Краткий ответ
Ветро-солнечная гибридная система объединяет панели и небольшую ветровую турбину на одном аккумуляторном банке, чаще всего на автономном объекте. Мощность турбины пропорциональна кубу скорости ветра, поэтому в Анталье решение нельзя принимать без местных измерений. Там, где ветра не хватает, дополнительные панели и аккумулятор обычно — более надёжное решение с меньшим обслуживанием.
Главное
- Мощность ветра считается по формуле P = ½ρAv³Cp; при удвоении скорости мощность растёт в восемь раз.
- По пределу Бетца турбина может уловить не более 59,3 % энергии ветра.
- По данным PVGIS, 1 кВтп панелей в Анталье вырабатывает 168 кВт·ч в июле и 99 кВт·ч в декабре.
- По данным MGM, самый быстрый ветер в Анталье составлял 43,2 м/с; прочность конструкции нужно проектировать с учётом этого.
- Рекомендуется измерять ветер на высоте турбины не менее одного года.
Ветро-солнечная гибридная система — это конструкция, в которой солнечные панели и небольшая ветровая турбина работают на один аккумуляторный банк; её цель — повысить непрерывность энергоснабжения, особенно на автономных объектах. Идея выглядит привлекательно: днём — солнце, ночью и зимой — ветер. Однако вырабатывает ли ветер энергию, зависит от района и высоты, и без измерений решение принимать нельзя. В этой статье мы рассказываем о физике процесса, теоретическом расчёте, реальности в Анталье и о том, в каких случаях гибридная система оправданна.
Как работает ветро-солнечная гибридная система?
В системе солнечные панели подключаются к MPPT-контроллеру заряда, а ветровая турбина — к собственному контроллеру заряда; оба заряжают один аккумуляторный банк. Энергия из аккумуляторного банка через инвертор подаётся на потребление дома. Когда ветер дует слишком сильно, в турбине включаются балластная нагрузка (dump load), рассеивающая излишек энергии для защиты аккумулятора, и механический или электрический тормоз.
На автономных объектах такая схема нацелена на сокращение времени работы генератора в часы, когда солнца не хватает. На странице услуг Solar Nexo есть и ветровая энергетика; тем не менее рекомендовать бытовую турбину без измерений на месте было бы неправильно. Подробности об услуге смотрите на нашей странице о ветровой энергетике.
Сколько вырабатывает ветровая турбина? Правило куба
Мощность ветра пропорциональна кубу скорости: P = ½ × ρ × A × v³ × Cp. Здесь ρ — плотность воздуха (около 1,225 кг/м³), A — площадь, ометаемая ротором, v — скорость ветра, а Cp — коэффициент мощности; по пределу Бетца Cp теоретически не может превышать 59,3 %, а на практике у малых турбин он ниже. Если скорость ветра удваивается, мощность вырастает в восемь раз; и наоборот, при падении скорости выработка резко обрушивается.
Теоретический пример: для турбины с диаметром ротора 3 м (площадь около 7,07 м²) и Cp = 0,30:
| Скорость ветра | Мощность ветра | Выход турбины (Cp=0,30) |
|---|---|---|
| 3 м/с | около 117 Вт | около 35 Вт |
| 5 м/с | около 541 Вт | около 162 Вт |
| 7 м/с | около 1 485 Вт | около 446 Вт |
| 10 м/с | около 4 330 Вт | около 1 299 Вт |
Эта таблица показывает лишь физическую логику; реальная кривая мощности турбины, распределение скоростей ветра и влияние высоты приводятся в техническом паспорте производителя. Кроме того, у каждой турбины есть скорость включения, ниже которой выработка равна нулю. Годовую энергию солнечной панели и турбины одинаковой номинальной мощности сравнивать нельзя: турбина достигает номинальной мощности только при номинальной скорости ветра, а 1 кВтп панелей, по данным PVGIS, в центре Антальи вырабатывает 1 656 кВт·ч в год.
Реальность ветра в Анталье и важность измерений
Для солнца существует проверенный и подробный набор данных, такой как PVGIS; для ветра же потенциал выработки очень локален. В одном и том же районе скорость ветра на холме и в долине может отличаться в разы. Деревья, здания и рельеф создают турбулентность и снижают эффективность турбины. Поэтому общую цифру «ветровой эффективности» для Антальи мы назвать не можем; необходимы измерения на месте.
По записям Турецкой метеослужбы (MGM), самый быстрый ветер, измеренный в Анталье, — 43,2 м/с (22.01.1998). Это не данные о выработке, а данные о прочности: конструкцию турбины и мачты нужно выбирать с учётом штормовых условий региона и соблюдать условия монтажа производителя. Высота башни турбины может потребовать градостроительных согласований и разрешений; получите письменное подтверждение в муниципалитете и соответствующих органах.
Идеально для измерений собирать данные анемометром на высоте турбины как минимум в течение года. Кратковременное измерение не учитывает сезонный эффект. Результаты измерений должны показывать не только среднюю скорость ветра, но и почасовое распределение, поскольку из-за правила куба небольшое число часов сильного ветра даёт большую часть общей энергии.
Взаимодополняемость ночью и зимой
Главный аргумент в пользу ветро-солнечной гибридной системы в том, что ветер и солнце вырабатывают энергию в разное время. По данным PVGIS, 1 кВтп панелей в Анталье вырабатывает 168 кВт·ч в июле и 99 кВт·ч в декабре. Зимняя выработка составляет около 59 % летней (расчёт). В районах, где в эти месяцы и ночью ветер будет помогать, гибридная система может снизить нагрузку на аккумулятор и генератор.
Однако эта взаимодополняемость гарантирована не везде. В Анталье могут быть места, где зимой и ночью ветер сильный, но это должны показать измерения. В месте со слабым ветром инвестиции в турбину не окупятся; на тот же бюджет дополнительные панели и аккумулятор могут дать гораздо более надёжную энергию. Подробные данные о зимней выработке вы найдёте в нашей статье о работе солнечных панелей зимой.
Когда бытовая турбина оправданна?
Малую ветровую турбину можно рассматривать при следующих условиях: открытый участок без препятствий, измеренный достаточный ветер, объект вдали от сети (off-grid), цель сократить расходы на топливо для генератора и возможность поднять мачту на достаточную высоту. Установка турбины на крышу здания в центре города чаще всего неэффективна: проблемы создают и турбулентность, и вибрация конструкции.
- Выбор места: мачта, поднимающаяся над препятствиями, снижает турбулентность.
- Шум и вибрация: расстояние до жилья и детали крепления — критерии проектирования.
- Обслуживание: из-за подвижных частей требует гораздо большего обслуживания, чем солнечная панель.
- Безопасность: при сильном ветре обязательны тормозная система и надёжный анкер мачты.
Поэтому в большинстве жилых проектов самостоятельная солнечная система — достаточное решение, требующее минимума обслуживания. Об автономных решениях читайте на странице наших off-grid систем, а о смешанных конструкциях — на странице гибридных систем.
Статьи затрат и обслуживание
Цены мы не называем, потому что выбор мачты, фундамента и турбины сильно зависит от площадки; но знания статей затрат достаточно для решения. Основные статьи: турбина, мачта и анкер, контроллер турбины, балластная нагрузка (dump load), аккумуляторный банк, кабели, заземление и монтажные работы. В солнечной панели нет подвижных частей; в ветровой турбине подшипники, лопасти и соединения нужно проверять не реже раза в год. Нарушение балансировки лопастей создаёт вибрацию и шум. Нагрузка по обслуживанию при выборе ветро-солнечной гибридной системы часто упускается из виду.
Поэтому надёжнее первым шагом сделать проект солнечной системы с аккумулятором, а измерение ветра вести отдельным технико-экономическим обоснованием. Если измерения покажут достаточный ветер, турбину можно добавить позже; если контроллер и аккумуляторный банк планировать с расчётом на такое расширение, дополнительные вложения упрощаются. Для хозяйства на удалённом нагорном пастбище, использующего генератор, такой подход шаг за шагом снижает расходы на топливо и нагрузку по обслуживанию.
Расчёт системы и архитектура управления
Проект ветро-солнечной гибридной системы смотрит не на один источник, а на суммарную энергию и одновременность двух источников. Поскольку оба источника могут одновременно заряжать аккумуляторный банк, предел тока заряда и ёмкость аккумулятора нужно рассчитывать вместе.
Самое критичное решение в гибридной системе — совместимость аккумуляторного банка и контроллеров заряда. Ветровая турбина вырабатывает переменный ток переменной частоты; его преобразуют в постоянный выпрямителем. Когда аккумулятор заряжен, контроллер турбины направляет турбину на балластную нагрузку; оставить турбину с разомкнутой цепью опасно, потому что ротор может разогнаться до чрезмерной скорости. На солнечной стороне MPPT-контроллер ограничивает выработку, когда аккумулятор заряжен.
Ёмкость аккумуляторного банка следует выбирать так, чтобы покрыть безветренные и бессолнечные дни. В этом применении распространены аккумуляторы LiFePO4; подробности смотрите в нашем руководстве по LiFePO4 батареям. С точки зрения законодательства автономные объекты — как объекты, не подключённые к системе передачи или распределения, — освобождены от лицензионных обязанностей; однако градостроительные, статические и прочие обязательства оцениваются отдельно.
Заключение
Ветро-солнечная гибридная система в правильном месте — сильное дополнение, а в неправильном — дорогая надстройка, приносящая нагрузку по обслуживанию. Из-за правила куба для скорости ветра решение без измерений принимать нельзя. Для большинства жилых и коммерческих объектов в Анталье сначала проектируют решение из солнечных панелей и аккумулятора; ветер рассматривается как дополнительный вариант на открытых и измеренных площадках. Для оценки именно вашего участка вы можете заказать у Solar Nexo бесплатный выезд специалиста и, рассмотрев данные по ветру и солнцу вместе, выяснить, нужна ли вам гибридная система на самом деле. Избежать ненужных вложений в турбину так же ценно, как установить турбину в правильном месте.
Частые вопросы
Что такое ветро-солнечная гибридная система?
Это система, в которой солнечные панели и небольшая ветровая турбина заряжают один аккумуляторный банк. Солнце вырабатывает энергию днём, а ветер — в подходящих районах ночью и зимой. Каждый источник подключается к собственному контроллеру заряда; из аккумуляторного банка через инвертор энергия подаётся потребителям. Поскольку эффективность ветра очень локальна, устанавливать систему без измерений не рекомендуется.
Эффективно ли работает бытовая ветровая турбина в Анталье?
Это зависит от района и места; называть общую цифру эффективности для Антальи было бы неправильно. Даже в одном районе скорость ветра на холме и в долине сильно различается. Нужно измерять ветер на высоте турбины не менее года. В местах со слабым ветром дополнительные панели и аккумулятор обычно — более надёжный вариант.
Как мощность ветровой турбины зависит от скорости ветра?
Мощность пропорциональна кубу скорости ветра. Если скорость удваивается, мощность вырастает в восемь раз. Например, теоретическая турбина с ротором диаметром 3 м и Cp 0,30 вырабатывает около 162 Вт при 5 м/с и около 1 299 Вт при 10 м/с. Реальные значения определяются кривой мощности турбины и условиями площадки.
Можно ли установить ветровую турбину на крышу?
В большинстве жилых случаев это не рекомендуется. Окружение здания создаёт турбулентность, эффективность турбины падает, а вибрация может передаваться конструкции. Для эффективной и безопасной работы нужна мачта с надёжным анкером, поднимающаяся над препятствиями. Высота мачты может потребовать градостроительных согласований и разрешений; рекомендуется получить письменное подтверждение в муниципалитете и соответствующих органах. Более безопасный вариант — панели на крыше, а на участке — отдельная мачта.
Нужен ли аккумулятор в ветро-солнечной гибридной системе?
В автономных гибридных системах — да. Аккумуляторный банк покрывает часы, когда ветра и солнца не хватает. В этом применении распространены аккумуляторы LiFePO4. Ёмкость выбирается по критичным нагрузкам и по тому, сколько дней автономности вам нужно; гарантия на аккумулятор зависит от марки и модели. В гибридных системах с подключением к сети аккумулятор может быть необязательным, но для ночных нагрузок и отключений он рекомендуется.
Можно ли подключить ветровую турбину к сети?
В центре внимания этой статьи — автономные гибридные системы. Для нелицензируемого производства с подключением к сети действуют заявка в распределительную компанию, письмо-разрешение на подключение (çağrı mektubu), утверждение проекта и приёмка. Условия использования турбины и пределы мощности зависят от договорной мощности и законодательства; до подачи заявки нужно получить письменное подтверждение в AEDAŞ, а систему нельзя запускать до приёмки.
Как измерять ветер для гибридной системы?
На высоте турбины устанавливают анемометр с регистратором данных и записывают скорость и направление ветра не менее года. Кратковременное измерение не показывает сезонный эффект. Важны не только средняя скорость, но и почасовое распределение, потому что из-за правила куба небольшое число часов сильного ветра даёт большую часть энергии. Измерение нужно провести до принятия инвестиционного решения.
Источники
Хотите точный расчёт для вашей крыши?
Команда Solar Nexo бесплатно выезжает по вашему адресу в Анталье и проектирует систему, подходящую для вашей крыши, потребления и бюджета.
