7.2.3.2
Vertikální vzduchové generátory 03: Elektrické uspořádání vertikálních větrných elektráren
Ing. Bohumil Číhal
Malá větrná elektrárna sestává z větrné turbíny s vertikální osou otáčení, pohánějící elektrický generátor spojeny pevnou vazbou (hřídelí). Způsoby elektrického zapojení větrných elektráren se primárně dělí na "off-grid" (ostrovní systémy) a "on-grid" (připojené k rozvodové síti). Součástí každého zapojení musí být řídící elektronika (řídící jednotka, měnič, měřící zařízení), která zajišťuje optimální funkci celého systému.
NahoruZapojení off-grid
Zapojení off-grid neboli bez připojení k rozvodové síti je nejpoužívanější a nejvýznamnější využití malých větrných elektráren. Jeho hlavním přínosem je možnost napájeních odlehlých a mobilních objektů, u kterých připojení k síti není možné, nebo by bylo příliš nákladné.
Akumulace proudu v bateriích
Většina malých větrných zařízení se jmenovitým výkonem asi do 500 W využívá akumulace elektrické energie v bateriích. Elektrická energie se v nich přechodně ukládá, aby byla k dispozici i v bezvětrných obdobích. Vertikální vzduchová turbína je přímo spojená s generátorem proudu a získaná elektrická energie je následně upravena a řízena tak, aby byla vhodná pro uvedený účel při zachování bezpečnosti celého systému a ekonomiky provozu. V případě střídavého generátoru napětí jsou svorky vyvedeny na diodový usměrňovač, ze kterého má být pomocí regulátoru napájena baterie. Generátor proudu je zpravidla dimenzován na jmenovité napětí 12 nebo 24 V, vhodné k nabíjení baterií (akumulátorů).
Následující obrázek představuje schématické uspořádání jednotlivých částí systému, jejichž funkci popisujeme dále.
Obr. č. 1: Blokové schéma větrné soustavy s baterií
Hybridní systém zapojení
U zapojení větrné elektrárny bez připojení na elektrickou síť lze využití hybridního systému střídavého napětí v kombinaci s akumulací elektrické energie
Aby se daly provozovat přístroje určené pro napětí 230 V střídavého napětí, je třeba střídač, který nízké stejnosměrné napětí z baterií transformuje na 230 V střídavého napětí (více dále v zapojení on-grid). Mezi střídači existují značné rozdíly v kvalitě, ne každé zařízení se hodí pro všechna použití stejně dobře.
Obr. č. 2: Hybridní systém s akumulátorem
Varianty provozu on-grid
Malé větrné zařízení může v podstatě pohánět různé spotřebiče přímo, bez baterií. Takovými příklady jsou vodní čerpadla, osvětlení, ale také podpora vytápění. U přímého provozu (tzn. bez vyrovnávacího nabíjení akumulátoru) spočívá problém v tom, že dříve než se dosáhne optimálního točivého momentu pro pohon určitého spotřebiče, musí větrné zařízení docílit určitého počtu otáček. To vyžaduje velmi přesné sladění výkonu větrného zařízení, příkonu spotřebiče a regulace. Pokud není regulace přesná, pak spotřebič buď zatíží větrné zařízení tak, že se vůbec nerozběhne, nebo od něho nebude odebírat dostatečný výkon, a turbina naprázdno poběží příliš rychle.
NahoruZapojení on-grid
Zapojení on-grid je typické pro velké větrné elektrárny, ale je možné ho použít i u menších větrných elektráren, pokud vyrábějí dostatečné množství energie na to, aby mělo smysl větrnou elektrárnu připojovat k rozvodové síti. Jakmile turbina vyprodukuje dostatečné množství proudu, přemění přístroj pro připojení do sítě energii tak, aby napájela domovní síť. Na spotřebičích v domácnosti se nemusí nic měnit.
Nejčastější varianta tohoto zapojení je taková, že se při přebytku energie získané z větrné elektrárny část energie prodává připojením do sítě. Naopak, pokud nefouká, lze odebírat elektřinu z rozvodové sítě. Další možností je prodávat do sítě veškerou vyrobenou elektřinu.
Pro prodej elektřiny do rozvodové sítě je však nejdříve potřeba vyřídit legislativní požadavky a sjednat si smlouvu s provozovatelem rozvodové sítě v dané oblasti. Hovoří o tom zákon č. 458/2000 Sb., energetický zákon, ve znění pozdějších předpisů (poslední úprava platná od 24. 1. do 30. 6.2023).
Podle ustanovení § 3 energetického zákona Podnikání v energetických odvětvích, odst. 3 "mohou podnikat v energetických odvětvích na území České republiky za podmínek stanovených tímto zákonem osoby pouze na základě licence udělené Energetickým regulačním úřadem. Licence se dále vyžaduje na výrobu elektřiny ve výrobnách elektřiny s instalovaným výkonem nad 50 kW určené pro vlastní spotřebu zákazníka, pokud je výrobna elektřiny propojena s přenosovou soustavou nebo s distribuční soustavou, nebo na výrobu elektřiny vyrobenou ve výrobnách elektřiny s instalovaným výkonem do 50 kW včetně, určené pro vlastní spotřebu zákazníka, pokud je ve stejném odběrném místě připojena jiná výrobna elektřiny držitele licence".
Připojení malé větrné elektrárny na síť je schematicky znázorněno na následujícím obrázku.
Obr. č. 3: Připojení malé větrné elektrárny na síť
Následuje popis jednotlivých částí zařízení, který uvádíme pouze se záměrem pochopit jejich funkci. Podrobně se zabývá všemi podsystémy malých větrných elektráren (jako jsou ochranné mechanizmy, vnitřní elektrické systémy, mechanické systémy, nosná konstrukce, základy a elektrické spojení se zátěží) ČSN EN 61400-2 ed. 3 (333160) z března 2015 Větrné elektrárny - Část 2: Malé větrné elektrárny. K normě vyšla Oprava 1 4.20t. Norma specifikuje požadavky na bezpečnost včetně instalace, ochrany proti poruše z rizik systému během jeho životnosti, údržby a provozu při specifikovaných vnějších podmínkách.
Generátor proudu
Elektrický generátor je velký točivý elektrický stroj převádějící energii otáčejícího se rotoru na univerzálně použitelnou elektrickou energii. Pracuje na principu elektromagnetické indukce, využívající vzájemné působení magnetického pole na elektrický vodič. Zákon elektromagnetické indukce říká, že pokud se v blízkosti vodiče mění magnetické pole, vzniká (indukuje se) na jeho koncích napětí a uzavřeným obvodem začne procházet proud. Samotná přítomnost stálého magnetického pole vznik proudu nevyvolá.
Technologie generátorů je jedním z limitujících faktorů větrných turbín. Větrné elektrárny používají technologii synchronního i asynchronního generátoru. Záleží na konkrétním výrobci, jakou zvolí celkovou koncepci větrné elektrárny. V poslední době se začíná používat i technologie mnohopólových generátorů.
V případě asynchronních generátorů se používají 4-pólové generátory, které mají ve spojení se sítí o kmitočtu 50 Hz synchronní otáčky 1 500 ot/min nebo 6pólové, které mají synchronní otáčky 1 000 ot/min.
Hlavní dělení elektrických generátorů je na generátory stejnosměrného napětí – dynama a generátory střídavého napětí – alternátory.
Generátor stejnosměrného napětí se skládá ze statoru, zabezpečujícího konstantní magnetické pole a z rotoru se soustavou rotujících cívek, ve kterých se indukuje elektrické napětí.
Elektrický proud, vyráběný v rotujících cívkách je odebírán přes prstenec na hřídeli rotoru, mechanický přepínač zvaný komutátor, který pootočením rotoru připojuje na výstup vždy cívku s nejvyšším indukovaným napětím. Navenek pak dynamo dává stejnosměrné napětí.
Obr. č. 4: Princip elektrického generátoru stejnosměrného proudu
Generátor střídavého napětí pracuje na stejném principu jako dynamo, ale nepoužívá komutátor a magnetické pole je většinou tvořeno rotorovými magnety nebo vinutím rotorových cívek.
V posledních desetiletích začaly být díky vysoké výkonové hustotě a nízké hmotnosti čím dál častěji využívány synchronní generátory s permanentními magnety. Dnes jsou považovány za nejvhodnější volbu pro malé větrné elektrárny.
Obr. č. 5: Synchronní generátor s vnitřním (vlevo) a vnějším rotorem
Konstrukce generátoru je poměrně jednoduchá. Permanentní magnety jsou osazeny na rotoru a vytvářejí konstantní magnetické pole, protínající vinutí statoru. Při otáčení rotoru se vlivem proměnného magnetického pole indukuje v cívkách statoru střídavé napětí. Výhodou oproti dynamu či klasickému synchronnímu generátoru je absence komutátoru, kluzných kontaktů a kartáčů.
V energetice pracují alternátory v synchronním režimu s frekvencí sítě, do které jsou zapojeny.
Usměrňovač
Ve větrných elektrárnách se běžně používá šestipulsní diodový usměrňovač pro vytvoření stejnosměrného napěťového meziobvodu pro napájení stejnosměrných napěťových měničů a střídačů. Každá ze šesti diod vede proud po 120 ° elektrických. Dvojice diod vedoucí proud je ta, na které je nejvyšší okamžitá hodnota mezifázového napětí. Elektrické schéma třífázového můstkového usměrňovače je znázorněno na následujícím obrázku.
Obr. č. 6: Šestipulzní třífázový můstkový usměrňovač
Regulátor
Regulátor nabíjení ovládá větrnou turbínu tak, aby automaticky nabíjela baterii. Když je baterie plná, zastaví se nabíjení z turbíny. Když napětí baterie poklesne na obnovovací napětí, turbína obnoví nabíjení baterie.
Větší větrné elektrárny jsou regulovány komplexními řídícími systémy, které turbínu těmto změnám přizpůsobují. Větrné…
