Июль 2015
/материал на основе методических рекомендаций EcoInnovation Ltd (NZ) - производителя турбин PowerSpout . Часть 1/
Что такое нагрузка?
В электрической цепи энергия обеспечивается за счет источника, которым может быть гидро-турбина или аккумулятор, и эта энергия потребляется нагрузкой. Нагрузка – это то, что можно подключить к источнику питания и замкнуть электрическую цепь так, что через неё потечет ток и начнет расходоваться энергия. Примером может служить лампа накаливания, обогреватель или любое устройство, которое работает на электричестве.
Как нагрузка влияет на источник питания?
Источник питания характеризуется напряжением, которое можно измерить между двух питающих проводов. В общем случае оно должно быть стабильно на номинальном значении, скажем, 230 В переменного тока для электросети или 12 В постоянного тока для аккумуляторной батареи. Но в реальности напряжение будет немного меняться в зависимости от состояния источника и от того, насколько он нагружен.
Воздействие нагрузки на турбины PowerSpout
Когда турбина PowerSpout вращается без нагрузки, отключенная от любой электрической цепи, мы можем зафиксировать высокое напряжение от неё, которое называется «Напряжение открытой цепи» – Voc, или «Напряжение холостого хода» Vхх. Это напряжение высокое в силу двух причин:
- Первая причина, что турбина вращается очень быстро. Выходное напряжение турбины напрямую зависит от скорости. Турбина ускоряется, когда она не нагружена. Вся сила потока переходит в ускорение до тех пор, пока разбег не исчерпается, и турбина, сравнявшись со скоростью потока, уже просто не сможет вращаться быстрее.
- Вторая причина заключается в том, что ток в обмотках турбины (возникающий при подключении нагрузки) приводит к снижению напряжения из-за сопротивления обмоток. Напряжение будет тем больше "падать", чем больший ток будет сниматься от турбины, даже если скорость вращения постоянна. Эти потери вычитаются из напряжения холостого хода Voc.
Подключите нагрузку к турбине, и возникший ток будет делать следующие две вещи:
- создавать вращающий момент, который будет замедлять разбег до тех пор, пока он не перейдет в Диапазон рабочих оборотов, наиболее эффективный для данной нагрузки,
- пропускать ток через обмотки альтернатора, что создаст «падение напряжения» в проводах, которое влияет на выходное напряжение.
Таким образом, нагрузка будет оказывать эффект «просаживания» на выходное напряжение турбины.
Воздействие нагрузки на аккумуляторную батарею
Опять же действуют два фактора. Когда вы заряжаете аккумулятор, пропуская через него ток в соответствующем направлении, его напряжение будет расти выше номинального напряжения. Будет и немедленное повышение напряжения из-за внутреннего сопротивления аккумулятора (подобно, только в обратную сторону падению напряжения турбины, когда от неё потребляется ток) в момент протекания тока, и постепенное повышение напряжения разомкнутой цепи, которое связано с химическими изменениями, происходящими по мере зарядки батареи. Так, аккумулятор номиналом 12 В, будет на самом деле иметь напряжение более 14 В в процессе правильного заряда. Увеличивая или уменьшая ток мы будем поднимать или понижать это напряжение. Когда же мы прекратим заряд, напряжение еще некоторое время будет оставаться на уровне 14 В, а затем постепенно снизится до значения между 12В и 13В.
Эффект влияния нагрузки, в свою очередь, это снижение рабочего напряжения аккумулятора. Ток нагрузки просаживает напряжение батареи вниз. Наличие тока нагрузки при заряде аккумулятора дает эффект перенаправления (отвода) тока от батареи, таким образом интенсивность заряда снижается и рост напряжения батареи регулируется.
Таким образом, мы можем использовать нагрузку для снижения (ограничения) напряжения батареи или выходного напряжения турбины в тех случаях, когда это необходимо для управления системой турбина – аккумуляторы в целом.
Зачем нам нужно управление нагрузкой?
Есть две цели управления нагрузкой. Вы можете выбрать разные нагрузки для разных целей или найти решение, где одна и та же нагрузка будет удовлетворять обе потребности. В некоторых случаях (например, очень низкая скорость потока/мощность турбины) можно вообще не использовать управление нагрузкой.
Защитное перенаправление (отвод) энергии
Гидротурбины вырабатывают энергию непрерывно. Если аккумуляторы полностью заряжены, то этой энергии надо куда-то уйти. Если не утилизировать её, то аккумуляторы могут пострадать от перезаряда, использовать всю воду из электролита, и в конечном итоге даже «взорваться» (внутреннее замыкание и вздутие корпуса). Если же подключение турбины к аккумулятору (или к электросети в случае Grid-tied установки) будет просто прервано, то турбина без нагрузки будет разгоняться (скорость свободного вращения обычно в 2 раза выше рабочей), создавая повышенное напряжение и уровень шума, что может вызвать проблемы.
В некоторых случаях, когда напряжение холостого хода турбины Voc очень высокое, оно даже может повредить другие элементы энергоустановки - MPPT контроллер заряда или инвертор. В этих случаях необходима опция PowerSpot Klampit (охлаждаемая потоком воды внутренняя нагрузка в блоке турбины) для защиты MPPT-контроллера или Сетевого инвертора. Klampit – это защита «последнего рубежа», которая отключает турбину.
Но необходимо поддерживать нагрузку на турбину в любом случае, чтобы не доводить защиту Klampit до срабатываний, так как они ведут к отключениям турбины, при которых она вообще перестает вырабатывать электроэнергию.
Один из способов поддержания нагрузки – это перенаправление тока с батареи таким образом, чтобы MPPT контроллер оставался активным (производил заряд) и не прекращал нагружать турбину. Либо может даже потребоваться перенаправление тока непосредственно с самой турбины, то есть еще до входа MPPT контроллера.
Нагрузка Защитного перенаправления должна быть доступна все время. Обычно это открытые воздушные обогреватели со спиралью накаливания, расположенные там, где они не будут вызывать никакой опасности или неудобства, выдавая тепло. Иногда можно использовать и полезную нагрузку для целей Защитного перенаправления, например, бойлер нагрева воды. Но бак для воды может перегреться, и термостат отключит водонагреватель из-за высокой температуры воды, то есть он станет бесполезен для отвода избыточной мощности. Обогрев помещений, например, ванной или сушильной комнаты, представляется более подходящим вариантом полезного использования Защитного перенаправления.
Полезное перенаправление на опциональные нагрузки
Автономные гидротурбинные системы очень часто имеют излишки энергии, которые возникают, когда батарея уже заряжена, но все ещё остается много неиспользованной энергии, которую уже некуда запасти. При этом одновременно для обогрева дома и/или нагрева воды сжигается то или иное топливо.
Вы можете экономить топливо, используя избыток гидроэнергии на частичное или даже полное выполнение этой работы по обогреву. Или же вы можете использовать кондиционер, осушитель или водяной насос для потребления избыточной энергии.
Всем этим, разумеется, можно управлять вручную, включая и выключая нагрузки в зависимости от наличия избыточной мощности. Однако, после начального интереса из-за новизны такой задачи, впоследствии она становится рутинной и непосильной ношей. К тому же слишком легко по ошибке оставить нагрузку включенной и разрядить дорогие батареи до самого дна. Или просто впустую потратить излишки энергии на ненужную работу подогревателя.
В хорошо продуманной системе использование излишков энергии в вашу пользу должно выполняться автоматически. Опциональные нагрузки должны включаться, когда батарея получает зарядный ток больший, чем ей нужно, и должны отключаться до того, как начнут разряжать батарею. Так что они практически совпадают по логике работы с Защитным перенаправлением, которое управляет зарядом. Различия заключаются в том, что эти нагрузки делают что-то полезное и что они довольно часто прерываются, что означает, что их нельзя использовать в качестве единственного средства защитного отвода энергии. Например, когда вода в водонагревателе нагреется, эта нагрузка выключится и для защиты батарей от перезаряда возможно понадобится воздушный обогреватель со спиралью накаливания.
« назад