Mała przydomowa elektrownia wiatrowa
Elektronika
Nie jest dużym problemem wyprodukować prąd. Problemem jest ujarzmić ów prąd tak, by pracował na naszą korzyść.
"Sterownia" w piwnicy. Na zdjęciu widać układ z przetwornicą "firmową" o mocy ciągłej 600W. Układ zatrzasku zabezpiecza akumulator przed nadmiernym rozładowaniem. Jeśli napięcie spadnie poniżej 11.5V układ odłączy przetwornicę i przełączy się na prąd z sieci (do tego celu służy przekaźnik na płytce zatrzasku oraz przekaźnik podłączony do zacisków 220V przetwornicy). Jeśli w trakcie ładowania napięcie na zaciskach akumulatora przekroczy 13.0V układ automatycznie przełączy się znowu na przetwornicę.
W trakcie użytkowania elektrowni zauważyłem, iż warto wykorzystywać każdy wiatr - stąd ustawione na 13V napięcie przełączenia na prąd z wiatru. Gdy napięcie na ładowanym akumulatorze przekroczy 14.4V włączy się dwustopniowy układ zabezpieczenia, który będzie ograniczał prąd ładowania. Układ ten widoczny jest z lewej strony. Licznik mierzy tylko prąd produkowany przez przetwornicę - wiadomo ile się zaoszczędziło (za ile nie trzeba będzie zapłacić).
"Sterownia" w piwnicy. Na zdjęciu widać układ z przetwornicą "firmową" o mocy ciągłej 600W. Układ zatrzasku zabezpiecza akumulator przed nadmiernym rozładowaniem. Jeśli napięcie spadnie poniżej 11.5V układ odłączy przetwornicę i przełączy się na prąd z sieci (do tego celu służy przekaźnik na płytce zatrzasku oraz przekaźnik podłączony do zacisków 220V przetwornicy). Jeśli w trakcie ładowania napięcie na zaciskach akumulatora przekroczy 13.0V układ automatycznie przełączy się znowu na przetwornicę.
W trakcie użytkowania elektrowni zauważyłem, iż warto wykorzystywać każdy wiatr - stąd ustawione na 13V napięcie przełączenia na prąd z wiatru. Gdy napięcie na ładowanym akumulatorze przekroczy 14.4V włączy się dwustopniowy układ zabezpieczenia, który będzie ograniczał prąd ładowania. Układ ten widoczny jest z lewej strony. Licznik mierzy tylko prąd produkowany przez przetwornicę - wiadomo ile się zaoszczędziło (za ile nie trzeba będzie zapłacić).
Schemat elektryczny dla przetwornicy wykonanej samodzielnie
Schemat elektryczny dla przetwornicy "markowej"
Z uwagi na dużą ilość zapytań odnośnie możliwości podłączenia "markowych" przetwornic posiadających funkcję SoftStartu, postanowiłem zmodyfikować układ tak, by była możliwość podłączenia takiej właśnie przetwornicy. Przekaźniki przełączające pomiędzy zasilaniem miejskim a przetwornicą zostały przeniesione i są sterowane przez napięcie 230V z przetwornicy.
Chcę tu podkreślić, iż rozwiązanie te należy stosować w obydwu przypadkach - zarówno wykonując przetwornicę w/g poniższego opisu jak również korzystając z przetwornic "markowych". W przypadku własnoręcznie wykonanej przetwornicy nie należy montować przekaźnika sterującego włącznikiem przetwornicy tylko zasilać ją bezpośrednio z wyjścia OUT zatrzasku.
Proszę zauważyć, iż przetwornica jest podłaczona non stop do zasilania, a jej włączenie następuje w wyniku zadziałania przekaźnika, który zwiera włącznik na obudownie przetwornicy (wymaga to niewielkiej przeróbki przetwornicy).
Chcę tu podkreślić, iż rozwiązanie te należy stosować w obydwu przypadkach - zarówno wykonując przetwornicę w/g poniższego opisu jak również korzystając z przetwornic "markowych". W przypadku własnoręcznie wykonanej przetwornicy nie należy montować przekaźnika sterującego włącznikiem przetwornicy tylko zasilać ją bezpośrednio z wyjścia OUT zatrzasku.
Proszę zauważyć, iż przetwornica jest podłaczona non stop do zasilania, a jej włączenie następuje w wyniku zadziałania przekaźnika, który zwiera włącznik na obudownie przetwornicy (wymaga to niewielkiej przeróbki przetwornicy).
Sterownik - Zatrzask
Przetwornica - koncepcja kol. Michał z forum elektroda.pl
W stosunku do poprzedniej wersji, nowy sterownik-zatrzask posiada wydłużony czas zestyku dla przekaźnika podającego napięcie na przetwornicę oraz mniejszą wrażliwość na chwilowe spadki napięcia poniżej ustawionego progu przełączenia układu na sieć. Dzięki temu nie występuje drganie zestyku i możliwe jest włączanie urządzeń pobierających duży prąd rozruchowy.
Elementy służące do regulacji napieć, tj. PR1 i PR2 to potencjometry wieloobrotowe 3296/64Y/67Y.
Dodatkowo w układzie została zastosowana modyfikacja toru wykonawczego pomysłu Kolegi kubuspucharek z forum wiatraki.memu.pl, dzięki której uprościła się procedura ustawienia parametrów jego pracy.
Elementy służące do regulacji napieć, tj. PR1 i PR2 to potencjometry wieloobrotowe 3296/64Y/67Y.
Dodatkowo w układzie została zastosowana modyfikacja toru wykonawczego pomysłu Kolegi kubuspucharek z forum wiatraki.memu.pl, dzięki której uprościła się procedura ustawienia parametrów jego pracy.
Kontroler - Regulator ładowania (shuntregulator)
Proponowany układ - regulator ładowania elektrowni wiatrowej, służy do dołączania dodatkowego odbiornika w momencie jak napięcie ładowania przekroczy próg ustawiony (tu akurat w postaci grzałki - element obciążeniowy). Dzięki takiemu zabiegowi następuje zmniejszenie obrotów, co w konsekwencji pociąga za sobą zmniejszenie napięcia produkowanego przez prądnicę a tym samym i napięcia na zaciskach akumulatorów. Maksymalna moc elementu podłączanego pod IRFZ40 nie powinna przekraczać 250W. Jeśli zaistnieje potrzeba podłączania większych mocy konieczne będzie wykonanie kilku układów w postaci kaskady.
Zespół prostowniczy
A dlaczego nie zwykły 30-to amperowy mostek za 2.50pln albo trochę droższy trójfazowy? A dlatego, że, moim zdaniem, warto zainwestować w elementy które znacznie przewyższają parametrami standardowe diody prostownicze.
Dioda Schottky to:
- mniejszy o połowę spadek napięcia w stosunku do krzemowej,
- mała pojemność złącza - za tym idzie jej szybkość.
Mniejszy spadek napięcia to więcej prądu który dotrze do akumulatorów. Mała pojemność złącza to możliwosć pracy w szerokim zakresie częstotliwości - z tym sobie nie radzą zupełnie diody krzemowe.
U siebie zastosowałem baterię składającą się z 6 sztuk diod B40250TG co widać na dołaczonym zdjęciu. Diody oczywiście mogą być inne tj. pracujące w zakładanym zakresie napięć.
Dioda Schottky to:
- mniejszy o połowę spadek napięcia w stosunku do krzemowej,
- mała pojemność złącza - za tym idzie jej szybkość.
Mniejszy spadek napięcia to więcej prądu który dotrze do akumulatorów. Mała pojemność złącza to możliwosć pracy w szerokim zakresie częstotliwości - z tym sobie nie radzą zupełnie diody krzemowe.
U siebie zastosowałem baterię składającą się z 6 sztuk diod B40250TG co widać na dołaczonym zdjęciu. Diody oczywiście mogą być inne tj. pracujące w zakładanym zakresie napięć.
Sterownik mikroprocesorowy na ATMEG8
Dostałem od Pana Krzysztofa Krawca do udostępnienia mikroprocesorowy sterownik przydomowej elektrowni wiatrowej. W skład paczki wchodzi plik źródłowy, gotowy "hex" do zaprogramowania oraz schematy, ja zaś od siebie dołączam plik .brd do Eagle.
Sterownik ten pracuje w zakresie napięć od 12V do 99V, załącza przetwornicę oraz przerzutnik sieci w regulowanej histerezie. Górny zakres ładowania akumulatorów pilnuje przerzutnik PWM , czyli jako ograniczenie mocy wystarczy jedna grzałka dużej mocy.
Wszystkie informacje o wartościach wyświetlane są na wyświetlaczu 2x16, czyli aktualna wartość napięcia, napięcie załączenia przetwornicy próg górny oraz dolny, oraz wartość napięcia przy którym włącza się dodatkowe obciążenie PWM.
Procesor należy ustawić na 4MHz. Do złącza JP1 podłączyć należy bazy tranzystorów takich jak na sterownikach analogowych jako element wykonawczy sterujący przetwornicą, power switch oraz PWM.
Sterownik ten pracuje w zakresie napięć od 12V do 99V, załącza przetwornicę oraz przerzutnik sieci w regulowanej histerezie. Górny zakres ładowania akumulatorów pilnuje przerzutnik PWM , czyli jako ograniczenie mocy wystarczy jedna grzałka dużej mocy.
Wszystkie informacje o wartościach wyświetlane są na wyświetlaczu 2x16, czyli aktualna wartość napięcia, napięcie załączenia przetwornicy próg górny oraz dolny, oraz wartość napięcia przy którym włącza się dodatkowe obciążenie PWM.
Procesor należy ustawić na 4MHz. Do złącza JP1 podłączyć należy bazy tranzystorów takich jak na sterownikach analogowych jako element wykonawczy sterujący przetwornicą, power switch oraz PWM.
Schemat na napięcie zasilania 12V
Schemat na napięcie zasilania 24V
Przetwornica | Płytka ZE/EW | Sterownik - zatrzask | Regulator ładowania | Zespół prostowniczy | Sterownik mikroprocesorowy na Atmeg8 | Magazynowanie energii
Magazynowanie energii
Wytwarzanie prądu niesie za sobą pewien problem. W przypadku klasycznych elektrowni gdzie prąd wytwarzany jest w efekcie ciągłego spalania węgla - planowanie produkcji opiera się o miesięczne średnie godzinowe prognozy zużycia. Przy nadwyżce, produkowana energia będzie bezpowrotnie utracona jeśli nie zostanie zmagazynowana np przez elektrownie szczytowo-pompowe w energii potencjalnej wody.
W przypadku przydomowej elektrowni wiatrowej sprawa wygląda jeszcze ciekawiej, bo produkcja najczęściej odbywa się w godzinach w których domownicy są poza domem (w pracy) i nie zużywają produkcji na bieżąco.
W związku z tym, iż nie posiadam możliwości jak w projekcie ADELE, muszę w jakiś sposób gromadzić wytworzoną energię. Generalnie w moim zasięgu finansowym są dwa rozwiązania: gromadzenie prądu w akumulatorach lub gromadzenie energii w cieczy - niestety oba nieoptymalne, trzeba więc wybrać mniejsze zło.
Magazynowanie energii w akumulatorach.
Jeśli traktować akumulatory jako magazyn energii wyprodukowanej w elektrowni wiatrowej to wypadają one biednie, bo:
Klasyczny akumulator kwasowo-ołowiowy (rozruchowy) o pojemności 100Ah jest w stanie zmagazynować przy dobrych układach 850W energii czyli równowartość 60 groszy. Iloczyn wartości przechowywanej energii oraz pełnych cykli da kwotę 400 x 60gr = 24000gr = 240zł, gdzie średni koszt zakupu akumulatora wynosi 450zł.
Baterie dedykowane Li-Po: np SE100AHA wypadają lepiej jeśli chodzi o parametry, tj. ilość cykli pracy którą producent określa na 2500. Ogólna wartość energii wyniesie 2500 x 60gr = 150000gr = 1500zł. Średni koszt zakupu to 1900zł dla czterech ogniw (jedno ogniwo 3,2V 100Ah).
W jakikolwiek sposób by nie liczyć - nie opłaca się magazynować prądu w akumulatorach, gdyż inwestycja w ich zakup nigdy się nie zwróci. Jednak jest jedno ale...
Jeśli traktować akumulatory nie jako pojemnik z prądem (na okres gdy nie wieje) a jako kompensator napięcia chwilowego to sprawa wygląda już zupełnie inaczej. Wtedy nie ma konieczności brania pod uwagę ilości cykli pracy, bo nie chodzi o posiadanie prądu gdy nie wieje, a o w miarę stabilne parametry napięciowe dla urządzeń które pod te akumulatory są podpięte.
Proszę pamiętać, że w tym modelu nie jest brana pod uwagę produkcja zużyta bezpośrednio, gdyż nie została zmagazynowana w akumulatorach, a więc nie zaliczona do pełnych cykli pracy akumulatorów.
Magazynowanie energii w cieczy.
Wzór który pozwala policzyć moc jaką trzeba dostarczyć, by podgrzać określoną objętość cieczy o określoną ilość stopni Celsjusza w określonym czasie wygląda tak:
P = ( Cp x T x V ) / czas
gdzie:
Cp - ciepło właściwe cieczy (woda = 4180)
T - delta temperatur [st.C]
V - objętość cieczy [l]
czas - czas [s]
przykład: policzymy jaką moc trzeba dostarczyć by podgrzać o 10st.C wodę w zbiorniku o pojemności 300 litrów w czasie 1 godziny,
P = (4180 x 10 x 300) / 3600 = 3483W
Moja pierwsza elektrownia (500W), zakładając maksymalną produkcję, w ciągu dziesięciu godzin pracy podgrzałaby wodę w zbiorniku o 14 stopni Celsjusza. Ta którą posiadam dziś podgrzeje wodę dwukrotnie szybciej. Niestety ilość dni w których mamy do dyspozycji moc maksymalną jest kilkanaście, może kilkadziesiąt w roku.
Układ mieszany.
Najbardziej rozsądne wydaje się zastosowanie układu mieszanego, gdzie w trakcie ładowania akumulatory pozwolą utrzymać stabilne parametry napięciowe dla przetwornicy a ewentualna nadwyżka z produkcji będzie kierowana poprzez układ shunregulatora do grzałki w wymienniku c.w.u. Dzięki temu układ zabezpieczenia grzeje nie powietrze a wodę, bo jak by nie patrzeć: małą stratę lepiej przetransferować w mały zysk.
W przypadku przydomowej elektrowni wiatrowej sprawa wygląda jeszcze ciekawiej, bo produkcja najczęściej odbywa się w godzinach w których domownicy są poza domem (w pracy) i nie zużywają produkcji na bieżąco.
W związku z tym, iż nie posiadam możliwości jak w projekcie ADELE, muszę w jakiś sposób gromadzić wytworzoną energię. Generalnie w moim zasięgu finansowym są dwa rozwiązania: gromadzenie prądu w akumulatorach lub gromadzenie energii w cieczy - niestety oba nieoptymalne, trzeba więc wybrać mniejsze zło.
Magazynowanie energii w akumulatorach.
Jeśli traktować akumulatory jako magazyn energii wyprodukowanej w elektrowni wiatrowej to wypadają one biednie, bo:
Klasyczny akumulator kwasowo-ołowiowy (rozruchowy) o pojemności 100Ah jest w stanie zmagazynować przy dobrych układach 850W energii czyli równowartość 60 groszy. Iloczyn wartości przechowywanej energii oraz pełnych cykli da kwotę 400 x 60gr = 24000gr = 240zł, gdzie średni koszt zakupu akumulatora wynosi 450zł.
Baterie dedykowane Li-Po: np SE100AHA wypadają lepiej jeśli chodzi o parametry, tj. ilość cykli pracy którą producent określa na 2500. Ogólna wartość energii wyniesie 2500 x 60gr = 150000gr = 1500zł. Średni koszt zakupu to 1900zł dla czterech ogniw (jedno ogniwo 3,2V 100Ah).
W jakikolwiek sposób by nie liczyć - nie opłaca się magazynować prądu w akumulatorach, gdyż inwestycja w ich zakup nigdy się nie zwróci. Jednak jest jedno ale...
Jeśli traktować akumulatory nie jako pojemnik z prądem (na okres gdy nie wieje) a jako kompensator napięcia chwilowego to sprawa wygląda już zupełnie inaczej. Wtedy nie ma konieczności brania pod uwagę ilości cykli pracy, bo nie chodzi o posiadanie prądu gdy nie wieje, a o w miarę stabilne parametry napięciowe dla urządzeń które pod te akumulatory są podpięte.
Proszę pamiętać, że w tym modelu nie jest brana pod uwagę produkcja zużyta bezpośrednio, gdyż nie została zmagazynowana w akumulatorach, a więc nie zaliczona do pełnych cykli pracy akumulatorów.
Magazynowanie energii w cieczy.
Wzór który pozwala policzyć moc jaką trzeba dostarczyć, by podgrzać określoną objętość cieczy o określoną ilość stopni Celsjusza w określonym czasie wygląda tak:
P = ( Cp x T x V ) / czas
gdzie:
Cp - ciepło właściwe cieczy (woda = 4180)
T - delta temperatur [st.C]
V - objętość cieczy [l]
czas - czas [s]
przykład: policzymy jaką moc trzeba dostarczyć by podgrzać o 10st.C wodę w zbiorniku o pojemności 300 litrów w czasie 1 godziny,
P = (4180 x 10 x 300) / 3600 = 3483W
Moja pierwsza elektrownia (500W), zakładając maksymalną produkcję, w ciągu dziesięciu godzin pracy podgrzałaby wodę w zbiorniku o 14 stopni Celsjusza. Ta którą posiadam dziś podgrzeje wodę dwukrotnie szybciej. Niestety ilość dni w których mamy do dyspozycji moc maksymalną jest kilkanaście, może kilkadziesiąt w roku.
Układ mieszany.
Najbardziej rozsądne wydaje się zastosowanie układu mieszanego, gdzie w trakcie ładowania akumulatory pozwolą utrzymać stabilne parametry napięciowe dla przetwornicy a ewentualna nadwyżka z produkcji będzie kierowana poprzez układ shunregulatora do grzałki w wymienniku c.w.u. Dzięki temu układ zabezpieczenia grzeje nie powietrze a wodę, bo jak by nie patrzeć: małą stratę lepiej przetransferować w mały zysk.
Uwaga! W sprzedaży płytki drukowane do układów elektronicznych prezentowanych na tej stronie jak również gotowe, zmontowane i wyregulowane układy (nie dotyczy sterownika mikroprocesorowego w wersji zmontowanej) na standardowe (12, 24, 48V) oraz niestandardowe napięcia i moce. PCB wykonywane jest z laminatu grubości 1.5mm pokrytego miedzią 35µm. Zapytania proszę składać via e-mail - zakładka [podsumowanie].
