Větrná elektrárna by v zimě zachránila spotřebu

[? solárník]

Abych navázal na předchozí diskuzi o optimální regulaci malé větrné elektrárny (MVE) - uvažoval jsem znovu o tom problému a dospěl jsem k závěru, že pro precizní řízení měničem je nutné snímat jak otáčky rotoru, tak rychlost větru. Bohužel.

V podstatě lze totiž všechny parametry řízení MVE shrnout do poměrně jednoduchého funkčního modelu. Není ani třeba zjišťovat žádné odpory ani indukčnosti vinutí alternátorů a podobné vstupní veličiny. Což je na jednu stranu potěšující zpráva.

Protože MVE mají rotor s neměnným úhlem lopatek, pak jsem si (konečně) uvědomil, že z toho nutně vyplývá, že ve své základní podstatě řízení takové MVE na optimální výkon znamená udržet konstatní optimální rychloběžnost rotoru za jakýchkoli podmínek. Je jedno jak to provedeme. Ať už to bude precizním přizpůsobením alternátoru (což je v celém rozsahu podmínek v podstatě nemožné a můžeme se tomu pouze blížit) nebo dřív diskutovaným programovatelným měničem. No a tady jsme u jádra problému - abychom při řízení MVE měničem dokázali v každém okamžiku regulovat na optimální rychloběžnost, musíme ji v každém okamžiku umět vypočíst. A proto nutně potřebujeme znát rychlost větru a otáčky rotoru, jinak to není možné.

Pokud tohle budeme chtít jakkoli obejít, budeme patrně vždy v situaci nahluchlého slepce, který má opilého psa. A to hlavně díky setrvačnosti systému a záludnostem aerodynamiky.

Zajímavá z toho vyplývající skutečnost je, že můžeme optimálně řídit MVE, aniž bychom vůbec znali aktuální proud do zátěže, nebo aktuální napětí do zátěže, tedy aktuální výkon.

[kybos]

A proto nutně potřebujeme znát rychlost větru a otáčky rotoru, jinak to není možné.

Nemyslím si, že je tohle tvrzení až tak blízké realitě. Jednak je potřeba si uvědomit, že rychlost větru se snímá většinou VAWT a prostřednictvím této hodnoty chceme řídit HAWT. Tento fakt společně se skutečností, že energeticky významné zisky se vyskytují v našich zeměpisných šířkách většinou pouze při turbulentním proudění větru, který rychle mění rychlost a směr znamená, že v podstatě neznáme skutečnou okamžitou rychlost větru ve směru osy HAWT. Gyroskopický moment roztočené vrtule brání tomu, aby kormidlo sledovalo okamžitý směr větru a dle mých pozorování již u vrtule o průměru cca 2,5m umístěné na 12m stožáru se při bouřlivém větru často stává, že v horní části zametané plochy fouká výrazně jinak než ve spodní. Z toho vyplývá, že sice máme senzor (v ideálním případě se zanedbatelnou setrvačností), který nám dává informace jak fouká, ale tato informace není platná pro směr aktuálního natočení HAWT a ani pro celou zametanou plochu.
Proto si myslím, že je možno regulaci řešit i jinak, tedy adaptivním algoritmem kontinuálně hledajícím maximum výkonu metodou pokus - omyl a to možná i přesněji než podle čidla VAWT, které nutně musí být umístěno mimo osu rotace HAWT i mimo zametanou plochu. Nejvíc energie v celoročním úhrnu vyrobí malá VE právě v době, kdy pracuje na hranici bezpečnostního limitu a kormidlo začíná odklánět osu rotace ze směru větru.

[? solárník]

Nic není dokonalé. Můžeme se tomu jen přiblížit. Měření rychlosti větru a turbulence jsou bohužel reálný faktor, který způsobuje chyby od modelového chování v aerodynamickém tunelu. Dle mého to nic nemění na tom, že adaptivní algoritmus bude při rozhodování v situaci onoho "nahluchlého slepce". Avšak při řízení na základě otáček a anemometru budeme "jen lehce rozmazaně vidět".

[? střídač]

optimální výkon znamená udržet konstantní optimální rychloběžnost rotoru za jakýchkoli podmínek.....
dokázali v každém okamžiku regulovat na optimální rychloběžnost

Zase ta nešťastná rychloběžnost.
Je třeba si vybrat. Buď konstantní optimální, nebo optimální. Jelikož konstantní optimální je logicky nesourodé, zůstane jen možnost optimální. Jelikož optimální bude patrně i proměnná, bude třeba soustavu ofouknout v tunelu a optimalizovat, nebo měřit v reálných podmínkách.

No a na závěr se dostáváme k počátku a třicetileté zkušenosti, že

v celom rozsahu rýchlosti vetra pracovať s konštantnou účinnosťou a konštantnou rýchlobežnosťou

z fyzikálního principu nelze jaksi dosáhnout.

Jo, abych nezapomněl. Ona rychloběžnost hyprbolicky klesá s rostoucí sílou větru.

[? solárník]

Vrtule s určitým sklonem lopatek má konstatńtní optimum rychloběžnosti, dejme tomu třeba 5 v jakékoli situaci. Proto konstantní optimální.

[? střídač]

Vrtule s určitým sklonem lopatek má konstatńtní optimum rychloběžnosti, dejme tomu třeba 5 v jakékoli situaci. Proto konstantní optimální.

No tak zase od začátku.

Rychloběžnost je konstrukční údaj nemající s reálnou činností nic co do činění. Je to jen poměr dvou rychlostí. Rychlosti větru a rychlosti konce vrtule. Výkon větru roste s jeho rychlosti na druhou. Výkon vrtule roste s třetí mocninou otáček. Z toho mi vychází jediné, pokud bych tohoto poměru chtěl dosáhnout, musel bych s rostoucí sílou větru navrhovat tak blbě vrtuli, že by se točila s rostoucí sílou větru stále méně a méně.

Můžeme to okecávat ze všech světových stran, ale je to fyzikálně nemožné.

[kybos]

Výkon větru roste s jeho rychlosti na druhou.

Výkon proudícího vzduchu roste s třetí mocninou rychlosti větru:
http://cs.wikipedia.org/wiki/V%C4%9Btrn%C3%A1_energie

[tomas]

A proto nutně potřebujeme znát rychlost větru a otáčky rotoru, jinak to není možné.
Zajímavá z toho vyplývající skutečnost je, že můžeme optimálně řídit MVE, aniž bychom vůbec znali aktuální proud do zátěže, nebo aktuální napětí do zátěže, tedy aktuální výkon.

Ano, ale prakticky nám otáčky rotoru řekne frekvence výstupního napětí z větrníku = nemusíme mít snímač otáček. Snímač otáček se tím vlastně přesunul z gondoly větrníku do regulátoru.
A teď jde o to, jestli je informace o rychlost větru obsažena také v proudu nebo napětí nebo proudu x napětí tedy výkonu. Podle mne je, protože výkon větrníku závisí na rychlosti větru a tím se tedy možná zbavíme i snímače rychlosti větru který se tak také přesune z gondoly do regulátoru. Ale tímto měřením rychlosti větru z proudu a napětí si nejsem jistý, protože regulačními zásahy zároveň ovlivňujeme měřenou veličinu která je na vstupu do regulace a můžeme se tedy dostat do jiných stavů než požadujeme, případně to může kmitat.

[? solárník]

>>prakticky nám otáčky rotoru řekne frekvence výstupního napětí z větrníku
Ano to je pravda. O jiném zjišťování jsem ani neuvažoval. Pokud známe počet pólů alternátoru, nebo jsme ho zjistili, můžeme přesně z frekvence přepočítat otáčky.

>> jestli je informace o rychlost větru obsažena také v proudu nebo napětí
Bohužel taková přímá souvislost neexistuje. Jinak bych se nepřiklonil k nutnosti měřit rychlost větru.

[kybos]

Avšak při řízení na základě otáček a anemometru budeme "jen lehce rozmazaně vidět".

Ale to jen v případě, že bude anemometr umístěn vždy před rovinou vrtule. V případě, že bude za rovinou vrtule ve směru větru tu situaci "uvidíme přes svářečské brýle s proměnlivým zatmavením". Za rovinou vrtule (kde se obvykle anemometry umísťují) se bude rychlost větru měnit dle velikosti odebraného výkonu vrtulí.

[? solárník]

pěkné přirovnání.

Ano, za turbínou je to zcela nevhodné, rychlost větru je tam zeslabena, většinou v poměru aktuální účinnosti Cp rotoru.

Ideální by bylo, umístit malou HAWT vrtulku do osy vrtule tak metr před turbínu a aby se natáčela s velkou (tedy rameno připevnit ke gondole). Není to úplně jednoduché ale ani ne nemožné. Neobsáhne to sice plošné turbulence, ale aspoň něco.

[kybos]

Bohužel taková přímá souvislost neexistuje. Jinak bych se nepřiklonil k nutnosti měřit rychlost větru.

Řekl bych, že taková souvislost existuje a je jí právě charakteristika rychloběžnosti pro daný rotor.

[tomas]

>>prakticky nám otáčky rotoru řekne frekvence výstupního napětí z větrníku
Ano to je pravda. O jiném zjišťování jsem ani neuvažoval. Pokud známe počet pólů alternátoru, nebo jsme ho zjistili, můžeme přesně z frekvence přepočítat otáčky.

To ano, ale přepočítaná frekvence na otáčky je hezká pouze pro zobrazení obsluze na displeji. Prakticky stačí pro regulaci vyhodnocovat změnu frekvence (otáček) bez zbytečného přepočtu na póly. Je důležité pouze to, jestli se regulačním zásahem otáčky snížili nebo zvýšili. Počet pólů generátoru bude za provozu těžko někdo měnit, je to tedy neměnná konstanta která nemá v daném rozsahu regulace na nic vliv.
Je to podobné jako u GreenBonO který má sice kalibraci snímačů proudu, ale na regulaci nemá kalibrace vliv, je to pouze pro správné zobrazení proudu pro uživatele. Regulátor pracuje s bezrozměrnými (nekalibrovanými) hodnotami a vyhodnocuje pouze jejich změny.

[? solárník]

kybos: To se ale okruhem opět dostáváme na začátek. Nemůžu na cokoli používat graf rychloběžnosti, když neznám aktuální, tedy nevím, kde se v grafu nacházím. To je začarovaný kruh.

Ano, metoda nástřelů, nebo iterací, nebo jak to nazvat nás může k jakémusi výsledku dovést. Jako když onen slepec pětkrát vrazí hlavou do zdi, než najde dveře. A možná, že si o ně vykloubí rameno.

tomas: Ano to už záleží na implementaci, jak budu chtít udržovat konstatntní rychloběžnost. Jestli tam budu mít opravdu rychloběžnost, nebo rychloběžnost krát třeba deset je jedno, hlavně že to bude konstantní.

Ale že to tu najednou ožilo

[tomas]

:) pěkné přirovnání.

Ano, za turbínou je to zcela nevhodné, rychlost větru je tam zeslabena, většinou v poměru aktuální účinnosti Cp rotoru.

Zajímavé je že ty velké MW větrníky mají snímač otáček na gondole, tedy za vrtulí kde je rychlost větru ovlivněna.
Dokáží zřejmě ovlivněnou rychlost větru vykompenzovat a přepočítat z otáček vrtule které svým pohybem ovlivňují snímač větru. Tedy vypočítat ovlivnění snímače rychlosti větru z rychlosti otáček lopatek vrtule které se před snímačem rychlosti větru pohybují. . Pokud vrtule stojí, snímač větru ukazuje správě a nekompenzuje se, pokud neuvažujeme případ že by byl zrovna v závětří zastavené lopatky.

[fugas]

A což tak nakonec mít tedy vrtuli s měnitelnou geometrií listů.Ovládání zajistit regulátorem.To spočívá v tom,že vrtulový kužel není s vrtulí pevně spojen,ale otáčí se nezávisle na svých ložiskách a svým otáčením pohání zubové čerpadlo,které zajistí změnu geometrie.Kužel je opatřen po obvodu lopatkami,které ho roztáčejí v závislosti na síle větru.Základní poloha listů vrtule by vycházela kolmo ke směru větru,tedy takzvaně v praporu.Tím bychom předešli zničení vrtule v případě vichřice,uvážíme-li poruchu regulátoru.Prapor v případě vychřice by zajistil regulátor obtokem kapaliny přes pojistný ventil,nastavený na požadovaný tlak.Pomocí tohoto mechanického řízení lze vrtuli naladit tak,aby poskytovala požadované otáčky v širokém rozsahu rychlostí větru a zároveň urychleně reagovala na změny.Navíc tak lze zabránit ztrátám při vyšších rychlostech a namáhání celého stroje.Z toho dále vyplívá,že si můžeme dovolit větší průměr vrtule bez obav,že se bez zátěže v silném větru rozletí a pomůžeme si tak při větru slabším.Konstrukčně je to náročnější,ale funkčně poměrně jednoduché a řídí se to samo.

[? solárník]

fugas: To co popisujete už je daleko za hranicí složitosti MVE I když jsem opravdu už takové pokusy na MVE viděl. Ale velké VE regulují takovým naklápěním listů běžně.

Jak přesně funguje zpracování měření rychlosti anemometry na velkých VE, to bychom se museli patrně zeptat nějakého odborníka na velké VE. Ale evidentně to funguje.

[kybos]

kybos: To se ale okruhem opět dostáváme na začátek. Nemůžu na cokoli používat graf rychloběžnosti, když neznám aktuální, tedy nevím, kde se v grafu nacházím.

Trocha teorie je třeba tady:
http://www.transformacni-technologie.cz/vyuziti-energie-vetru.html#217
http://www.transformacni-technologie.cz/vetrne-turbiny-a-ventilatory.html#799

Zjednodušující předpoklad: Pevné nastavení úhlu lopatek dává k dispozici pevnou charakteristiku rychloběžnosti.
Nejistota může spočívat ve dvou průsečících přímky Cp s křivkou rychloběžnosti. Ale to, zda jsme na vzestupné či sestupné hraně grafu lze zjistit většinou po prvním cyklu pokus-omyl (míchá se do toho změna rychlosti větru). Ale při algoritmu, který hledá maximum výkonu není tato nejistota významná. Algoritmus se bude snažit dostat do vrcholu křivky rychloběžnosti, kolem kterého bude oscilovat. Z tohoto pohledu stačí vědět, že graf má jen jediné maximum a z obou stran křivka k tomuto maximu hladce stoupá.

[? solárník]

Já to chápu. Šlo mi jen o to, že v reálu se podmínky mění tak rychle, že to, co bylo před pěti vteřinami, už bývá zcela jinak. Tedy přeskakujeme z jedné křivky do druhé a ani nevíme, jestli v čase přeskoku už nebudeme zase zcela jinde (=mimo). Do toho ještě setrvačnosti a turbulence.

Aneb proč to dělat složitě, když to jde jednoduše (?). Prostě vím otáčky a na základě rychlosti větru okamžitě vím, jestli mám ubrat nebo přidat. Nepotřebuju si programově pamatovat žádné grafy a křivky. Nemusím znát vůbec alternátor ani zátěž. Jediné, co mi stačí, je vědět jakou má moje vrtule rychloběžnost.

Mně se na tom líbí ta jednoduchost a čistota. Jediný "problém" je to měření větru. I v případě VAWT klasika anemometru se na tom dá dál pracovat. Nic nám nebrání dát tam ještě čidlo směru větru a v případě velké změny chvilku s regulací počkat, než se rotor přestaví do správného směru. Nebo nějak podobně to programově podchytit. Pořád se mi to líbí víc, než jiná řešení.

Velký problém je pouze v zimě s tím zamrznutím anemometru, o kterém už jsme mluvili. To mají ale i velké VE, jak to zamrzne, tak dokud to někdo neopraví, tak VE prostě stojí. To se nedá nic dělat.

[kybos]

Já to chápu. Šlo mi jen o to, že v reálu se podmínky mění tak rychle, že to, co bylo před pěti vteřinami, už bývá zcela jinak.

Myslím, že současné výpočetní výkony mikrokontrolerů dávají možnosti rychlejšího iteračního cyklu než 5 vteřin.

Tedy přeskakujeme z jedné křivky do druhé a ani nevíme, jestli v čase přeskoku už nebudeme zase zcela jinde (=mimo).

Pokud je pevně nastavená geometrie rotoru, pohybujeme se po jedné křivce a na jinou nepřeskakujeme a přitom dobře známe její tvar.

Aneb proč to dělat složitě, když to jde jednoduše (?).

Moje slova... Proč si komplikovat situaci s anemometrem, když to jde i bez něj.