Содержание Введение............................................................................................................................... 4 1. Определить вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое ........... 5 2. Рассчитать максимальный коэффициент мощности 𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 ............................... 5 3. Определить коэффициент быстроходности Z ....................................................... 7 4. Определить мощность ВЭУи кинетическую энергию воздушного потока ....... 9 5. Построить семейство мощностных характеристик ветроколеса .......................10 6. Расчет и выбор генератора ВЭУ ...........................................................................12 7. Согласование характеристик ветродвигателя и генератора ВЭУ .....................18 8. Расчет и выбор аккумулятора для ВЭУ................................................................19 9. Расчет срок окупаемости ВЭУ в конкретном районе и сделать вывод о целесообразности постройки ВЭУ в конкретном районе .............................................22 Вывод..................................................................................................................................23 Список использованной литературы...............................................................................24 КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 3 Введение Важнейшей энергетической характеристикой ветра является его скорость vi. Под действием ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности и др.), а также из-за влияния рельефа местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону. Для определения мгновенной скорости ветра vi, т.е. скорости за промежуток времени, измеряемый секундами или даже ее долями, пользуются специальными приборами – анемометрами. Мгновенная скорость ветра определяет динамическое воздействие воздушного потока на ветродвигатель и влияет на работу автоматических систем регулирования. Количество энергии, которую сможет вырабатывать ветроэлектрическая установка, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра как во времени, так и по площади поверхности, обметаемой ветроколесом. Задание на курсовую работу 1. Определить вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое 2. Рассчитать максимальный коэффициент мощности 𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 3. Определить коэффициент быстроходности Z 4. Определить мощность ВЭУи кинетическую энергию воздушного потока 5. Построить семейство характеристик ветроколеса 6. Расчет и выбор генератора ВЭУ 7. Согласовать характеристики ветродвигателя и генератора ВЭУ 8. Расчет и выбор аккумулятора для ВЭУ 9. Построить блок-схему ВЭУ 10. Построить принципиальную электрическую схему ВЭУ 11. Рассчитать срок окупаемости ВЭУ в конкретном районе и сделать вывод о целесообразности постройки ВЭУ в конкретном районе Дано: Вариант 𝒉𝟏 ,м 𝒉𝟎 , см D,м 𝒗 , м 𝒗 , м 𝒔,м𝟐 𝒔𝟐,м𝟐 n,об/мин 𝜼эл 𝜼мех 𝟏 с 𝟐 с 1 10 0,5 5 4,6 4,0 19,625 50 120 0,92 0,89 Вариант Тип ВЭУ Местность Вид генерируемого тока 1 турбина пропелУльяновская ВЭС, переменный лерного типа Ульяновская область КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 4 1. Определить вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое Ветер — это сложный геофизический процесс, который можно прогнозировать только с определенной степенью вероятности, используя методы стохастической изменчивости интенсивности потока как в избранном интервале времени, так и на ограниченном пространстве. Важной его характеристикой является также вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое. Влияние земной поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты, когда скорость постепенно возрастает, а порывистость и ускорение потока снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой[1]. При адиабатическом градиенте вертикальный профиль ветра v=f(h) аппроксимируется в зависимости от вида [14] 1 𝑣= ℎ 5 𝑣1 ( ) ℎ1 9 0,2 = 4,6 ∙ ( ) 10 = 4,5 м с ; (1) где vi - скорость ветра, измеренная вблизи земли на высоте h1; v – искомая скорость на высоте h; h0–высота, на которой скорость ветра равна нулю. Величина h0 зависит от шероховатости подстилающей поверхности (для снежного покрова h0≈0,5 см, для поверхностей с низкой травой h0≈3,2 см, с более высокими растениями h0≈5 - 7 см, h0max ≈20 см)[1]. 2. Рассчитать максимальный коэффициент мощности 𝑪𝒑𝒎𝒂𝒙 Коэффициент СР– один из главных параметров, характеризующих эффективность ветротурбины. Он определяет среднюю выработку электроэнергии на конкретной установке. Кинетическая энергия ветра (2) преобразуется ветродвигателем в механическую энергию и далее в зависимости от назначения ветроустановок КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 эта энергия с помощью генераторов, преобразователей или исполнительных механизмов может быть преобразована в электрическую, тепловую, химическую, механическую или другие виды энергии. Кинетическая энергия воздушного потока определяется известным соотношением1 1 𝐸возд = 𝑚𝑣 2 = 0,5 ∙ 108,6 ∙ 4,52 = 1099,8 Дж 2 (2) В механическую энергию Емех ветродвигатель может преобразовать только часть полной энергии воздушного потока Евозд проходящего через сечение ветроколеса, определяемую типом двигателя и режимом его работы. Эта часть оценивается коэффициентом использования энергии ветраСр. Получим величины, характеризующие значения коэффициента Ср. На рис. 1 показан поток воздуха, условно ограниченный сечениями; s1– перед ветроколесом; s– в зоне ветроколеса; s2– за ветроколесом. Соответствующие обозначения скорости ветра –v1,v и v2 (v2<v<v1). Рис. 1. К определению коэффициента использования ветра 𝐶𝑝 ВЭУ Потери кинетической энергии потока на ветроколесе в секунду составляют 1 Е𝑠1 − Е𝑠2 = 𝜌𝑠𝑣(𝑣12 − 𝑣22 ) = 0,5 ∙ 1,23 ∙ 19,6 ∙ 4,5 ∙ (4,62 − 42 ) = 279,9 Дж (3) 2 Сила F, действующая на ветроколесо, определяется изменением импульса потока: 𝐹 = 𝑑(𝑚𝑣) 𝑑𝑡 = 𝜌𝑠𝑣(𝑣1 − 𝑣2 ) = 1,23 ∙ 19,6 ∙ 4,5 ∙ (4,6 − 4) = 65Н (4) Производимая этой силой работа 𝐴 = 𝐹𝑣 = 𝜌𝑠𝑣 2 (𝑣1 − 𝑣2 ) = 1,23 ∙ 19,6 ∙ 4,52 ∙ (4,6 − 4) = 292,5Дж КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата (5) Лист 6 Максимальное значение этой работы определяется соотношением[11] 16 1 𝐴𝑚𝑎х = 27 2 𝜌𝑠𝑣13 = 0,296 ∙ 1,23 ∙ 19,6 ∙ 4,63 = 694,6Дж (6) 1 Величина 𝜌𝑠𝑣13 определяет мощность потока в сечении s без ветро2 колеса. Таким образом, максимально возможное значение коэффициента 𝐴𝑚𝑎х мощности,𝐶𝑝𝑚𝑎х = 𝐴 = 16 27 = 0,593 которое называют теоретическим пределом Бетца. В практических расчетах учитывают влияние на величину Ср типа ветроколеса, в результате чего он уменьшается и составляет 𝐶𝑝 = (0,3 − 0,8)𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 ≈ 0,18 − 0,48 (7) Меньшее значение Ср относится к многолопастным тихоходным ВЭУ с вертикальной осью вращения, большее – к горизонтально-осевым ВЭУ с двумя-тремя лопастями типа «Пропеллер»[1]. 3. Определить коэффициент быстроходности Z Другим важнейшим параметром ВЭУ является коэффициент быстроходности Z, который определяют как отношение окружной скорости концов лопастей к скорости ветра v: 𝑍= 7; 𝜔𝑅 𝑣 = 𝑢 𝑣 = 31,4 4,5 = (8) здесь R - радиус окружности, ометаемой концевыми элементами лопастей; ω - угловая частота, 𝜔= 𝜋𝑛 30 = 3,14∙120 30 = 12,56рад/с u - окружная скорость на концах лопастей, 𝑢= 𝜋𝐷𝑛 60 = 3,14∙5∙120 60 = 31,4м/с где n - частота вращения, об/мин; D - диаметр ветроколеса, м. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 7 Величина Z находится в пределах 0,2 - 10: для крупных ВЭУ Z > 1, для ВЭУ с большим количеством лопастей Z≈3, для ВЭУ с тремя лопастями и большой скоростью вращения Z ≈ 6 - 10. В работе ветроустановки выделяют два предельных режима: режим с постоянным коэффициентом быстроходности Z и, следовательно, с постоянным коэффициентом мощности Ср, и режим с постоянной частотой вращения ветроколеса и, следовательно, с переменным коэффициентом Ср. Характеристика ветроколеса обычно дается в виде зависимостей коэффициента Ср и вращающего момента М отвеличины Z (рис. 2) Рис.2. Мощностные и моментные характеристики ветродвигателя В работах [12, 13, 14] (для наиболее распространенных типов ВЭУ) получены обобщенные кривые зависимостей Ср = f(Z) - мощностные характеристики ВЭУ, которые представлены на рис. 1.7. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8 Рис. 3. Зависимость коэффициента мощности Ср от быстроходности Z: 1 – идеальная эффективность турбины пропеллерного типа; 2 – высокоскоростная двухгопастная турбина «Пропеллер»; 3 – трехлопастный «Пропеллер»; 4 – вертикально-осевая турбина типа «Дарье»; 5 – многолопастной ветронасос; 6 – ротор Савониуса 4. Определить мощность ВЭУи кинетическую энергию воздушного потока Мощность ВЭУ СР=0,4 𝑃 = 𝐶𝑝 𝜌𝑣 3 2 ∙ 𝜋𝐷2 4 ∙ 𝜂эл ∙ 𝜂мех = 0,4 ∙ 1,23∙4,53 2 ∙ 3,14∙52 4 ∙ 0,92 ∙ 0,89 = 360 Вт = 0,36 кВт (9) где 𝜂эл – КПД генератора; 𝜂мех – КПД трансмиссии; n– частота вращения генератора, об/мин, v–скорость ветра на высоте. Масса mвоздуха, протекающего со скоростью v через сечение s в 1с, 𝑚 = 𝜌𝑠𝑣 = 1,23 ∙ 19,6 ∙ 4,5 = 108,6 кг/с (10) где ρ – плотность воздуха (ρ = 1,23 кг/м3 при температуре t = 15 °С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст.); s – площадь сечения, м2. Соотношение (10) для круглого сечения 𝑠 = 𝜋𝑅2 = 3,14 ∙ 2,52 = 19,6 м2 может быть записано в виде 𝑚 = 𝜌 ∙ 𝜋 ∙ 𝑅2 ∙ v = 1,23 ∙ 3,14 ∙ 2,52 ∙ 4,5 = 108,6 кг/с КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата (11) Лист 9 где R – радиус сечения. Кинетическая энергия воздушного потока определяется известным соотношением 1 𝐸возд = 𝑚𝑣 2 = 0,5 ∙ 108,6 ∙ 4,52 = 1099,5 [Дж] (12) 2 Используя формулы (11) и (12), получаем энергию воздушного потока 1 𝐸возд = 𝜌𝑠𝑣 3 = 0,5 ∙ 1,23 ∙ 19,6 ∙ 4,53 = 1098,4 Дж 2 которое с учетом 𝑠 = 𝜋𝑅2 , преобразуется 1 𝐸возд = 𝜌𝜋𝑅2 𝑣 3 = 0,5 ∙ 1,23 ∙ 3,14 ∙ 2,52 ∙ 4,53 = 1099,8 Дж (13) 2 Таким образом, кинетическая энергия ветра пропорциональна кубу его скорости и площади поперечного сечения s. Энергии ветра свойственны низкая плотность и нестабильность. Именно это обстоятельство обусловливает трудности и создает ограничения для его использования в широких масштабах. Для увеличения выходной мощности ВЭУ приходится увеличивать диаметр ветроколеса и обеспечивать оптимальные параметры профиля лопастей. 5. Построить семейство мощностных характеристик ветроко- леса В расчетах рассматривается параметр 𝜎 на конце лопасти, то есть на периферии ветротурбины пропеллерного типа: Примем bпериф=0,2м. 𝝈периф = 𝒊л∙𝒃𝑹периф = 𝟐∙𝒊л ∙𝒃периф 𝑫 (14) КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 10 Параметр 𝜎периф аналогичен коэффициенту заполнения для ортогональных ветроколес, однако для последних он не зависит от сечения лопасти. Зависимости 𝑍𝑜𝑝𝑡 (𝜎периф )и 𝑍𝑚𝑎𝑥 (𝜎периф ) достаточно точно аппроксимируются гиперболическими соотношениями 𝑍𝑜𝑝𝑡 = 𝑍𝑚𝑎х = 30,78∙ 𝜎периф +18,58 (15) 12,74∙𝜎периф +1 188,93∙𝜎периф +20,62 (16) 28,22∙𝜎периф −1 Зависимость 𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 от 𝜎периф аппроксимируется квадратичной параболой С𝑝𝑚𝑎х = (−0,109 ∙ 𝜎 2 периф + 0,18514 ∙ 𝜎 2 периф + 0,44283) ∙ 0,825 (17) Расчетные параметры Zoptp, Cpmax и Zmax для кривых 2, 3, 4, 5 и 6, представленных на рис. 3, сведены в табл. 1. Таблица 1 Выбирая в качестве независимых переменных задаваемое число лопастей 𝑖л , и полученный в результате расчета параметр 𝜎периф (1-19) как коэффициент заполнения на периферии лопасти, можно построить семейство характеристик ветроколеса. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 11 Таблица 2 № кривой Кол.лопастей σпереф Zopt Cpmax Zmax 1 6 0,288 5,88 0,7 10,5 2 4 0,32 5,7 0,53 10 3 3 0,24 6,3 0,47 11,4 4 3 0,18 7,2 0,43 13,39 5 2 0,16 7,7 0,42 14,2 6 1 0,1 10 0,38 28 Рис.4 Мощностные характеристики гаммы ветроколес, спроектированных на различные числа (Zoptp)пр при найденных числах σпериф и оптимальном числе лопастей iл 6. Расчет и выбор генератора ВЭУ В настоящее время разработано и применяется значительное количество схем для преобразования энергии ветра в электрическую энергию по- КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 12 стоянного или переменного напряжения или для выполнения механической работы. Возможные технологические схемы эффективного получения электрической энергии за счет энергии ветра для автономной и сетевой работы ВЭУ представлены на рис. 5. а б Рис. 5. Схемы генерирования и использования электроэнергии при автономной (а) и сетевой (б) работе ВЭУ В современных ВЭУ преобразование энергии ветра осуществляется в основном только в схемах с генерированием переменного тока. Например, аккумулирование энергии в виде теплоты с использованием ее для отопления помещений может быть осуществлено при применении ВЭУ переменного напряжения с изменяющейся частотой или ВЭУ постоянного напряжения (см. рис. 5, а). Частота вращения ветродвигателя в этом случае не обязательно должна быть постоянной. Применение выпрямительных устройств дает возможность получить постоянное напряжение, которое может быть КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 13 использовано непосредственно или же после его инвертирования в переменное напряжение постоянной частоты. Мощность на валу ветроколеса определяется формулой 1 𝜌∙𝑣 3 ∙𝑆вк ∙𝐶р 𝑃вк = ∙ 2 735 = 0,5 ∙ 1,23∙4,53 ∙19,625∙0,4 735 = 0,59л.с=0,43кВт (18) Напомним соотношение: 1 кВт=102кГм/с =1,36 л.с. Электромагнитная мощность генератора, сочлененного с ветроколесом, определяется прежде всего мощностью, подводимой к нему с вала, и корректируется системой управления. Уравнение механического равновесия ВЭУ может быть записано в виде Мвк-М0-Мэмг±Мд=0, (19) гдеМвк – вращающий момент ветроколеса; M0– момент, обусловленный трением механических элементов ВЭУ; Мэмг– электромагнитный (тормозной) момент генератора; Мд–динамический момент, Мд = 𝑑∙𝛺 𝑑𝑡 (20) где J –момент инерции вращающихся масс. Знаки +/– динамического момента подчеркивают его стабилизирующее действие на поведение системы: при тенденции к снижению или к повышению оборотов ветроколеса момент Мд направлен встречно к этим изменениям. В ряде случаев ВЭУ на быстроходной части могут устанавливаться так называемые инерционные аккумуляторы, представляющие совой стальные диски большого диаметра, которые поглощают избыточную энергию на ветроколесе при повышении скорости ветра и отдают ее генератору при снижении скорости ветра. В результате пульсирующий характер ветра и соответствующие пульсации момента на ветроколесе демпфируются этим аккумулятором, а КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 14 скорость вращения генератора становится более стабильной, улучшается качество напряжения. Система с синхронной машиной. Для преобразования механической энергии ВЭУ в электрическую энергию переменного напряжения постоянной частоты в схеме генерирования используют синхронный генератор, работающий параллельно с сетью (см. рис. 5, б), при этом мощность энергосистемы намного больше мощности ВЭУ и электрическая машина находится в синхронизме с сетью в широком диапазоне мощности, развиваемой ветродвигателем. К недостаткам такой схемы относится то, что при определенных ветровых условиях синхронная машина может переходить в двигательный режим и потреблять энергию из сети, а при резких порывах ветра появляется вероятность ее выпадения из синхронизма. Тихоходные генераторы могут быть соединены с ветроколесом непосредственно, без редуктора, и работать при переменной частоте вращения в широком диапазоне ее изменения, что позволяет уменьшить габариты агрегата в целом, упростить передаточные узлы и, следовательно, уменьшить расход материалов. Технико-экономические данные, степень сложности, надежность работы, себестоимость, срок окупаемости и другие показатели позволяют говорить о целесообразности дальнейшего поиска систем электрогенерирования с использованием оптимальных бесконтактных низкооборотных генераторов с автоматической системой регулирования напряжения. Режимы совместной работы энергосистемы и ВЭУ с синхронным генератором требуют, чтобы произведение номинальной частоты вращения ветродвигателя nвк и передаточного отношения мультипликатора i было равно синхронной частоте вращения nг СГ и, таким образом, соответствовало частоте сети, т. е. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 15 (21) Величина мощности, вырабатываемой синхронной ВЭУ и отдаваемой в энергосистему, определяется из соотношения (22) где U - напряжение фазы статора; I - ток фазы статора; cosφ - коэффициент мощности, определяемый уровнем возбуждения. Эта мощность меньше мощности, развиваемой на ветроколесе, на величину потерь в трансмиссии и в СГ. При работе синхронной ВЭУ параллельно с энергосистемой колебания вращающего момента на ветродвигателе не должны превышать (30 50)% Мн что исключает опасность выпадения СГ из синхронизма, при мом необходимо, чтобы синхронная машина обладала достаточным запасом динамической устойчивости в периоды воздействия внезапно возникающих порывов ветрового потока. ВЭУ с асинхронным генератором, подключенным на параллельную работу с сетью, преобразует энергию ветрового потока в электроэнергию трехфазного переменного тока и отдает ее в сеть, если произведение частотывращения вала ветроколеса ВК nвк и передаточного отношения i мультипликатора несколько больше синхронной частоты, т.е. (23) При этом колебания частоты вращения ротора АГ по отношению к поминальной частоте вращения должны быть не более 2%, что связано с необходимостью обеспечить значительный запас динамической устойчи- КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 16 вости по моменту. Вместе с тем асинхронная ВЭУ должна иметь защиту от превышения частоты вращения, поскольку при очень сильных порывах ветрового потока аэродинамический момент ветродвигателя может превышать максимальный момент АГ, в результате чего он может перейти на неустойчивый участок механической характеристики. Отметим еще раз, что суммарный коэффициент использования энергииветрового потока асинхронной ВЭУ ниже, чем у синхронной, что связано с потреблением из сети реактивного тока на возбуждение и снижением величины cosφ. Исходя из мощности установкиР=0,36кВт и анализа карты ветров Ульяновской области был выбран вентильный генератор переменного тока ВГ-0,5(12)/300-57-04 Характеристики генератора: Мощность, Вт 500 Напряжение ,В 57 Частота вращения, об/мин 300 КПД 0,75/0,8 Масса, кг 11 Момент Нхм Практически равен 0,5 КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 17 Рис.6 P = f(V)- Мощность ВЭС от скорости ветра. 7. Согласование характеристик ветродвигателя и генератора ВЭУ При проектировании ВЭУ во время проведения практических расчетов необходимо согласовать рабочие характеристики ветроколеса и подключаемого к нему генератора (или другого механизма). Эти характеристики должны отражать изменение мощности, развиваемой ветроколесом и преобразуемой генератором, в зависимости от числа оборотов. Такие характеристики в общем виде показаны на рис. 6. Рис.7. Характеристики мощности ветродвигателя и генератора ВЭУ КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 18 Максимальная мощность ветроколеса при неизменной скорости ветра достигается при определенном числе оборотов. Эта мощность будет полностью i воспринята рабочей машиной (генератором), если, во-первых, ее нагрузка соответствует этой мощности, а во-вторых – достигается именно при данных оборотах ветроколеса. Это возможно, если передаточное отношение i мультипликатора обеспечивает такое число оборотов генератора, при котором кривая его мощностной характеристики проходит через вершины кривых мощности ветродвигателя (кривая А на рис. 6). При завышенном значении i характеристика машины будет иметь вид кривой Б (см. рис. 6) и работа ВЭУ будет неустойчивой. При малом i характеристика приобретает вид кривой С (см. рис. 6) и ветродвигатель работает с недогрузкой, т.е. с меньшим значением Ср. Полезная мощность, отдаваемая генератором потребителю, меньше механической мощности на валу ветродвигателя на величину потерь в механической передаче и в генераторе, что учитывается соответствующими коэффициентами полезного действия. Кривые рис. 6 идеализированы и, конечно, не отражают реального поведения ВЭУ, работающей при непостоянстве скорости ветра, имеющего стохастический (случайный) характер изменения, причем изменения ветрового режима происходят с периодом, составляющим одну или несколько секунд. По такому же закону изменяются мощности ветроколеса и генератоpa. 8. Расчет и выбор аккумулятора для ВЭУ Самовозбуждение АГ возможно при наличии потока остаточного намагничивания Фост в ферромагнитной части магнитной цепи, который при вращении ротора АГ наводит в обмотке статора ЭДС остаточного поляЕ ост. Обычно при шихтованном роторе Еост= (0,02- 0,03)UHOM. Под влиянием КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 19 EQCTв цепи параллельной емкости возникает емкостный (опережающий) ток, который и подмагничивает машину. Рис. 8. Принципиальная схема асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением Главное преимущество асинхронного генератора состоит в том, что напряжение на его выходе имеет постоянную частоту при изменении частоты вращения ротора в некоторых пределах и ему свойственна большая устойчивость при работе на сеть, чем у синхронной машины. Последнее обстоятельство крайне важно в связи с тем, что ВЭУ становятся все более мощными. Недостатком этой схемы является то, что при одном и том же ветровом режиме она вырабатывает меньше энергии, чем синхронная машина, и связано это с меньшим коэффициентом мощности, обусловленным большими токами намагничивания, которые приблизительно пропорциональны квадрату напряжения. Следует также отметить, что последний недостаток компенсируется снижением затрат на механизмы системы регулирования, поскольку в случае использования асинхронного генератора допускается менее точное поддержание частоты вращения ветроколеса. Асинхронный генератор с вентильным возбуждением. Альтерна1ивой конденсаторному возбуждению АГ ВЭУ большой мощности является вентильное возбуждение генератора. При этом использование автономного инвертора (АИН) позволяет ограничиться для возбуждения АГ конденсаторами меньшей емкости. В соответствии с методикой расчета, приведенной в работе [10] , сделаем оценку емкости конденсатора, необходимой КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 20 для схемы ВЭУ малой мощности с автономным инвертором. Будем считать, что между АИН и АГ включен идеальный фильтр (ИФ) (рис. 8, а). В этом случае при угле управления ключами в 180° токи фаз будут синусоидальными (рис. 8, б). Амплитуды фазного тока и тока на конденсаторе равны: (24) (25) Напряжение на конденсаторе записывается в виде (26) а б Рис 9. Схема асинхронного генератора с вентильным возбуждением (а) и формы кривых тока и напряжения на конденсаторе (6) Принимая размах пульсаций напряжения на конденсаторе равным амплитуде напряжения АГ (311 В), из (24) находим емкость конденсатора С = 22 мкФ, что почти в пять раз меньше, чем при конденсаторном возбуждении. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 21 КПД такой схемы выше, чем конденсаторной, следовательно, увеличивается ресурс аккумуляторной батареи (АБ), питающей инвертор. Регулировка величины напряжения производится углом открывания тиристоров. Исходя из мощности установки Р=0,36 кВт и напряжения генератора 57В выбираем пять гелиевых аккумуляторных батарей 12В емкостью 100А*ч. 9. Расчет срок окупаемости ВЭУ в конкретном районе и сделать вывод о целесообразности постройки ВЭУ в конкретном районе Покупка и эксплуатация на протяжении 20 лет службы 0,5 кВт-ного ветрогенератора стоит 50тысрублей.Примем в расчет среднюю стоимость электроэнергии в Ульяновской области3,68р/кВт*час . Рассчитаем электрогенератор за 20 лет службы. Если учесть, что ветрогенератор введен в эксплуатацию в период до 31 декабря 2018года и он вырабатывает 0,5 кВт в час, то мы заработаем: St*Pv*Nч*Nc*Nл где St – стоимость тарифа в конкретном регионе; Pv – мощность ветоустановки; Nч – число часов в сутки; Nc – число суток в году; Nл – число рассчитываемых лет. 3,68р*0,5 (кВт) *24 (часа) * 365 (суток) * 20 (лет) = 322368 р В сутки установка вырабатывает 12кВт электроэнергии. Если от этой суммы отнять стоимость ветрогенератора, дополнительного оборудования и его обслуживания, то мы получим: 322368 -50 000 = 272368р Установка окупится через 3,1 года. Прибыль за 20 лет 272368р Прибыль за год 272368/12 месяцев=22697,3руб в год КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 22 Вывод В данной контрольно-курсовой работе я рассмотрел проектировку ветреной установки для Ульяновской области. Мною были определены , рассчитаны и построены: - вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое; - максимальный коэффициент мощности 𝐶𝑝𝑚𝑎𝑥 ; - коэффициент быстроходности Z; - мощность ВЭУ и кинетическая энергия воздушного потока; - семейство характеристик ветроколеса; - выполнен выбор генератора ВЭУ; - принципиальная электрическая схема ВЭУ; - срок окупаемости ВЭУ; Установка ВЭУ экономически целесообразна, как для выработки электроэнергии для собственных нужд, так и для продажи. Прибыль или экономия за 20лет эксплуатации электрогенератора составит 272368р. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 23 Список использованной литературы 1. Кривцов B.C., Олейников A.M. и др. Неисчерпаемая энергия. Кн. 1 Ветроэлектрогенераторы. Учебник. Харьков. 2003. - 400 с. 2. Агеев, В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энер- гии. МРСУ. 2004. - 174 с. 3. Андрианов, В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П., Секторов В.Р. Ветроэлектрические станции. Москва-Ленинград, Государственное энергетическое издательство, 2004. - 320 с. 4. В. В. Зубарев Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 2007 г. -487 с. 5. Кашкаров А.П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. М.: ДМК Пресс, 2011. - 144 с. 6. Рекомендации по применению ветроэнергетических установок в сельском хозяйстве. М.: Колос, 2006 г. - 328 с. 7. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические агрегаты. М.: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, 2006. - 280 с. 8. Яковлев А.И., Затучная М.А. Расчет ветротурбин с вертикальной осью вращения. Учеб.пособие по курсовому проектированию. — Харьков: Нац. аэрокосмический ун-т ХАИ, 2002. — 61с. 9. Янсон Р.А. Ветроустановки. Учебное пособие, издательство МГТУ имени Н. Э. Баумана, Москва 2007 г. - 36 с. 10. Яковлев А. И. Бесконтактный синхронный генератор малой мощности для ветроэлектрической установки/ А. И. Яковлев, В. Д. Лущик, Р. Ч. Ммасси// Авиационно-космическая техника и технология. — X.: Гос. аэрокосм, ун-т «ХАИ». — 1999. — С. 56 — 61. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 24 11. Энциклопедия машиностроителя: Ветроэнергетика. — Т. 8. Госэнергоиздат, 1948. — Гл. 6. — С. 207 — 252. 12. Абрамовский Е. Р. Аэродинамика ветродвигателей/ Е. Р. Абрамовский, С. В. Городько, Н. В. Свиридов.- Днепропетровск: Изд-во Днепропетр. гос. ун-та, 1987. —219 с. 13. Ветроэнергетика/ Под ред. Д. Рензо: Пер. с англ.; Под ред. Я. И. Шеф-тера. — М.: Энергоатомиздат, 1982. — 28 с. 14. Шефтер Я. И. Использование энергии ветра/ Я. И. Шефтер. Энергоатомиздат, 1983. — 193 с. КР13.02.04.01.000.000 ПЗ Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 25
