Малые ветровые турбины , также известные как микроветровые турбины или городские ветровые турбины , — это ветровые турбины , которые вырабатывают электроэнергию для мелкомасштабного использования . Эти турбины обычно меньше тех, что используются в ветровых электростанциях . Малые ветровые турбины часто имеют пассивные системы рыскания , в отличие от активных. Они используют генератор с прямым приводом и используют хвостовой плавник для направления на ветер, тогда как более крупные турбины имеют редукторные силовые агрегаты , которые активно направлены на ветер.
Обычно они вырабатывают от 500 Вт до 10 кВт, а некоторые и вовсе 50 Вт. Канадская ассоциация ветроэнергетики считает малыми ветряные турбины мощностью до 300 кВт [1], тогда как стандарт IEC 61400 определяет их как имеющие площадь ротора менее 200 м2 и генерирующие напряжение ниже 1000 В переменного тока или 1500 В постоянного тока.
Лопасти турбин для небольших ветровых турбин обычно имеют диаметр от 1,5 до 3,5 метров (от 4 футов 11 дюймов до 11 футов 6 дюймов) и вырабатывают 0,5–10 кВт при оптимальной скорости ветра. [1] Большинство небольших ветровых турбин представляют собой ветровые турбины с горизонтальной осью вращения , [2] но ветровые турбины с вертикальной осью вращения (VAWT) могут иметь преимущества в обслуживании и размещении, хотя они менее эффективны при преобразовании ветра в электричество. [3] Для оптимизации эффективности коэффициент скорости конца лопасти (отношение скорости конца лопасти к скорости ветра) и коэффициент подъемной силы должны поддерживаться на оптимальных уровнях.
Доступен ряд синтетических материалов, включая полимеры, армированные углеродным волокном, нанокомпозиты [4] и E-стекло-полиэстер. [5] Хотя натуральные волокна подвержены колебаниям качества, высокому влагопоглощению и низкой термической стабильности, что делает их нежелательными для больших лопастей, небольшие турбины все равно могут использовать их в своих интересах. [6] Можно использовать древесину, и тип древесины следует выбирать на основе доступности, стоимости и времени роста, средней плотности, высокой жесткости и прочности на разрыв. Покрытия обычно используются для снижения влажности, и было обнаружено, что белая эмаль с грунтовкой особенно эффективна. [7] Ситхинская ель (используется в пропеллерах) и пихта Дугласа использовались в лопастях турбин. [8] Непал использовал небольшие лопастные турбины, изготовленные из покрытой древесины, включая древесину сал , саур , сисау , уттиш , туни , охар , сосну и лакури. [9] Помимо древесины, композиты на основе бамбука могут также использоваться как в больших, так и в малых ветровых турбинах из-за их низкой плотности и способности к связыванию углерода , что делает бамбуковые материалы экологически чистыми. Кроме того, по сравнению с древесиной, бамбук имеет более высокую вязкость разрушения, более высокую прочность, более низкие затраты на обработку и быструю скорость роста. Текущие разработки материалов включают бамбуковые ламинаты с использованием смол и гибридных бамбуковых углеродных волокон. [10] Конопля, лен, древесина и бамбук являются подходящими материалами для лопастей для малых турбин. [11]
Малые ветровые турбины должны достичь определенной скорости ветра, называемой скоростью включения, чтобы начать вырабатывать электроэнергию. Эта скорость обычно составляет около 4 метров в секунду (8,9 миль в час), [12] но некоторые турбины могут работать и на более низких скоростях. [13] Чтобы избежать препятствий, турбины часто размещают на башнях на высоте не менее 9 м (30 футов) над чем-либо в пределах 150 м (490 футов). [14] Лучшее место для турбин — это далеко от больших препятствий против ветра, поскольку исследования в аэродинамической трубе показывают, что значительные негативные эффекты от близлежащих препятствий могут распространяться до 80 раз выше высоты препятствия по ветру, [15] хотя это крайний случай. Другой вариант размещения небольшой турбины — использование модели, основанной на фактических измерениях ветра, для прогнозирования того, как близлежащие препятствия повлияют на локальные ветровые условия в потенциальном месте расположения турбины, учитывая размер, форму и расстояние до препятствий. [16]
Небольшие турбины на крыше могут быть установлены на крыше, но могут столкнуться с такими проблемами, как вибрация и турбулентность, вызванные выступом крыши, что может повлиять на их выработку электроэнергии. Эти турбины часто испытывают трудности с выработкой значительного количества электроэнергии, особенно в городских районах. [17]
Генераторы для малых ветряных турбин обычно представляют собой трехфазные генераторы переменного тока , и тенденция заключается в использовании индукционного типа , хотя некоторые модели используют однофазные генераторы или генераторы постоянного тока . [18] [19]
После прокладки трехфазного переменного тока через контактное кольцо и вниз к принимающему концу, трехфазный выпрямитель используется для преобразования переменного тока в выпрямленный постоянный ток для зарядки аккумулятора, особенно в солнечных гибридных энергосистемах . Выпрямитель должен быть установлен на радиаторе для охлаждения, с возможностью добавления компьютерного вентилятора , который активируется биметаллическим тепловым выключателем для активного охлаждения.
Затем конец постоянного тока выпрямителя подключается к батареям. Это соединение должно быть максимально коротким, чтобы избежать потерь мощности, обычно с шунтированным цифровым ваттметром между ними для контроля. Затем батареи подключаются к инвертору мощности , который преобразует энергию обратно в переменный ток с постоянной частотой для подключения к сети и конечного использования.
Динамическое торможение — это метод, используемый для регулирования скорости турбины путем сброса избыточной энергии через резистивную нагрузку во время сильного ветра для предотвращения повреждений. Контроллер, активируемый при достижении аккумуляторами определенного напряжения, включает нагрузку с помощью соленоида или твердотельного реле , последнее из которых имеет дополнительное преимущество «отказоустойчивости». Правильная настройка контроллера важна для предотвращения паразитных колебаний , что может быть достигнуто с помощью функции задержки или использования стандартного контроллера заряда ШИМ с функцией отклонения.
Кабель, устойчивый к УФ- излучению и колебаниям температуры, такой как солнечный кабель , следует использовать в случаях, когда проводка подвергается воздействию стихии. Калибр провода во всей системе должен соответствовать величине тока, проходящего через него. Сопротивление провода, которое линейно увеличивается с его длиной, не должно создавать падение напряжения, превышающее 2–5 % от общего падения напряжения.
В июле 2012 года вступил в силу новый фиксированный тариф , одобренный министром промышленности Японии Юкио Эдано, который обещал увеличить производство ветровой и солнечной энергии в стране. Страна стремится увеличить инвестиции в возобновляемую энергетику отчасти в ответ на радиационный кризис Фукусимы в марте 2011 года. [20] Фиксированный тариф распространяется на солнечные панели и небольшие ветровые турбины и требует от коммунальных служб выкупать электроэнергию, произведенную из возобновляемых источников энергии, по установленным правительством тарифам.
Малая ветроэнергетика (турбины мощностью менее 20 кВт) будет субсидироваться в размере не менее 57,75 иен (около 0,74 долл. США за кВт·ч). [21]
Недвижимость в сельской местности или пригородных районах Великобритании может выбрать ветряную турбину с инвертором для дополнения местной электросети. Схема сертификации микрогенерации (MCS) Великобритании предоставляет льготные тарифы владельцам квалифицированных малых ветряных турбин. [22]
В 2008 году малые ветровые турбины мощностью 100 кВт или менее добавили в общей сложности 17,3 МВт генерирующей мощности в США, согласно Американской ассоциации ветроэнергетики (AWEA). Этот рост представляет собой 78%-ное увеличение внутреннего рынка малых ветровых турбин. В исследовании AWEA "2009 Small Wind Global Market Study" этот рост объясняется более высокими объемами производства благодаря частным инвестициям в расширение заводов, а также ростом цен на электроэнергию и осведомленностью общественности о ветровых технологиях, стимулирующих продажи в жилых домах.
В 2019 году большая часть спроса на малые ветровые турбины в США была направлена на выработку электроэнергии в отдаленных местах, а также на оценку площадок для крупномасштабных ветроэнергетических установок. [23]
Малая ветроэнергетическая промышленность США также получает выгоду от мирового рынка, поскольку она контролирует около половины доли мирового рынка. Производители США получили 77 миллионов долларов из 156 миллионов долларов, потраченных во всем мире на установку малых ветровых турбин. В 2008 году в мире было установлено в общей сложности 38,7 МВт малой ветроэнергетической мощности. [24]
В Соединенных Штатах бытовые ветровые турбины с выходной мощностью 2–10 кВт обычно стоят от 12 000 до 55 000 долларов США с установкой ( 6 долларов США за ватт), хотя в 19 штатах действуют льготы и скидки, которые могут снизить цену покупки для домовладельцев до 50 процентов, до 3 долларов США за ватт. [25] Американский производитель Southwest Windpower оценивает, что турбина окупится за счет экономии энергии в течение 5–12 лет. [26] [27]
Доминирующими моделями на рынке, особенно в Соединенных Штатах, являются ветровые турбины с горизонтальной осью вращения . [ необходима цитата ]
Чтобы потребители могли принять обоснованное решение при покупке малой ветровой турбины, метод маркировки потребителей был разработан IEA Wind Task 27 в сотрудничестве с IEC TC88 MT2. В 2011 году IEA Wind опубликовала Рекомендуемую практику, в которой описаны испытания и процедуры, необходимые для нанесения маркировки. [28]
Хорватия является идеальным рынком для малых ветровых турбин из-за средиземноморского климата и многочисленных островов, не имеющих доступа к электросети. В зимние месяцы, когда меньше солнца, но больше ветра, малые ветровые турбины являются отличным дополнением к изолированным объектам возобновляемой энергии ( GSM , станции, пристани для яхт и т. д.). Таким образом, солнечная и ветровая энергия обеспечивают постоянную энергию в течение всего года.
В Германии тариф на подачу электроэнергии для малых ветровых турбин всегда был таким же, как и для больших турбин. Это главная причина медленного развития сектора малых ветровых турбин в Германии. Напротив, малые фотоэлектрические системы в Германии извлекали выгоду из высокого тарифа на подачу электроэнергии, порой превышающего 50 евроцентов за киловатт-час.
В августе 2014 года немецкий закон о возобновляемых источниках энергии был скорректирован, что также повлияло на тарифы на электроэнергию для ветровых турбин. Для эксплуатации небольшой ветровой турбины мощностью менее 50 киловатт тариф составляет 8,5 евроцента в течение 20 лет.
Из-за низкого тарифа на электроэнергию и высоких цен на электроэнергию в Германии экономическая эксплуатация малой ветровой турбины зависит от большого уровня собственного потребления электроэнергии, вырабатываемой малой ветровой турбиной. Частные домохозяйства платят в среднем 28 центов за киловатт-час за электроэнергию (включая НДС 19%).
В рамках немецкого закона о возобновляемых источниках энергии 2014 года в августе 2014 года была введена плата за электроэнергию, потребляемую самостоятельно. Положение не распространяется на малые электростанции мощностью менее 10 киловатт. Плата составляет 1,87 евроцента, что является низким показателем. [30]
Некоторые любители строят ветряные турбины из наборов, приобретенных компонентов или с нуля. Самодельные ветряные турбины обычно представляют собой небольшие (на крыше) турбины мощностью около 1 кВт или меньше. [31] [32] [33] [34] Эти небольшие ветряные турбины обычно представляют собой наклонные или фиксированные башни с оттяжками . [35] [36]
Строительство ветряных турбин своими руками или своими руками стало популярным благодаря таким журналам, как OtherPower и Home Power . [37]
Такие организации, как Practical Action, разработали самодельные ветряные турбины, которые могут быть легко построены сообществами в развивающихся странах, и предоставляют конкретную документацию о том, как это сделать. [38] [39]
Проекты небольших самодельных ветряных турбин появились в начале 1970-х годов и получили дальнейшее развитие в ходе движения «Назад к земле» в конце 1970-х годов в Соединенных Штатах и Европе. [40]
Малые ветровые турбины местного производства, будучи небольшими по размеру, недорогими, социально интегрированными, адаптируемыми к местным условиям и основанными на открытом обмене знаниями, были оформлены или связаны с перспективами соответствующей или промежуточной технологии , технологии, способствующей развитию , открытого проектирования и открытого производства .
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )