Větrná elektrárna by v zimě zachránila spotřebu

[kybos]

Stále více mne zajímají stroje pro velmi malý rozsah větru, řekněme 2-3 m/s. Mne vůbec nezajímá, kolik takový stroj dodá při 6 nebo 10m/s, ale zajímá mne právě tento malý rozsah, kde je výkon většiny větrníků malý nebo mizivý. Protože na rychlosti 2-3m/s se mohu spolehnout po většinu roku. Pokud by se podařilo sestrojit větrník, nebo soustavu 2-3 takových malých větrníků, který má v oblasti 2-3 m/s výkon 40-50W, pak by celá záležitost pro mne dostala naprosto jiný ekonomický rozměr. To je totiž moje klidová noční spotřeba a kvůli ní mi odejde každé dva roky jedna 200Ah baterie za 450 euro (!) Tedy rázem bych těchto 450 euro za každé dva roky ušetřil a návratnost by byla silně jinde (v řádu dokonce měsíců nebo maximálně několika let)! Předem předesílám, že už slyším oponenturu o oblasti 2-3 m/s, kdy je výkon větru na m2 směšný. Mě ale 450 euro každé dva roky už tak směšných nepřipadá, takže se tím alespoň zabývám v teoretické rovině. A bylo by mi zcela jedno, kdyby onen větrník (nebo soustava) ani při vyšších větrech nedávala víc než oněch 50W. Tedy potřebuji optimalizaci na velmi malé rychlosti větru.

Jmenovité výkony větrných turbín se udávají při rychlostech 10-12m/s a zde se cílí na rychlosti kolem 2,5m/s, poměr těchto rychlostí je cca 4. Vzhledem k tomu, že výkon VE je úměrný třetí mocnimě rychlosti větru, je cílový jmenovitý výkon uvažované turbíny 50*4*4*4= 3200W. Problém tedy spočívá v tom, zda je možno dosáhnout u tak výkonné turbíny tak nízkého startovacího výkonu. Zda tření v ložiskách a pasivní odpory generátoru u tak velkého stroje nebudou příliš vysoké na to , aby se turbína při rychlosti větru 2,5m/s vůbec roztočila.

Chtělo by to ale udělat dlouhodobé předchozí měření větru. Na rozdíl od soláru, kde je téměř jisté, že každý den vyjde slunce a pokud se odhrabou panely ze sněhu, že 5kW elektrárna alespoň 50W během dne bude dodávat, u větrníku se může stát, že se turbína čtrnáct dní ani neotočí.

[solárník]

Ano, pokud to má vůbec smysl. Pokud ne, těch 50W už by mi možná vyprodukoval i nějaký pofiderní generátor na bázi rozdílu tepelných hladin, vzhledem k tomu, že mám stále kotel na tuhá paliva.

[solárník]

Před chvílí (22:45) u nás vítr 19,2m/s (okolí Kladna) 380W z malinké turbínky. Žene se to na východ.

p.s kybos: měřím, ale na 5kW stroj asi nebudu mít ani místo ani prostředky. Takže asi bude jiné řešení... Leda že bych zbastlil třeba 5 menších, nenápadnějších. Jinak mám obavu, že už by mne asi sousedi odstřelili.

[kybos]

Na odstřel stačí i anemometr, taky mám v miskách pár důlků po projektilech.

[solárník]

Vy máte v okolí teda pěkné kovboje. U nás na vesnici jsme viděli pistoli akorát v televizi

[kybos]

Naštěstí to byly jen diabolky ze vzduchovky. Ustřelenej rotor anemometru jsem měl jen jednou, když trefili plastový střed s ložiskem. Misky jsou z hliníkových nabíraček a ty to odnesou jen důlkem. Kdyby použili malorážku, nepřežily by ani misky.
Je nutno počítat s tím, že když se to sousedům nebude líbit, odstřelí to třeba prakem. Taková dvanáctka matice dokáže udělat na roztočené vrtuli pěknou paseku a to ani nemusí letět zrovna rychle. VE většinou čouhá nad horizont a stává se tak dobrým terčem i pro vzdálenější střelce, zejména když je na okraji města u pole (jako ta moje), kdy střelec mířící z města nic moc neriskuje.

[TLacko]

Aby mal mal mať veterný stroj pri okamžitej rýchlosti vetra 2-3 m/s výkon 40-50 Watt, musel by zametať plochu cca 20 m2 (HAWT fi 5 metrov), pre VAWT plochu 25-30 m2, pre Savonius 40-50 m2. To sme ale už v oblasti technickej nepríčetnosti.
K tomu doporučenému postupu pre návrh veternej turbíny- bez otáčkovej charakteristiky generátora v žiadnom prípade nemožno začať navrhovať. Vrtuľu ku generátoru so známou charakteristikou možno vypočítať s prijateľnou presnosťou, v každom prípade presnejšou ako intuitívne spojenie generátora s neznámou charakteristikou s veterným pohonom ešte neznamejším. Ale ak máte lepší postup a prístup, sem s ním.

[miroc]

Anemometr je další starost navíc, zvlášť v zimě. Občas zasněží, občas namrzne a pokud by to mělo fungovat na základě informací z anemometru, musel by jej někdo udržovat.

Ak by mal anemometer poskytovat zasadnu informaciu, mohol by predsa program pri chybajucich impulzoch anemometra a existujucom vystupnom napti VE (alebo fq vystupneho napatia) registrovat chybu a prejst na nudzovy protokol - napr. na ciste len tabulku (krivku). Tak by mohol byt osetreny aj vyrazny nesulad impulzov a napätia, v pripade poruchy anemometra, ale nie jeho uplneho zastavenia.

Solárník - nenasiel by si ten program pre Arduino, ktory si spominal?

[alp]

Trochu vzdalene od tematu, stejne zajimave
http://zpravy.e15.cz/byznys/prumysl-a-e ... ni-1052963

[KUTIL]

Vážený Kybos, pozri si http://www.male-veterne-turbinky.sk/new ... a-vrtulka/, týka sa to aj teba osobne

[kybos]

Vážený Kybos, pozri si http://www.male-veterne-turbinky.sk/new ... a-vrtulka/, týka sa to aj teba osobne

Díval jsem se na uvedený odkaz a musím konstatovat, že pan Ježík má obdivuhodné znalosti v oboru aerodynamiky, ale některé jeho názory nesdílím. Dokonce mám takové zkušenosti z praxe, že některá jeho tvrzení mohu spolehlivě vyvrátit. Například tvrzení "Výkon 500 W je už hranicou pre využitie malých veterných turbíniek. Vrtuľa pre takýto alternátor by mala mať priemer asi 2,5 metra" bych mohl lehce vyvrátit tím, že již 12 let provozuji VE o jmenovitém výkonu 750W s třílistým rotorem s listy o délce 116cm, která je schopná dodat špičkový výkon 1kW při optimálně přizpůsobené zátěži. V jeho práci nacházím i zásadní mezery. Uvádí zde například výkonovou charakteristiku generátoru bez specifikace zatěžovací impedance. Zcela zde chybí zatěžovací V-A charalteristika generátoru, která je zásadní z hlediska impedančního přizpůsobení k větrnému motoru a přenosu maximálního užitečného výkonu do zátěže. Pan Ježík je podle svých slov "len obyčajný konštruktér jadrových zariadení" a zcela jistě špičkově zvládá léty prověřené konstrukce ale možná mu uniklo, že v současnosti technologické možnosti elektroniky pokročily na takovou úroveň, že lze zkonstruovat měniče o výkonu v řádu kW s účinností dosahující 95%. Na některé aspekty konstrukce je tedy možno pohlížet ve zcela jiném úhlu jako v minulosti, kdy taková řešení byla z říše snů. Je nutno si uvědomit, že žijeme ve století, kdy se po silnicích prohánějí elektromobily TESLA S, které mají impedanční přizpůsobení ("převodovku") řešenou výhradně elektronicky a to tak, že s výtečnou účinností. Nevidím žádný důvod, proč tyto technologie neaplikovat i do VE (v přiměřené míře) tak, aby bylo možno s minimální konstrukční složitostí rotoru dosáhnout vyšších výkonů optimalizací výkonového přizpůsobení prostřednictvím v dnešní době laciného měniče. Existují i další důvody k použití impedančního měniče. Jedním z nich je způsob přenosu energie z alternátoru do baterie. Je evidentní, že přenos na vyšší impedanci povede k menším ztrátám při jinak stejném vedení.

[solárník]

>>Uvádí zde například výkonovou charakteristiku generátoru bez specifikace zatěžovací impedance.

U pana Ježíka předpokládám, že se jedná o přímé zapojení do klasické olověné baterie.

>>Jedním z nich je způsob přenosu energie z alternátoru do baterie. Je evidentní, že přenos na vyšší impedanci povede k menším ztrátám při jinak stejném vedení.

S tím bude poravděpodobně (a možná nevědomky) souhlasit i pan Ježík. Jinak by ve svém pojednání nepsal o plánech o přidání druhého vinutí pro vysoké otáčky, čímž mu vznikne v podstatě jakési dvoustupňové přizpůsobení. Ovšem při použití měniče s vysokou účinností dostaneme poměrně přesné impedanční přispůsobení možná i v celém rozsahu otáček, což je určitě pokrok. Navíc opravdu nemusí být rotor alternátoru přizpůsoben vůbec. Stačí, aby byl v celém rozsahu otáček "silnější" alternátor než rotor (jinak to nepůjde uřídit) a aby měl alternátor pokud možná co nejnižší vnitřní odpor při zachování minimálního napětí = napětí baterie (s ohledem na cut-in, jinak by měnič musel být buck-boost). Pak bude výsledná účinnost hodně vysoká, na rozdíl od klasického zapojení do baterie, kdy se ve vysokých otáčkách může účinnost alternátoru pohybovat klidně i někde u 20% (i méně), protože zbytek se ve statoru vyhřeje. Vysoké napětí se nemá jak jinak "spotřebovat", protože do baterie se "vejde" jen 12, resp. 24, 48V. Jediná lepší cesta je "transformovat" ho pomocí měniče. Tedy měnič si lze představit jako transformátor s proměnným převodem. Pak bude (laicky řečeno) na primáru onoho "transformátoru" menší proud (jedná se o transformaci napětí směrem dolů) a tím pádem i ve statoru menší proud a tím pádem i minimální ztráty (tepelné atd).

>> Například tvrzení "Výkon 500 W je už hranicou pre využitie malých veterných turbíniek.

No to je právě ono. Vzhledem k nepřizpůsobení impedancí nelze vyšší výkon při zapojení přímo do baterie u takto malých turbín přenést.

[tomas]

Takže podle mne Tristar a Midnite Classic není schopen změřit frekvenci a regulaci se snaží zřejmě odvodit od napětí naprázdno a dodané křivky Wind Curves . Díval jsem se na ty Wind Curves a jsou to jen dva krátké řádky čísel. Horní řádek bude pravděpodobně koeficient proudu nebo výkonu a spodní řádek bude napětí.Pravděpodobně to probíhá takto: Když se větrník točí tak Midnite Classic vypne DC/DC měnič a změří napětí naprázdno, podívá se do tabulky a ví jaký výkon nastavit DC/DC měniči aby větrník nezastavil příliš velkou zátěží a znovu zapne DC/DC měnič. Děje se to velmi rychle takže to nejde postřehnout i k vzhledem velké setrvačnosti. Po chvílí se změní vítr a tím se změní výstupní výkon (proud nebo napětí) a Midnite Classic znovu krátce vypne DC/DC měnič, změří napětí, podívá se do tabulky a nastaví odpovídající výkon. Když je hodnota mezi body v tabulce tak spočítá průměr. Čím více bodů v tabulce tím přesněji popsaná křivka.

Chtěl bych opravit to co jsem napsal 04 led 2014 20:16. V manuálu k Midnite Classic
http://www.midnitesolar.com/pdfs/classicManual.pdf
jsem na straně 35 našel toto (přeloženo Googlem):
"Vítr Track
Tento režim používá křivku výkonu, který je buď vestavěný uživatelem nebo některý z předinstalovaných grafů. Výkonová křivka se skládá z 16 stanovených bodů, které se skládají z výstupních velikostí proudu a vstupního napětí, což umožňuje uživateli vlastní sestavení křivky pro své větrné turbíny. Detailní informace o programování křivku i na naše video, které vám pomohou v pochopení toho, jak upravit tyto křivky pomocí větrné editor grafu naleznete v části Wind manuálu."

Takže v tabulce je 16 bodů výstupního proudu (z regulátoru nebo větrníku?) a vstupního napětí do regulátoru.

[kybos]

U pana Ježíka předpokládám, že se jedná o přímé zapojení do klasické olověné baterie.

Klasická 12V olověná baterie má rozsah svorkového napětí cca 10-15V. Taková zatěžovací charakteristika má tedy 50% rozptyl parametrů, není li blíže specifikováno pro jaké konkrétní napětí byla měřena.

Dle mých pozorování se malá VE chová tak, že točivý moment vrtule je přibližně úměrný proudu generátoru a otáčky vrtule jsou přibližně úměrné napětí generátoru. Předpokládám tedy, že kdybych změřil zatěžovací charakteristiku malé VE s generátorem s PM pro konstantní rychlost větru (neměřil jsem ji, bude to asi nákladná záležitost), dostal bych průběh hodně podobný průběhu účinnosti větrného motoru v závislosti na rychloběžnosti stroje. Vzhledem k tomu, že se se jedná o hladkou spojitou křivku s jedním maximem, neměl by být problém postavit regulátor, který by stroj v tomto maximu udržoval.
Jen tak pro zajímavost jsem měřil výkony své VE optimalizované výrobcem pro nabíjení 24V baterií při přibližně (v rámci stability meteo podmínek) jmenovité rychlosti větru a zjistil jsem, že generátor dodává do baterie při 24V 30A ale při zvýšení zatěžovací impedance při stejné rychlosti větru je schopen při téměř nezměněném proudu 30A dodat napětí 33,5V. Z toho vyplývá. že pro tuto rychlost větru je impedančně nepřizpůsoben. Možná to má souvislost i s aerodynamikou rotoru, který je schopen pro danou rychlost větru dodat pouze určitý kroutící moment, který odpovídá určitému maximálnímu proudu generátoru. Tomu odpovídá i skutečnost, že i při prudkém brzdění stroje chodem nakrátko proud nepřekročil 33A.

[kybos]

Výkonová křivka se skládá z 16 stanovených bodů, které se skládají z výstupních velikostí proudu a vstupního napětí, což umožňuje uživateli vlastní sestavení křivky pro své větrné turbíny.

V podstatě se tedy jedná o průběh zatěžovací impedance v závislosti na výstupním napětí definovaný šestnácti body křivky. Čili jinými slovy definice impedančního přizpůsobení pro daný rotor.

[solárník]

>> otáčky vrtule jsou přibližně úměrné napětí generátoru
Přesný vztah je, že napětí generátoru NAPRÁZDNO je PŘESNĚ úměrné otáčkám vrtule. Při zatížení už to není tak docela pravda, protože směrem k vyšším otáčkám se uplatňuje i indukčnost statoru, protože frekvence roste. Pokud známe souhrnný ohmický odpor statoru a souhrnnou indukčnost statoru (vliv kapacity je v podstatě nulový, aby nás někdo neosočil, že jsme nezahrnuli všechny komplexní složky), pak je možné sestavit přesný vztah mezi napětím naprázdno a napětím při zatížení a tím při každé zatěžovací impedanci vypočíst ztráty (a tím pádem i účinnost) přesně. Je pak možné vytvořit tabulku v Excelu, která přesně popisuje chování při jakékoli zátěži, popřípadě navrhnout zátěž optimální. Výsledkem bude ona tabulka, o které píše tomas. (Ovšem tady vůbec nehovořím o vlastnostech rotoru, bylo by potřeba znát jeho optimální zatěžovací křivku, jak píše kybos a tu skloubit s výpočtem výše)

[kybos]

Pokud známe souhrnný ohmický odpor statoru a souhrnnou indukčnost statoru (vliv kapacity je v podstatě nulový, aby nás někdo neosočil, že jsme nezahrnuli všechny komplexní složky), pak je možné sestavit přesný vztah mezi napětím naprázdno a napětím při zatížení a tím při každé zatěžovací impedanci vypočíst ztráty (a tím pádem i účinnost) přesně. Je pak možné vytvořit tabulku v Excelu, která přesně popisuje chování při jakékoli zátěži

Jsem toho názoru, že pro velké zatěžovací proudy se začne uplatňovat ve zvýšené míře i rozptylové pole v generátoru, parametry magnetického obvodu, teplota a jiné další vlivy, které jsou pro oblast nízkých výkonů zanedbatelné.
Ideální by bylo znát zatěžovací charakteristiku celé sestavy (rotor + generátor) nebo spíše sadu zatěžovacích charakteristik (pro různé rychlosti větru), ale zatím nevím, jak tuto informační neznalost obejít jinak než použitím adaptabilního regulátoru.

[solárník]

Souhlasím. Jde o to, jestli budou uvedené vlivy podstatné. V podstatě bych řekl, že budou podobné, jako vedlejší vlivy v transformátorech, které jsou popsané poměrně dobře. Já bych odhadl, že v našich rozsazích otáček nebudou, ovšem mohu se mýlit. V nejhorším bych je nahradil nějakou jemnou korekcí. Záleží pak samozřejmě, jestli někdo, jak píše i pan Ježík, použil například klasické trafoplechy, nebo masivní železo pro magnetické obvody, atd. U sériově vyráběných turbínek jsem však zatím vždy viděl poctivé "trafoplechy".

[kybos]

Myslím, že ta podobnost bude bližší k motorům, jelikož transformátory pro střídavé proudy se skládají většinou bez mezery, která je u motorů konstrukčně nutná.

[KUTIL]

Vážený Kybos, nikto predsa nepochybuje o tom že meniče fungujú a že niektoré majú účinnosť aj 95%. Problém je len v tom či ich „nasadiť“ pri malých amatérskych turbínkach, hlavne v prípade ak nemáme informácie o výkonovej krivke generátora (podľa vás zbytočnej) a ani predstavu o vrtuli, a takýto menič by to akože mal dať do súladu. Čo sa týka strát vo vedení generátor-batéria, tak by to stálo za porovnanie, či ten menič pri vlastnej strate minimálne 10% (myslím čínsky, tie špičkové si amatér ťažko dovolí) nahradí stratu vo vedení a či teda jeho prínos bude adekvátny nákladom. Myslím že ťažko. Neviem či aj pri vašej vrtuli používate menič a aké s ním máte výsledky.
I naďalej som názoru, že malú veternú turbínku možno spoľahlivo navrhnúť tak, aby bola vysoko účinná včítane elektrických obvodov bez akéhokoľvek ďalšieho prispôsobovania. Neviem prečo stále tlačíte na nejaké meniče a čo to vlastne chcete riadiť na vrtuli s PMG alternátorom, keď v prípade správne navrhnutej sústavy pohon (vrtuľa) - hnaný stroj(PMG) je všetko na maxime.
Tomuto som ale neporozumel „Stačí, aby byl v celém rozsahu otáček "silnější" alternátor než rotor“.
Jedná sa tu o sústavu točivých strojov, kedy nemožno v žiadnom prípade hnací stroj preťažiť, pretože pôjde dolu s otáčkami a teda aj s účinnosťou. Všetko možno aplikovať všade a v nejaká „rozumná“ miera sa vždy nájde. Čo sa týka meničov a ich nasadeniu pri malých turbínkach ide skôr o to ako ich čo najviac predať. Hlavne pasujú k čínskym nepodarkom.
A ešte jedna vec ktorá padla v diskusii- ak na veľkej VT zlyhá anemometer (stratí sa informácia o sile vetra) turbína sa okamžite odstavuje. Žiadne náhradné „wind mode“ krivky, ako to tam radia. Aktívne riadenie turbíny bez väzby na rýchlosť vetra je nemožné. Toto je však u malých turbíniek nepredstaviteľný prepych.