Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

В дипломной работе проанализированы возобновляемые источники энергии (ВИЭ), получены графики изменения электрической нагрузки путем экспертной оценки. Обоснован вариант энергоснабже­ния сельской усадьбы на основе ВИЭ, установлены наиболее эконо­мичные соотношения между мощностями энергоустановок (ветроуста­новка - 3,0 кВт, солнечная установка - 0,8 кВт, аккумуляторная батарея - 3150 А×час.). Определены оптимальные параметры ориента­ции фиксированного солнечного коллектора для Зерноградского райо­на ( азимутный угол равен 17,5 ^о С, угол наклона к горизонту равен 41,6 ^о С ), обоснованы параметры ветроэнергетической установки и выбраны электрические машины и аппаратура управления и за­щиты.

Разработаны мероприятия по безопасной эксплуатации и монтажу энергоустановок.

Выполнен расчет экономической эффективности предлагаемого варианта энергоснабжения сельской усадьбы и определены условия эффективного применения.

Библ. 47 наим. 5 рис.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 6

1.АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ................... 8

1.1.Солнечное излучение ................................................................................. 8

1.2.Энергия ветра ............................................................................................. 14

2.ВЫБОР ВАРИАНТА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ............................................ 19

2.1.Графики потребления электроэнергии ...................................................... 19

2.2.Выбор основного и вспомогательного источника энергии ...................... 24

2.3. Определение мощности энергетических установок........................................26

3.ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

УСТАНОВКИ ...........................................................................................................31

3.1.Выбор типа ветроэнергетической установки ............................................ 31

3.2.Обоснование и расчет ветроколеса ........................................................... 32

4.КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ .......................... 37

5.РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ .. 40

5.1.Выбор электрических машин .................................................................... 40

5.2.Разработка принципиальной схемы электроснабжения ........................... 45

5.3.Выбор аппаратуры управления и защиты ................................................ 45

6.ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ВИЭ ........................... 49

6.1.Опасности, связанные с монтажом и эксплуатацией

энергоустановок на ВИЭ............................................................................. 49

6.2.Монтаж энергоустановок ........................................................................... 49

6.3.Эксплуатация энергоустановок ................................................................. 52

7.ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ ....................... 55

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 61

ЛИТЕРАТУРА .................................................................................................. 63

ВВЕДЕНИЕ

Во все времена для обеспечения своей жизнедеятельности, удовлет­ворения различных потребностей человек создавал, совершенствовал и развивал различные виды производства. Изобретение топливных дви­гателей, а затем и электрических машин, явилось в свое время значи­тельным событием в развитии энергетики. Оно определило и современное состояние электроэнергетики, в основе которой лежат тепловые электростанции, работающие на различном ископаемом топливе.

Но в последнее время, когда казалось, что перспективы традиционной энергетики на ископаемом топливе достаточно устойчивы, в нарастающем темпе стали проявляться ее негативные стороны - загрязнение окружающей среды в сочетании с быстрым уменьшением легкодоступных запасов угля, нефти, газа. Так, по данным ЮНЕСКО /18/, при сохранении существующих тенденций потребления мировых запасов ископаемого топлива хватит на 40 - 100 лет.

Естественно, что человечество попыталось среагировать на появляю­щиеся проблемы и было выдвинуто ряд решений по их преодолению. В част­ности, были найдены возможности использования термоядерных реакций, которые могут обеспечить человечество энергией на многие тысячелетия. Однако, экологические проблемы при этом не снимаются, а наоборот, еще более обостряются из-за необходимости хранения радиоактивных отходов и возможности аварий атомных электростанций. Таким образом, можно пола­гать, что освоение атомной энергии не устраняет проблем энергообеспе­чения.

В настоящее время во многих странах Мира (в том числе развитых и обладающих атомной энергией) все большее внимание уделяется возобнов­ляемым источникам энергии (ВИЭ), при этом исследуются возможности ис­пользования энергии Солнца, ветра, рек, приливов биотоплива и др. ВИЭ находятся в природе в естественном состоянии, поэтому не создают эко­логических проблем, и в силу своей возобновляемости являются неисчер­паемыми. Однако, применение ВИЭ для энергоснабжения различных объектов в настоящее время тоже в некоторой степени является проблематичным.

Так, для некоторых ВИЭ характерно непостоянство мощности во вре­мени. Причем график изменения мощности ВИЭ может не совпадать с графи­ком потребности в энергии (проблема несовпадения). Кроме того, в нас­тоящее время капитальные затраты на сооружение энергоустановок на ос­нове ВИЭ превышают капитальные затраты на энергоустановки на ископае­мом топливе (проблема стоимости). Существуют и еще менее значитель­ные проблемы, связанные в основном с конструкцией энергоустановок на ВИЭ.

Однако, все эти проблемы не являются принципиально неустранимыми, а порождены, на наш взгляд, недостаточной разработкой вопросов исполь­зования ВИЭ. Разнообразие ВИЭ, современные достижения науки и техники в области электротехники (включая аккумулирование и повышение к.п.д. электроприемников), а также непрерывный рост стоимости традиционной энергии на фоне снижения стоимости энергоустановок на ВИЭ /18,20,39/ дают ос­нования надеяться на успешное преодоление основных проблем их исполь­зования.

Учитывая высокую рассредоточенность и близость ВИЭ к потребите­лям, а также необходимость аккумулирования энергии, особенно привлека­тельным становится энергообеспечение на их основе небольших объектов.

Исходя из изложенного, целью настоящей работы является разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ типичной фермерской усадьбы.

1. АНАЛИЗ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

1.1. Солнечное излучение

Одним из перспективных ВИЭ является солнечное излучение. Так, полная средняя мощность солнечного излучения на Землю сос­тавляет 1,2×10¹⁷ Вт, т.е. на одного человека приходится около 30 Мвт /18/.

Мощность солнечного излучения зависит от широты местности, времени года и суток. Кроме того, мощность солнечного излучения, практически достигающего поверхности Земли (т.е. за вычетом по­терь в атмосфере), зависит также и от состояния атмосферы (нали­чия облаков, тумана, пыли и т. п.). Так как состояние атмосферы зависит от многих случайных факторов, то суточные и годовые гра­фики поступления солнечной энергии имеют сложный характер. Графи­ки их изменения при этом можно представить двумя величинами:

- детерминированной, функционально связанной с временем су­ток, года и широтой местности;

- случайной, зависящей от состояния атмосферы. Математичес­кое выражение мощности при этом имеет вид:

, (1.1.1.)

где: S_г - плотность мощности солнечного излучения, достигаю­щего горизонтальной поверхности Земли Вт/м2;

S_г (t,T,f) - функция плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность от времени суток , времени года , широты местности ;

S(x) - потери мощности солнечного излучения в атмо­сфере, Вт;

F - горизонтальная проекция поверхности Земли, над кото­рой измеряется солнечное излучение, м²

S_кг = S_г (t,T,f) называется в соответствии со своей сущностью космическим солнечным излучением / 18 /.

Введем понятие коэффициента прозрачности:

, (1.1.2.)

С учетом (1.1.1.), получаем:

(1.1.3.)

где: - плотность потерь мощности солнечного излучения в атмосфере, Вт/м²

Теоретически коэффициент прозрачности может изменятся от 1 (потери в атмосфере равны нулю) до 0 (солнечное излучение пол­ностью теряется в атмосфере). Практически k_пр находится в преде­лах 0-0,8 .Это обусловлено тем, что даже в совершенно ясную по­году происходит поглощение и отражение солнечного излучения молекулами воздуха.

Введение коэффициента прозрачности позволяет записать (1.1.1) в следующем виде:

, (1.1.4.)

Функция космического солнечного излучения в силу своей стро­гой детерменированности хорошо изучена и затабулирована /37/. На рис. 1.1.1 приведен график функции Sг(T) - зависимость плотности мощности космического солнечного излучения от времени года для широты Ростовской области.

Здесь же показан график суточной энергии космического сол­нечного излучения, построенный по данным /18/.

Отметим, что мощность солнечного излучения, падающего на единичную площадку сориентированную каким-либо образом, зависит от ориентации этой площадки. Для ориентации единичной площадки введем следующие параметры (рис. 1.2):

h - угол высоты Солнца над горизонтом;

β - угол наклона площадки над горизонтом;

γ - азимутальный угол, т.е. угол отклонения проекции нормали к площадке от направления на солнечный полдень.

Согласно рис.1.1.2. наибольшая плотность мощности космичес­кого солнечного излучения будет при совпадении нормали к площадке и направления на Солнце. Так как положение Солнца относительно Земли непрерывно изменяется в течение года и суток, то для полу­чения максимально возможной плотности мощности солнечного излуче­ния углы b и g должны меняться соответствующим образом, т.е. необходимо непрерывное слежение за Солнцем.

Однако, как показали многочисленные работы /18,24,27 /, при этом сильно увеличивается стоимость солнечной установки, превышая стоимость прибавки мощности от слежения. В этой связи, для мало­мощных солнечных установок наиболее эффективными являются фикси­рованные солнечные приемники (коллекторы) /18,27/.

Следует отметить, что ориентация фиксированного солнечного коллектора не очевидна. Это объясняется следующими причинами :

- плотность мощности солнечного излучения зависит от проз­рачности атмосферы (см.(1.1.4.)) ;

- график потребления мощности может быть сдвинут в течении суток.

На рис.1.1.3. приведен пример плотности мощности солнечного излучения, реально падающего на солнечный коллектор. Здесь предполагается , что в утренние часы нет облачности , а в послеобе­денные часы появляется облачность. Если такие условия являются статистически устойчивыми, то очевидно , что целесообразно ори­ентировать солнечный коллектор не строго на юг, а на юго-восток, причем более точное его положение должно определяться специальны­ми оптимизационными расчетами .

Таким образом, для ориентации солнечных коллекторов необхо­димы статистические данные о прозрачности атмосферы или о реаль­ных суточных графиках поступающих через атмосферу потоков солнеч­ной энергии.

За солнечным излучением следят метеорологические станции в рамках государственных программ метеорологии, поэтому имеется достаточно статистических данных о графиках поступления солнечной энергии .

Как уже отмечалось, для солнечных энергоустановок малой мощ­ности наиболее эффективным является фиксированный солнечный кол­лектор, причем его ориентация определяется статистическим графиком солнечного излучения.

Солнечное излучение зависит от времени суток и года, и проз­рачности атмосферы, поэтому для ориентации солнечного коллектора необходимо иметь соответствующие среднестатистические данные. В таблице 1.1.1. приведены данные о статистическом распределении плотности солнечного излучения, которые могут быть использованы для определения положения коллектора.

По данным таблицы 1.1.1. определяется сумма получаемой сол­нечной энергии за любой период года.

Таким образом проведенный анализ показал, что солнечное из­лучение обладает большой энергией и существует достаточно статис­тических данных и математический аппарат для проектирования сол­нечных энергоустановок.

Таблица 1.1.1.

Удельная мощность солнечного излучения на горизонтальную поверхность

1.2.Энергия ветра

Ветроэнергетика с ее современным техническим оснащением яв­ляется вполне сложившимся направлением энергетики. Примерно с 1973 года, когда резко возросли цены на нефть и нефтепродукты, энергия ветра все более часто стала использоваться для выработки электроэнергии во многих странах Мира, особенно в Европе и США /18 /. В СССР, а затем в России, ветроэнергетика отстает от веду­щих капиталистических стран, хотя географическое положение нашей страны наиболее благоприятно для использования именно этого вида ВИЭ. Особенно справедливо это для степных районов России, к кото­рым относится Ростовская область.

Суммарная кинетическая энергия ветра на Земле оценивается величиной порядка 0,7×10²¹ Дж /18/. Однако большая часть этой энергии выделяется над океанами. Тем не менее, как уже отмеча­лось, над равнинами, не покрытыми лесами, энергия ветра также до­вольно высока. Кроме того в такой местности ветер отличается большей устойчивостью, что особенно важно для работы ветроэнерге­тических установок.

Мощность ветрового потока (Sв) через единичную площадку(Fо) определяется по формуле:

, (1.2.1.)

где: Wв - кинетическая энергия ветра, Дж;

t - время действия ветра, с;

m - масса воздуха, перемещенная ветром через площадку Fо за время t, кг;

r - плотность воздуха, кг/м;

r=1,3 кг/м;

V - скорость ветра, м/с;

k - коэффициент энергии ветра, кг/м;

k=0,65 кг/м;

Таким образом мощность ветра пропорциональна его скорости в третьей степени, и для оценки этой мощности достаточно иметь ин­формацию о скорости ветра.

В России имеются метеорологические службы, занимающиеся ре­гистрацией скорости ветра /39/, следовательно имеются достаточ­но достоверные статистические данные о его скорости. Однако при этом следует помнить, что на метеостанциях скорость ветра измеря­ется на высоте 10 м над поверхностью Земли в данной местности. Поэтому если ветроколесо находится на другой высоте, то скорость ветра следует пересчитать по следующей эмпирической формуле /18/:

, (1.2.2.)

где: Vh - скорость ветра на высоте h, м/с;

V - скорость ветра по данным метеостанции, м/с;

h - высота оси ветроколеса, м;

b - эмпирический коэффициент.

Для открытых мест параметр b=0,14 /19/. На основании ста­тистических метеорологических данных /38 / определены параметры энергии ветра в течение года (табл.1.2.1.).

Таблица 1.2.1.

Параметры энергии ветра

Продолжение табл. 1.2.1

Продолжение табл. 1.2.1

Из таблицы 1.2.1. видно, что наиболее вероятные скорости ветра равны 4 - 12 м/с. По данным таблицы 1.2.1. определена мощ­ность ветра через единичную площадку F_о =1м, т.е. удельная мощ­ность ветра, и построены графики (рис.1.2.1.).Удельная мощность, при этом, определялась с учетом вероятностного характера скорости ветра по формуле / 18,43/:

, (1.2.3.)

где: S_t - удельная мощность ветра во время t,Вт;

V_i - i-тая скорость ветра, м/с;

p_i (t) - вероятность действия i-той скорости ветра во время t. Для проектирования электроснабжения важным параметром явля­ется продолжительность штиля (V£1м/с). Из таблицы 1.2.1. опре­деляем, что вероятность практического штиля в нашей зоне состав­ляет 0,14 -0,30 в зависимости от времени года, однако максимальное количество идущих подряд штилевых дней для Ростовской области равно четырем /39/.Это обстоятельство следует учитывать при про­ектировании ветроэлектрических установок и определения глубины аккумулирования электроэнергии.

2. ВЫБОР ВАРИАНТА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1. Графики потребления электроэнергии

Энергия, потребляемая сельской усадьбой, расходуется на обогрев и приведение в действие различных электроприемников. Для обогрева в сельской местности традиционно используется ископаемое твердое или газообразное топливо, реже жидкое топливо. Применение для этих целей электроэнергии скорее является анахронизмом, неже­ли перспективным направлением.

Если исключить из рассмотрения обогрев, то остальные потре­бители являются электрическими и требуют электроэнергии. В этой связи, для проектирования электроснабжения необходимо иметь ин­формацию о графиках электропотребления или изменении потребляемой мощности.

В руководящих указаниях по проектированию электроснабжения /36/ приведены данные о максимальной нагрузке на вводе в сель­ский жилой дом,которая составляет 1,5...7,5 кВт в зависимости от наличия газификации местности и уклада жизни. Однако, данных об изменении нагрузки в течение суток не приводится. В то же вре­мя, из-за того, что графики поступления энергии от ВИЭ неуправля­емы человеком, для выбора варианта электроснабжения необходимо знать графики потребления электроэнергии.

Потребление электроэнергии является случайной величиной, и для получения графиков рекомендуется проводить соответствующие измерения, накапливая статистические данные. Однако, такой метод получения графиков электропотребления является трудоемким, требующим большого числа наблюдаемых объектов и длительного времени наблюдений. Так, для получения графика с надежностью 0,9 и при доверительном интервале 30% подвергнуть наблюдениям 622 сельские дома /5/, причем все они должны быть однотипными, а наблюдения должны проводиться в течение года.

Известны другие методы получения графиков электропотребле­ния, например метод экспертной оценки. Этот метод основан на оп­росе респондентов и позволяет значительно сократить время получе­ния необходимой информации. Однако,для получения достоверных дан­ных необходимо значительное количество объектов (т. е. экспер­тов), что также затруднительно.

В АЧГАА разработана методика получения достоверных данных о графиках электропотребления от небольшого числа экспертов /41/. Эта методика основана на правиле приведения одной случай­ной величины к другой. Сущность этого правила заключается в сле­дующем.

Пусть приводимой является случайная величина Y, следователь­но необходимо так изменить у₁ ,у₂ ...у_m , чтобы Y*' = X*, s_y ' = s_x Y*',s_y ' - параметры распределения приведенной случайной величины Y_{у1,у2...уm} .

Установлено /$$$/, что i-тые значения до и после приведения связа­ны между собой соотношением:

, (2.1.1.)

где: - приведенное i-тое значение Y_i ;

k₁ , k₂ - коэффициенты приведения.

, (2.1.2.)

(2.1.3.)

Что бы случайную величину Y привести к случайной величине Х, имеющей такой же закон распределения,но другие параметры распре­деления, необходимо i-тые значения случайной величины Y изменить по формуле (2.1.1),вычислив коэффициенты приведения по формулам (2.1.2) и (2.1.3).

В соответствии с описанной методикой было опрошено 7 экспер­тов, владельцев сельских усадеб с высокой насыщенностью электроо­борудования, и получены данные о времени работы i-тых нагрузок. Путем статистической обработки этих данных получе­ны усредненные значения нагрузки в i-тые периоды времени и пара­метры распределения Р¢ и σ_p (таблица 2.1.1.).

Рассчитаны среднесуточные значения параметров распределения нагрузки в соответствии с РУМ-10 по следующим формулам и предс­тавлены в таблице 2.1.2.

, (2.1.4)

, (2.1.5)

, (2.1.6)

, (2.1.7)

где: , s_ср - средние за сутки параметры распределения, Вт;

, s_срс - средние за сутки параметры распределения с учетом сезона, Вт.

По (2.1.4.) и (2.1.5.) рассчитаны коэффициенты приведения (таблица 2.1.2.) и приведены значения нагрузки в i - тый период времени (таблица 2.1.3.).

Таблица 2.1.1.

Параметры распределения графика нагрузки сельской усадьбы по экспертным данным

Продолжение табл. 2.1.1

Таблица 2.1.2.

Параметры распределения нагрузки по данным РУМ - 10

Таблица 2.1.3.

Параметры графика нагрузки, приведенные к генеральной совокупности

Продолжение табл. 2.1.3

Как видно из таблицы 2.1.3., параметры распределения приве­денной нагрузки совпадают с параметрами генеральной совокупности.

По данным таблицы 2.1.3. построены графики нагрузок на вводе в сельскую усадьбу (лист 4).

2.2. Выбор основного и вспомогательного возобновляемого

источника энергии.

Возобновляемые источники энергии (ветер и Солнце) являются неуправляемыми человеком, поэтому надо стремиться к тому, чтобы потребление электроэнергии было увязано с ее поступлением. Это яв­ляется особенностью проектирования электроснабжения на основе ВИЭ по сравнению с традиционным электроснабжением.

Так как нагрузка усадьбы и мощность ВИЭ (ветра или Солнца) являются независимыми величинами, то согласованность их графиков оценивается коэффициентом корреляции /5/, который определяется по формуле:

, (2.2.1.)

где: r_xy - коэффициент корреляции случайных величин X и Y;

m_xy - корреляционный момент случайных величин Х и Y.

Корреляционный момент является математическим ожиданием про­изведения отклонений случайных величин Х,Y и вычисляется по фор­муле /5/:

, (2.2.2.)

Как видно из формулы (2.2.1.) и (2.2.2.) расчет коэффициен­тов корреляции является довольно трудоемкой операцией, требующей массовых вычислений. Тем более, что коэффициенты корреляции долж­ны вычисляться для каждого сезона отдельно. В этой связи, опреде­ление коэффициентов корреляции было выполнено на ПЭВМ на базе стандартного пакета программ Microsoft Excel. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.2.1.

Таблица 2.2.1.

Коэффициенты корреляции

Здесь: r_нв - коэффициент корреляции между нагрузкой и удель­ной мощностью ветра;

r_нс - коэффициент корреляции между нагрузкой и плот­ностью солнечного излучения.

Из расчетов коэффициентов корреляции (табл. 2.2.1.) видно, что зимой, летом и осенью удельная мощность ветра более коррели­рует с нагрузкой на вводе в сельскую усадьбу, чем плотность сол­нечного излучения. Весной наоборот, нагрузка более согласуется с солнечным излучением, но коэффициент корреляции очень низкий. На основании этого в качестве основного источника энергии принимает­ся ветер. Так как в течении года наблюдаются штилевые дни, то энергию ветра необходимо дублировать. В этой связи в качестве вспомогательного источника принимается солнечное излучение. Одна­ко прямое солнечное излучение также бывает не каждый день и от­сутствует ночью. Это обусловливает необходимость аккумулирования энергии на периоды одновременного отсутствия ВИЭ ветра и Солнца.

Таким образом, для электроснабжения сельской усадьбы прини­маются следующие источники энергии:

- ветер (основной источник );

- солнечное излучение ( вспомогательный источник );

- аккумуляторы (резерв ).

Функциональная схема электроснабжения по выбранному варианту показана на листе 5.

Электроснабжение осуществляется следующим образом. Если при­сутствует ветер, то от ветроколеса приводится во вращение машина постоянного тока (МПТ), заряжающая аккумуляторы , и генератор переменного тока (ГПТ). Если ветра нет или ветроколе­со выключено при недопустимо сильном ветре, то аккумулятор питает МТП, которая вращает генератор. Солнечная энергия используется для до зарядки аккумулятора.

2.3. Определение мощности энергетических установок

Мощность ветроэнергетических установок является одной из на­иболее важных характеристик, определяющей надежность системы электроснабжения.

Мощность ветроэнергетической установки (В-установки) должна быть достаточной для питания электроприемников усадьбы и зарядки аккумуляторов такой емкости, которой достаточно для питания электроприемников в штилевые дни ( в течении четырех суток ). При этом нужно учитывать, что в период штиля аккумуляторы могут доза­ряжаться от солнечной энергоустановки (С-установки). Очевидно что суммарная стоимость В - установки, С-установки и аккумуляторов должна быть при этом минимальной. Таким образом, обоснование мощ­ности энергетических установок является оптимизационной задачей, которую можно сформулировать следующим образом - определить мощ­ность В-установки, С-установки и емкость аккумуляторов, достаточ­ные для бесперебойного электроснабжения усадьбы и имеющие мини­мальную стоимость. В этой задаче критерием оптимальности является стоимость, следовательно задача формализуется следующим образом:

, (2.3.1.)

W_в + W_с = 5W_о (2.3.2.)

W_а = W_в - W_о (2.3.3.)

где: Y - целевая функция;

S_в , S_с , S_а - стоимость электроэнергии, вырабатываемой со­ответственно В-установкой, С-установкой и аккумуля­торами;

W_в , W_с - электроэнергия, вырабатываемая соответственно В- установкой и С-установкой кВт ч;

W_а - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе, кВт ч;

W_о - суточное расчетное потребление электроэнергии, кВт ч. По данным п.2.1. W_о =22,4 кВт ч.

Раскроем функции стоимостей электроэнергии и проведем необ­ходимые вычисления в долларах США. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой В-установкой, растет с увеличением W_в нелинейно. Это объясняется опережающим ростом материалоемкости и сложности конс­трукции /18,20,22/.В общем случае можно записать эмпирическое вы­ражение:

S_в (W_в ) = k_в W_вx ^х (2.3.4.)

где k_в, x - эмпирические коэффициенты.

По данным /18/ электроэнергия, выработанная В-установкой мощностью 1 кВт и сроком службы 20 лет стоит 0,5 $, мощностью 3 кВт стоит 0,66 $. За срок службы будет выработано электроэнергии:

W_в = t_в N_с (2.3.5.)

где:t_в - время работы в году, ч;

N_с - срок службы, лет.

По данным п.1.2. t_в =6830 часов.

Подставив эти данные ориентировочно можно записать:

После логарифмирования, получаем:

Откуда:

k_в = 0,05; x = 1,2.

Следовательно, функцию стоимости электроэнергии, вырабатыва­емой В- установкой, можно приближенно выразить формулой:

, (2.3.6.)

Стоимость электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, имеет линейную зависимость, т. к. в основном определяется площадью фо­тоэлементов, пропорциональной мощности установки. Следовательно, можно записать:

S_с (W_с ) = s_о W_с , (2.3.7.)

где: s_о - стоимость 1 кВт часа электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, дол/кВт ч..

По данным /18/ s_о = 0,1дол/кВт ч.

Подставив численые значения, имеем:

S_с = 0,1 W_с (2.3.8.)

Удельная стоимость аккумуляторов падает с увеличением их ем­кости приблизительно по гиперболической зависимости. Для практи­ческих расчетов в этом случае функцию стоимости электроэнергии, отдаваемой аккумуляторами, можно выразить следующим образом:

S_а = k_а W_а ^-2 , (2.3.9.)

где: k_а - коэффициент пропорциональности.

Для получения численного значения воспользуемся данными о стоимости аккумулятора 6СТ- 75. Его стоимость около 40 долларов. С учетом этого имеем:

40 = k_а (0,66)^-2

k_а = 40(0,66)^-2 = 17,4

Здесь 0,66 - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе.

Таким образом, функция стоимости электроэнергии, накапливае­мой в аккумуляторах, имеет вид:

S_а = 17,4 W_а ^-2 (2.3.10.)

Подставив (2.3.6.), (2.3.8.) и (2.3.10.) в целевую функцию (2.3.1.), с учетом ограничений (2.3.2.) и (2.3.3.), получаем:

Для определения Wв, обращающей целевую функцию в min, про­ведем соответствующие вычисления /32/:

, (2.3.11.)

Уравнение (2.3.11.) является трансцендентным, поэтому его решение находим графически (рис. 2.3.1.)

Пользуясь формулами (2.3.2.) и (2.3.3.), определяем:

, (2.3.13.)

где: t - время работы С-установки за расчетный период t = 12 ч.

Так как модуль солнечного коллектора равен 0,03 кВт, то при­нимаем

27× 0,03 = 0,81 (кВт)

Для расчета емкости аккумуляторов воспользуемся формулой:

, (2.3.14.)

где: E_а - емкость аккумулятора, А ч;

U_а - напряжение аккумулятора, В.

Принимаем Е_а = 10×(6СТ-210) = 2100 А×ч.

Таким образом, параметры энергосистемы на основе ВИЭ следую­щие:

Основной источник В-установка, Р_в = 3 кВт;

Дополнительный источник С-установка, Р_с = 0,72 кВт;

Резерв, аккумуляторы 6СТ-75 Е_а = 10*210 =2100 А×ч.

3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

3.1. Выбор типа ветроэнергетической установки

Все ветроэнергетические установки (В-установки) можно классифицировать следующим образом (лист 1).

К В-установкам с вертикальной осью вращения относятся ус­тановки карусельного типа. Наиболее эффективной из них по исполь­зованию энергии ветра является В-установка типа ротора Савониу­са, в которой ветер воспринимается приблизительно 2/3 рабочей по­верхности ветроколеса.

К достоинствам такого типа В-установок относятся:

- простота конструкции;

- не требуется ориентация по ветру;

- для некоторых конструкций (например, ротор Савониуса) до­вольно значительный вращающий момент.

К недостаткам относятся:

- низкая скорость вращения, не более скорости ветра;

- значительная зависимость крутящего момента от скорости ветра.

Так как В-установки с вертикальной осью вращения являются тихоходными, то для привода генератора требуются редукторы с большим передаточным числом. Кроме того, сильно выраженная зависимость их крутящего момента и скорости вращения от скорости ветра тре­буют ряда усовершенствований, увеличивающих их сложность и стои­мость (маховик, шторы для уменьшения потока ветра и т.п.). В этой связи В-установки карусельного типа применяются, в основном, для водоподъема, где не требуется поддержания стабильной скорости вращения.

Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью враще­ния, расположенной параллельно ветру, называются В-установками пропеллерного типа и могут быть тихоходными (с числом лопастей более шести) и быстроходными (с числом лопастей до шести). Тихо­ходные установки менее эффективны для выработки электроэнергии, т.к. необходимы редукторы с большим передаточным числом. Поэтому они здесь не рассматриваются.

Быстроходные В-установки пропеллерного типа разделяются по способу расположения ветроколеса: за башней (самоустанавливающие­ся на ветер) и перед башней (требующие устройства установки на ветер). В качестве устройства установки на ветер для маломощных В-установок применяется флюгер. Если рассматривать В-установку в качестве двигателя электрогенератора, то быстроходные установки пропеллерного типа по сравнению с другими обладают следующими преимуществами:

- высокая скорость вращения, что позволяет применять редук­тор с малым передаточным числом или вообще обходиться без редук­тора;

- наиболее высокий к.п.д.;

- наименее выражена зависимость крутящего момента от силы ветра;

- возможность авторегулирования скорости вращения.

К недостаткам В-установок пропеллерного типа можно отнести более сложную конструкцию и значительный гироскопический момент. Однако, современное состояние техники изготовления В-установок пропеллерного типа позволяет значительно упростить расчеты крыла и уменьшить влияние гироскопического момента /18,22 /.

Исходя из изложенного, для привода электрогенератора прини­мается быстроходная В-установка пропеллерного типа. Справедли­вость такого решения подтверждается мировой практикой использова­ния энергии ветра для электроснабжения /18/.

3.2. Обоснование и расчет ветроколеса

Конструктивными параметрами ветроколеса являются число ло­пастей, диаметр, профиль лопасти, угол защемления.

От количества лопастей ветроколеса зависит его номинальная скорость вращения, при которой достигается максимальный к.п.д. /19,43,23/. Чем больше лопастей содержит ветроколесо, тем больше его крутящий номинальный момент, но тем меньше его же но­минальная скорость вращения. Момент на валу генератора от ветро­колеса определяется по формуле /21,46 /:

, (3.2.1.)

где: Мг - момент на валу генератора от ветроколеса, Нм;

Мвт - момент на валу ветроколеса, Нм;

n_ГН ,n_ВН - номинальные обороты генератора и ветроколеса соответственно, об/мин.

В силу того, что необходимо иметь максимальный момент на ва­лу генератора, а не ветроколеса, то нельзя без расчетов утверж­дать, что ветроколесо с большим количеством лопастей, а значит и с большим крутящим моментом, будет более эффективно, так как при этом уменьшается отношение n_ГН /n_ВН .

Крутящие моменты ветроколес зависят от профиля лопасти, ко­торый выбирается исходя из назначения и мощности ветроустановки. Для В-установок малой и средней мощности, приводящих во вращение электрогенераторы, приемлем профиль "Эсперо", и имеются справоч­ные данные об относительных моментах ветроколес с таким профилем лопастей /43/. Под относительным моментом подразумевается отноше­ние момента ветроколеса с конкретным количеством лопастей к мо­менту условного ветроколеса с бесконечным количеством лопастей, при котором крутящий момент принят равным единице /43/. С учетом этого, функция оптимизации будет иметь вид:

(3.2.2.)

где: Мг,Мв - относительные моменты, о.е.

Так как момент зависит от скорости вращения ветроколеса, ко­торая в свою очередь зависит от скорости ветра, то вводится понятие "модуль ветроколеса" /18,43/, который равен:

(3.2.3.)

где: Z - модуль ветроколеса,о.е.;

w - угловая скорость вращения ветроколеса, с-1;

R - радиус ветроколеса, м;

Vв - скорость ветра, м/с.

В таблице 3.2.2. приведены относительные моменты на валу ге­нераторов от ветроколес, работающих в номинальных режимах.

Таблица 3.2.1.

Относительные моменты и модули ветроколес с лопастями "Эсперо".

Параметры	Значение параметров при м
	2	3	4	6
Vв, м/с	6,5	6,5	6,5	6,5
Мопт, о.е.	0,09	0,12	0,14	0,19
Zном, о.е.	5,0	4,0	3,5	2,5
nВН , об/мин	310	250	220	155
Ммах, о.е.	0,100	0,135	0,150	0,195
Zмах, о.е.	4,40	3,30	3,00	2,30
nВ МАХ ,об/мин	275	200	185	140
, о.е.	1,11	1,13	1,07	1,03
, о.е.	1,14	1,21	1,16	1,09

Таблица 3.2.2.

Моменты на валу генераторов от ветроколес

Как видно из таблицы 3.2.2., наиболее предпочтительными для всех генераторов являются ветроколеса с числом лопастей от 3 до 6. Но так как ветроколесо с тремя лопастями обладает (см. табл. 3.2.1.) наибольшей перегрузочной способностью (Ммах/Мопт) и наи­большим диапазоном рабочих скоростей (Zном/Zмах), то окончательно принимается ветроколесо с тремя лопастями. Так как номинальные обороты ветроколеса небольшие, то целесообразно применять генера­торы с большим числом пар полюсов р > 3.

Диаметр ветроколеса связан с мощностью ветроэнергетической установки следующей формулой /18,43,45/:

, (3.2.4.)

где: hв, hп - к.п.д. ветроколеса и передачи;

V^/ - математическое ожидание скорости ветра в рабочем диапазоне, м/сек.

r - плотность воздуха кг/м3, r = 1,36 кг/м3 / 21 /.

Для трехлопастного ветроколеса hв = 0,45 /43/. К.П.Д. пере­дачи принимаем η_п = 0,98 /21/. Расчет ведем для генератора с n_г = 500 об/мин. Рабочий диапазон скоростей ветра 4...16 м/с /38/.

Для этого диапазона Vв = 6,5 м/с, iп = 1,5.

(м)

Принимаем D = 4,0 м.

Внешний вид предлагаемой В-установки показан на листе 6.

4. КОНСТРУКЦИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Как отмечалось ранее (см.п. 1.1.) для маломощных солнечных энергоустановок наиболее эффективным является фиксированный сол­нечный коллектор. Так как фиксированный коллектор не является следящим устройством, то его ориентация играет особо важную роль в эффективности всей установки. Очевидно солнечный коллектор дол­жен быть ориентирован таким образом, чтобы за все время его ис­пользования он получал наибольшую суммарную энергию солнца.

Плотность солнечного излучения, поступающего на солнечный коллектор, определяется по формуле /18,37/:

, (4.1.1.)

где: S _к - суммарная за год плотность солнечного излучения на коллектор с параметрами ориентации g и b, Вт/м² ;

S_{п i} - плотность солнечного излучения на перпендикуляр­ную к нему площадку за i-тый промежуток времени, Вт/м² ;

a _i - средний угол солнца над горизонтом в i-тый период времени, град;

g _сi - средний азимут солнца за i-тый период времени, град.

Учитывая, что метеорологические станции имеют наиболее полную информацию о плотности солнечного излучения на горизонтальную поверхность, выразим S_п через S_г /37/:

, (4.1.2.)

Тогда (4.1.1.) будет иметь вид:

, (4.1.3.)

Как видно из (4.1.3.) суммарная годовая плотность солнечного излучения на фиксированный коллектор зависит от двух параметров g и b.

Оптимальное значение угла g определяется из равенства /32/:

, (4.1.4.)

Проведем вычисления:

, (4.1.5.)

Воспользуемся тригонометрическим тождеством :

, (4.1.6.)

Обозначив , разделив (4.1.5.) на и с учетом (4.1.6.), получим:

, (4.1.7.)

Откуда определяем:

, (4.1.8.)

Или проведя обратную подстановку , окончатель­но получаем:

, (4.1.9.)

Как видно из (4.1.9.), оптимальный азимутный угол ориентации солнечного коллектора не зависит от угла его наклона к горизонту.

, (4.1.10.)

Оптимальный угол b определяется при условии g = g_опт из условия:

,(4.1.11.)

Выполняем вычисления:

, (4.1.12.)

В результате расчетов получены следующие параметры ориента­ции солнечного коллектора:

- азимутный угол должен состовлять -12,5 град., т.е. солнеч­ный коллектор должен быть повернут на 12,5 град. на юго-восток;

- угол наклона к горизонтальной поверхности должен состов­лять 41,6 град.

Такая ориентация солнечного коллектора объясняется тем, что в Ростовской области в среднем за год в первой половине дня более ясная погода чем во второй половине дня.

Учитывая, что Зерноград расположен западнее поселка Гигант на 4,5 градуса, принимаем азимутальный угол солнечного коллектораравный 17 градусов.

5. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

5.1. Выбор электрических машин

Машина постоянного тока работает в двух режимах: генератор­ном и двигательном.

В режиме генератора МПТ должна обеспечивать только зарядку АБ. Так как в В-установке предусмотрено поддержание скорости вра­щения при изменении силы ветра, а режим зарядки АБ не является жестким ( напряжение зарядки может быть в пределах 13...20 В, а ток зарядки в пределах 0,1...1,3 I_з.н ./ 1 /, где I_з.н .- номиналь­ный ток зарядки ), то для этих целей можно применить МПТ с любой системой возбуждения.

В режиме двигателя необходимо, чтобы обороты МПТ изменялись как можно меньше, при изменении нагрузки на валу, т.к. генератор переменного тока желательно вращать с постоянной скоростью. Для этих целей наиболее подходит МПТ параллельного возбуждения, у ко­торой зависимость оборотов от момента сопротивления или тока яко­ря слабо выражена/2,26/.

Генератор переменного тока предназначен для снабжения элект­роэнергией электроприемников сельской усадьбы, среди которых есть потребители как с активной нагрузкой (электроосвещение с лампами накаливания, электрокамины, утюги, инкубаторы), так и с активно-индуктивной нагрузкой (пылесосы, стиральные машины, теле радиоаппаратура и т.п.). В качестве ГПТ применяется синхронный генератор, который обеспечи­вает выработку электроэнергии достаточно высокого качества при любом виде нагрузки / 27 /.

Выбор электрических машин начинаем с ГПТ.

Максимальная эквивалентная мощность ( Pэнаг) нагрузки гене­ратора равна 1,1 кВт (зимний период). Выбираем генератор из усло­вия / 21,46 /:

Р_гн ³ Р_эmax =1.1(кВт) (5.2.1.)

где Р_гн - номинальная мощность генератора.

Принимаем синхронный генератор СГВ-6/500У1, технические ха­рактеристики которого следующие/30/:

Назначение - для ветроэнергетических установок;

Род тока - трехфазный переменный;

Частота тока - 50 Гц;

Напряжение номинальное - 400/230 В;

Мощность номинальная - 2,0 кВт;

Ток номинальный - 6,3 А;

Обороты номинальные - 500 об/мин;

К.П.Д. номинальный - 80/78,5 %

Коэффициент мощности номинальный - 0,8;

Напряжение возбудителя - 30 В;

Масса - 85 кг;

Вид климатического исполнения - У1;

Коэффициент искажения синусоиды напряжения - не более 10%;

Режим работы - S1.

Мощность на валу ГПТ определяется по формуле/21,46/:

, (5.2.2.)

где: Р_нагрi - мощность на валу генератора при i-той нагрузке, кВт;

h - к.п.д. генератора при i-той нагрузке.

Эквивалентная мощность на валу генератора определяется по формуле:

, (5.2.3.)

где t_i - продолжительность действия i-той нагрузки, ч.

Эквивалентная мощность на валу генератора ровна:

, (кВт)

Выбираем в качестве МПТ машину 2ПБВ112SУ1 со следующими техническими характеристиками /28/.

Назначение - двигатель и генератор;

Напряжение - 60 В;

Ток: - двигателя - 36 А;

- генератора - 28 А;

Скорость вращения - 500 об/мин;

Мощность:

- двигателя - 2,2 кВт;

- генератора - 1,7 квт;

К.П.Д. - 80% ;

Масса - 34,5 кг;

Режим работы - S1;

Максимальный момент, при (1,1Uв) - 50 Нм.

Выбранная машина постоянного тока нуждается в проверке толь­ко в двигательном режиме. При этом следует проводить проверку по нагреву, и по статической устойчивости /46/. Проверка по наг­реву ведется по условию /46/:

, (5.2.4.)

где: Р_н - номинальные потери мощности на нагрев, Вт;

Р_i - потери мощности на нагрев при i-той нагрузке, Вт.

, (5.2.5.)

где h_i - К.П.Д. двигателя при i-той нагрузке.

К.П.Д. при i-той нагрузке определяется по формуле/46/:

, (5.2.6.)

где:

a - отношение постоянных потерь к переменным.

Для двигателей постоянного тока параллельного возбуждения a=1...1,5 /46/. Принимаем a= 1.

(Вт)

(Вт)

Выбранный двигатель проходит по допустимому нагреву. На ста­тическую устойчивость двигатель проверяется по условию /46/:

М_дв.мах ³ М_с.мах (5.2.7.)

где: М_дв.мах , М_с.мах - максимальный момент двигателя и гене­ратора соответственно, Нм.

Так как скорости вращения двигателя и генератора равны, то условие (5.2.7.) принимает вид:

, (5.2.8.)

Р_дв.mах =2600 Вт (при увеличении тока возбуждения на 10%)

(Вт)

Таким образом, проверка показала, что МПТ выбрана правильно. Окончательно принимаем машину постоянного тока 2ПБВ112SУ1.

Таблица 5.2.1.

Расчет потерь мощности на нагрев