcaniu wiatru w energię elektryczną. Stosunek prędkości wierzchołków łopat do prędkości wiatru nazywany jest stosunkiem prędkości wierzchołka . Powinno to być utrzymywane w optymalnym punkcie wydajności. Wysoki współczynnik unoszenia do przeciągania generalnie również zwiększa wydajność.
Dostępna jest szeroka gama materiałów syntetycznych, w tym polimery wzmocnione włóknem węglowym, nanokompozyty i poliester szklany typu E. Chociaż włókna naturalne są podatne na zmiany jakości, wysokie pochłanianie wilgoci i niską stabilność termiczną, co czyni je niepożądanymi w przypadku większych łopatek, małe turbiny nadal mogą z nich korzystać. Można użyć drewna, a rodzaj drewna należy wybrać na podstawie dostępności, kosztów i czasu wzrostu, średniej gęstości, wysokiej sztywności i wytrzymałości na zerwanie. Powłoki są na ogół stosowane w celu zmniejszenia wilgoci, a biała emalia z podkładem okazała się szczególnie skuteczna. W łopatkach turbin zastosowano świerk sitkajski (stosowany w śmigłach) i daglezję . Nepal zastosował turbiny z małymi łopatkami wykonane z powlekanego drewna, w tym z drewna Sal , Saur , Sisau , Uttish , Tuni , Okhar , sosny i lakuri. Oprócz drewna, kompozyty na bazie bambusa mogą być również stosowane zarówno w dużych, jak i małych turbinach wiatrowych ze względu na ich niską gęstość i zdolność do sekwestracji węgla, co sprawia, że materiały bambusowe są przyjazne dla środowiska. Ponadto, w porównaniu z drewnem, bambus ma wyższą odporność na pękanie, wyższą wytrzymałość, niższe koszty przetwarzania i szybkie tempo wzrostu. Trwający rozwój materiałów obejmuje laminaty bambusowe wykorzystujące żywice oraz hybrydowe bambusowe materiały z włókna węglowego. Konopie, len, drewno i bambus są kandydatami na materiały na łopaty do małych turbin.
Umieszczenie
Małe turbiny wiatrowe wymagają minimalnej prędkości wiatru do rozpoczęcia generowania, zwanej prędkością włączenia. Prędkość ta wynosi zwykle około 4 metrów na sekundę (8,9 mil na godzinę), chociaż niektóre małe turbiny wiatrowe mogą być zaprojektowane do pracy przy niższych prędkościach wiatru. Turbiny są często montowane na wieży, aby unieść je nad pobliskimi przeszkodami. Jedna zasada mówi, że turbiny powinny być co najmniej 9 m (30 stóp) wyższe niż cokolwiek w odległości 150 m (490 stóp). Lepsze lokalizacje dla turbin wiatrowych znajdują się z dala od dużych przeszkód pod wiatr. Pomiary wykonane w tunelu aerodynamicznym w warstwie przyściennej wykazały, że znaczące szkodliwe skutki związane z pobliskimi przeszkodami mogą sięgać 80-krotności wysokości przeszkody z wiatrem. Jest to jednak przypadek skrajny. Innym podejściem do lokalizacji małej turbiny jest wykorzystanie modelu schronu do przewidywania, jak pobliskie przeszkody wpłyną na lokalne warunki wiatrowe. Modele tego typu są ogólne i można je zastosować w dowolnej witrynie. Często są opracowywane w oparciu o rzeczywiste pomiary wiatru i mogą oszacować właściwości przepływu, takie jak średnia prędkość wiatru i poziomy turbulencji w potencjalnej lokalizacji turbiny, biorąc pod uwagę rozmiar, kształt i odległość do wszelkich pobliskich przeszkód.
Na dachu można zainstalować małą turbinę wiatrową. Problemy z instalacją obejmują wtedy wytrzymałość dachu, wibracje i turbulencje powodowane przez półkę dachową. Małe turbiny dachowe cierpią z powodu turbulencji i rzadko generują znaczne ilości energii, zwłaszcza w miastach i miasteczkach.
Okablowanie
Generatory dla małych turbin wiatrowych są zwykle trójfazowymi generatorami prądu przemiennego, a trendem jest stosowanie typu indukcyjnego , chociaż niektóre modele wykorzystują generatory jednofazowe lub prąd stały .
Po przeprowadzeniu trójfazowego przewodu prądu przemiennego przez pierścień ślizgowy i w dół do końca odbiorczego, prostownik trójfazowy służy do konwersji prądu przemiennego na wyprostowany prąd stały w celu ładowania akumulatora, zwłaszcza w hybrydowych systemach zasilania energią słoneczną . Prostownik powinien być montowany do radiatora w celu chłodzenia, z możliwością dodania wentylatora komputerowego uruchamianego bimetalowym wyłącznikiem termicznym dla aktywnego chłodzenia.
Koniec DC prostownika jest następnie podłączony do akumulatorów. To połączenie powinno być jak najkrótsze, aby uniknąć strat mocy, zazwyczaj z bocznikowanym watomierzem cyfrowym pomiędzy nimi w celu monitorowania. Baterie są następnie podłączane do falownika , który zamienia energię z powrotem na prąd przemienny ze stałą częstotliwością w celu podłączenia do sieci i wykorzystania końcowego.
Hamowanie dynamiczne reguluje prędkość, odprowadzając nadmiar energii przez obciążenie rezystancyjne podczas silnych wiatrów, aby zapobiec uszkodzeniu turbiny. Rezystor hamowania dynamicznego jest często nazywany obciążeniem dywersyjnym lub obciążeniem zrzutowym. Hamowanie dynamiczne jest wykonywane przez kontroler, który jest aktywowany, gdy akumulatory przekroczą określone napięcie, które włącza obciążenie zrzutowe za pomocą solenoidu lub przekaźnika półprzewodnikowego DC/DC , z których ten ostatni ma dodatkową zaletę: awaria otwarcia". Kontroler musi być odpowiednio dostrojony, aby uniknąć pasożytniczych oscylacji , co można osiągnąć, dodając funkcję opóźnienia lub używając dobrze zaprojektowanego standardowego kontrolera ładowania PWM, który obsługuje funkcję przekierowania.
Kabel odporny na promieniowanie UV i wahania temperatury, np. kabel solarny , powinien być stosowany w przypadkach, gdy okablowanie jest narażone na działanie żywiołów. Skrajni drut w poprzek całego systemu musi być dostosowana do wysokości aktualnego biegną przez niego. Rezystancja przewodu, która rośnie liniowo wraz z jego długością, nie powinna powodować spadku napięcia większego niż 2-5% całkowitego spadku napięcia.
Rynki
Japonia
W lipcu 2012 r. weszła w życie nowa taryfa gwarantowana zatwierdzona przez japońskiego ministra przemysłu Yukio Edano, obiecująca zwiększenie produkcji energii wiatrowej i słonecznej w tym kraju. Kraj dąży do zwiększenia inwestycji w energię odnawialną po części w odpowiedzi na kryzys radiacyjny w Fukushimie w marcu 2011 r. Taryfa gwarantowana dotyczy paneli słonecznych i małych turbin wiatrowych i wymaga od władz odkupu energii elektrycznej wytworzonej z odnawialnych źródeł energii - ustalone stawki.
Mała energetyka wiatrowa (turbiny o mocy poniżej 20 kW) będzie dotowana w wysokości co najmniej 57,75 JPY (około 0,74 USD za kWh).
Zjednoczone Królestwo
Nieruchomości w wiejskich lub podmiejskich częściach Wielkiej Brytanii mogą zdecydować się na turbinę wiatrową z falownikiem w celu uzupełnienia lokalnej sieci energetycznej. Brytyjski System Certyfikacji Mikrogeneracji (MCS) zapewnia taryfy gwarantowane właścicielom kwalifikowanych małych turbin wiatrowych.
Stany Zjednoczone
Według Amerykańskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej (AWEA) małe turbiny wiatrowe dodały w 2008 r. w całych Stanach Zjednoczonych łącznie 17,3 MW mocy wytwórczej . Wzrost ten był równoznaczny z 78% wzrostem krajowego rynku małych turbin wiatrowych, które określane są jako turbiny wiatrowe o mocy 100 kW lub mniejszej. „2009 Small Wind Global Market Study”, opublikowane przez AWEA pod koniec maja 2009 r., przypisuje wzrost częściowo większej wielkości produkcji, ponieważ branża była w stanie przyciągnąć wystarczającą ilość prywatnych inwestycji, aby sfinansować rozbudowę zakładów produkcyjnych. Uznał również wzrost cen energii elektrycznej i większą świadomość społeczną w zakresie technologii wiatrowych za wzrost sprzedaży mieszkań.
W 2019 r. znaczna część zapotrzebowania USA na małe turbiny wiatrowe dotyczyła wytwarzania energii w odległych lokalizacjach oraz oceny lokalizacji dla dużych instalacji wiatrowych.
Mały przemysł wiatrowy w USA również korzysta z globalnego rynku, ponieważ kontroluje około połowy udziału w rynku światowym. Amerykańscy producenci zebrali 77 milionów dolarów ze 156 milionów dolarów wydanych na całym świecie na małe instalacje wiatrowe. W 2008 roku na całym świecie zainstalowano 38,7 MW małej mocy wiatrowej.
W Stanach Zjednoczonych, mieszkalnych turbiny wiatrowe o mocy 2-10 kW zwykle kosztują od USD 12000 i US $ +55.000 zainstalowany ( USA 6 USD za wat), chociaż istnieją zachęty i rabaty dostępne w 19 stanach, które mogą obniżyć cenę zakupu do domów przez do 50 procent, do 3 USD za wat. Amerykański producent Southwest Windpower szacuje, że turbina zwróci się w postaci oszczędności energii w ciągu 5 do 12 lat.
Dominującymi modelami na rynku, zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, są turbiny wiatrowe o osi poziomej .
Aby umożliwić konsumentom podjęcie świadomej decyzji przy zakupie małej turbiny wiatrowej, IEA Wind Task 27 opracowała metodę etykietowania konsumentów we współpracy z IEC TC88 MT2. W 2011 roku IEA Wind opublikowała Rekomendowaną Praktykę, w której opisano testy i procedury wymagane do zastosowania etykiety.
Chorwacja
Chorwacja jest idealnym rynkiem dla małych turbin wiatrowych ze względu na klimat śródziemnomorski i liczne wyspy bez dostępu do sieci elektrycznej. W miesiącach zimowych, kiedy jest mniej słońca, ale więcej wiatru, małe turbiny wiatrowe są świetnym dodatkiem do odizolowanych miejsc energii odnawialnej ( GSM , stacje, mariny itp.). W ten sposób energia słoneczna i wiatrowa zapewniają stałą energię przez cały rok.
Niemcy
W Niemczech taryfa gwarantowana dla małych turbin wiatrowych zawsze była taka sama jak dla dużych turbin. Jest to główny powód powolnego rozwoju sektora małych turbin wiatrowych w Niemczech. Natomiast małe systemy fotowoltaiczne w Niemczech korzystały z wysokiej taryfy gwarantowanej, czasami powyżej 50 eurocentów za kilowatogodzinę.
W sierpniu 2014 r. dostosowano niemieckie prawo o energii odnawialnej, wpływając również na taryfy gwarantowane dla turbin wiatrowych. Za eksploatację małej turbiny wiatrowej o mocy poniżej 50 kW taryfa wynosi 8,5 eurocenta na okres 20 lat.
Ze względu na niską taryfę gwarantowaną i wysokie ceny energii elektrycznej w Niemczech, ekonomiczna eksploatacja małej turbiny wiatrowej zależy od dużego zużycia własnego energii elektrycznej wytwarzanej przez małą turbinę wiatrową. Prywatne gospodarstwa domowe płacą średnio 28 procent za kilowatogodzinę za energię elektryczną (19% z VAT).
W ramach niemieckiej ustawy o OZE z 2014 r. wprowadzono opłatę za energię elektryczną zużywaną na własny użytek w sierpniu 2014 r. Rozporządzenie nie dotyczy małych elektrowni o mocy poniżej 10 kilowatów. Przy kwocie 1,87 euro-centów opłata jest niska.
Produkcja
Budownictwo DIY
Niektórzy hobbyści zbudowali turbiny wiatrowe z zestawów, komponentów pozyskiwanych lub od podstaw. Turbiny wiatrowe do samodzielnego montażu to zwykle mniejsze (dachowe) turbiny o mocy około 1 kW lub mniejszej. Te małe turbiny wiatrowe są zazwyczaj Tilt-up lub stałe / odciągami wieże.
Zrób to sam lub zrób to sam – budowa turbin wiatrowych została spopularyzowana przez magazyny takie jak OtherPower i Home Power .
Organizacje jako Akcja Praktyczna zaprojektowały własne turbiny wiatrowe, które mogą być łatwo zbudowane przez społeczności w krajach rozwijających się i dostarczają konkretne dokumenty, jak to zrobić.
Produkcja lokalna
Projekty małych turbin wiatrowych dla majsterkowiczów sięgają wczesnych lat 70. XX wieku i były dalej rozwijane przez ruch wsteczny z końca lat 70. w Stanach Zjednoczonych i Europie.
Lokalnie produkowane małe turbiny wiatrowe, o małej skali, tanie, osadzone społecznie, przystosowane do lokalnych kontekstów i oparte na otwartym dzieleniu się wiedzą, zostały ujęte w ramach lub powiązane z perspektywami odpowiedniej lub pośredniej technologii , technologii biesiadnej, odrost , otwarty projekt i otwarta produkcja .
Zobacz też
- WWEA ( Światowe Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej )
- Projekt turbin wiatrowych
- System elektryczny podłączony do sieci
- Turbina powietrzna nurnika
Bibliografia
Dalsza lektura
- Dana Finka; Dana Bartmanna (2008). Homebrew Energia wiatrowa . Publikacje Buckville LLC. Numer ISBN 978-0-9819201-0-8.CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
Zewnętrzne linki
- informacja o małym rynku wiatrowym wg WWEA
- Holenderski test rządowy 10 turbin wiatrowych (podsumowanie w języku angielskim: [1] , [2] )
- Arkusz informacyjny Amerykańskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej
- Otherpower , grupa entuzjastów alternatywnej energii