Роль вітрогенератора в автономних гібридних електростанціях.

Сонячні електростанції в Україні

На сьогодні вже багато українців знають, як можна заощадити кошти завдяки сонячним панелям. І вже більше 7500 (станом на початок 2019 року) співвітчизників переконалися в цьому на власному досвіді, встановивши приватні "мережеві" сонячні електростанції (СЕС).

Для цього достатня побудувати сонячну електростанцію, що працює паралельно з Мережею загального користування. Надлишки генерації в такій системі продаються в Мережу по завищеному тарифу - "зеленим" тарифом, ставка якого фіксується на момент подання заявки у валюті (ЄВРО). Такі виплати будуть гарантовано тривати до 2030 року і дають змогу повернути вкладені в СЕС кошти. Слід відзначити, що сплачувати за електроенергію не потрібно вже після встановлення електростанції (у разі перевищення генерації над споживанням).

Відсутність Мережі

Альо часто постає інша задача. У багатьох громадян, взагалі, немає електроенергії. Тут вже мова йде не про економію, а про наявність хоч якогось джерела електроенергії.

Не поодинока ситуація, коли будуються цілі поселення в місцях, де немає підведеної Мережі. Люди чекають роками на ТУ. Але декого не влаштовує очікування, котре може зайняти невизначений час.

Звісно, можна купити бензогенератор. Альо при використанні бензогенератора великі операційні витрати. Крім того, машина зі значним ресурсом буде коштувати не малих грошей.

Останнім годиною здешевлення сонячних панелей дало можливість будувати свої власні сонячні електростанції.
Сонячна електростанція, що працює без Мережі, називається "автономною". Вона виробляє електроенергію з енергії Сонця завдяки сонячним панелям. Панелі виробляють напругу постійного струму, котра перетворюється інвертором в більш звичну для нас напругу змінного струму "230В". Обов'язковими мають бути у такій системі акумуляторні батареї. У них накопичується енергія, котра потім використовується в нічний час або в години з низькою інсоляцією.

Недоліком такої системи є використання свинцево-кислотних акумуляторніх батарей, що мають обмежену кількість циклів розряду/зарядом. Лужні акумуляторні батареї мають більшу кількість циклів заряду/розряду, але коштують дорожче. Найоптимальнішим варіантом для автономних систем є використання літій-іонних АКБ. Хоча вони коштують значно дорожче за свинцево-кислотні (і навіть лужні), але співвідношення "кількість циклів/ціна" у них є найбільшим. Іншими словами, незважаючи на велику вартість, літій-іонної АКБ вистачить на довше і буде витрачено менше коштів на акумуляцію за весь період експлуатації автономної станції.

Головним же недоліком автономних систем є велика залежність від сонячної активності. Найменша активність спостерігається взимку. Саме в тієї годину, коли споживання електроенергії найбільше. Навіть якщо обмежитися від використання електрики на обігрів приміщень, зимової інсоляції не вистачить на найскромніші потреби. По перше, зимовий день короткий. По одному, зимові дні найчастіше похмурі, а в таку погоду інсоляція на рівні 5% від літньої. Також часто панелі можуть бути засипані снігом. Альо навіть якщо ви почистіть сніг, зарядити АКБ до повного заряду буде складно.

І саме це становить найбільшу небезпеку для функціонування системи в цілому.
Якщо брати найбільш доступні АКБ - свинцево кислотні, то вони дуже не люблять "недозарядів". Для роботи свинцево-кислотної АКБ є критичним не лише утримання весь час в зарядженому стані. Дуже скорочують тривалість експлуатації розряди не повністю зарядженої АКБ.
Частково поліпшити ситуацію може зменшення глибини розряду АКБ. Зменшивши доступну ємність, ми збільшуємо кількість циклів заряду/розряду, а також спрощуємо процес зарядки АКБ.
Тільки це може призвести до суттєвого скорочення комфортного використання (адже ми зменшуємо доступний запас енергії, котрого так потребуємо взимку). По друге, це не дає гарантії, що АКБ зарядитися, якщо буде похмура погода впродовж декількох днів.

Єдиним виходом з цієї ситуації буде використання декількох джерел енергії.

Тут є два варіанти. Перший, більш дешевий в капіталовкладеннях, але більш дорогий в процесі експлуатації. Він полягає у використанні того ж самого бензогенератора. В автономній сонячній електростанції рекомендується хоча б раз на тиждень здійснювати повний заряд акумуляторної батареї. А це передбачає роботу генератора протягом 16 годин (при умові, що обмеження струму заряду буде на рівні 10% від номінальної ємності).

Другий спосіб. Використання вітрогенератора, як одного джерело енергії.
На більшості території України особливістю є сезонність вітрів. І вітряна активність збільшується саме в зимовий період. Для приватність вітроустановок використовуються машини, котрі починають впевнену генерацію вже при малих вітрах, починаючи з 4м/с. А таку силу вітру можна "піймати" практично в будь-якому регіоні країни.
Звісно, обмеженнями можуть бути низини, високі дерева чи будівлі.
Завжди хороми місцем для установки вітрогенератора може бути перехід "вода/суходіл", узбережжя моря практично завжди буде 100% гарантованим варіантом. Також хороше місце може бути над урочищем. У місцях, де є сумніви щодо вітряної активності рекомендується установка вітрозамірів протягом року.

На що потрібно звернути увагу при виборі вітроустановки?
Головний параметр, на котрий треба звертати увагу при виборі вітрогенератора, є не його потужність, а виробіток електроенергії за місяць. Оскільки залежність потужності від швидкості кубічна, то часто вказують значення при швидкостях 12м/с, котрі в наших регіонах спостерігаються рідко. Тому потрібно цікавиться виробітком при швидкостях 4..8м/с і сумарною генерацією по місяцях. Так, наприклад, вітрогенератор з номінальною потужністю 1,6 кВт (потужність, що створюється при швидкості вітру 8м/с) може виробити за зимовий місяць до 500кВт*рік. Це статистичні дані для вітрогенератора цього класу для наших регіонів. Цього цілком достатня для потреб помешкання без електроопалення.
Стартова швидкість вітрогенератора також малоінформативна, оскільки для будь-якого типу вітряка впевнена генерація буде від 4м/с. Природу не перехитриш, тому енергію потрібно звідкіля брати. І щоб генератор видавав енергію (а не просто обертався навколо своєї вісі) потрібна достатня сила вітру.

Типова історія однієї автономки.
Спочатку було поле, яке розділили на ділянки на котрих в невдовзі побудували хати. Поки всі чекали на "кабель" один мешканець побудував автономку. Інвертор був на 5кВт, панелей 12шт, 1 група АКБ 100Агод + дизель-генератор 8кВА. Влітку було все прекрасно: сонечка вистачало, сонячна станція цілком забезпечувала потреби будинку і вистачало на ніч. Але з приходом зими все стало дуже сумно. Енергії не вистачало, і закінчилося все тим, що дизель (а він був налаштований на автоматичний запуск) весь час запускався і через деякий (досить короткий) час глухнув.
Діагнозом була сульфатація пластин АКБ - досить неприємна річ, котра трапляється з ними при хронічному недозаряді (суттєве зменшення ємності з подальшим виходом з ладу). В результаті чого, при заряджанні від ДГУ на АКБ зростала напуга дуже швидко (навіть при обмеженні струму заряду на рівні 10%), але реальної ємності вони не набирали.

На наступний сезон сонячний масив був збільшений вдвоє (24 панелі), АКБ була замінена на нові дві групи по 160Агод. Номінальна ємність виросла, але глибину розряду зменшено до 60% (для збільшення кількості циклів розряду/заряду до 1500). 
Щоб не повторювати старих помилок, до цієї системи добавили вітрогенератор. 
Лише 0,8кВт додаткової потужності дало змогу утримувати АКБ зарядженою навіть в зимовий час, навіть коли всі панелі були під снігом.
Такий варіант може бути корисний в будь-якій автономній системі, адже зимою такий генератор може виробити від 250 до 300кВт*год.

з.і. Стара АКБ була досить легко реанімована (завдяки якості виробництва), і використовується в буфері на іншому об'єкті.
з.і.і. Роки йдуть, а запопадливі сусіди всі чекають, що для них хтось протягне "кабель".