Разработка эффективной системы энергоснабжения на основе ВИЭ

- 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 /:

[pic],

(3.2.1.)

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

Мвт - момент на валу ветроколеса, Нм;

nГН,nВН - 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

nГН/nВН.

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:

[pic]

(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:

[pic]

(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 |

|[pic], о.е. |1,11 |1,13 |1,07 |1,03 |

|[pic], о.е. |1,14 |1,21 |1,16 |1,09 |

Таблица 3.2.2.

Моменты на валу генераторов от ветроколес

|Число |Момент на валу генератора(о.е.*10-2) при n0, об/мин |

|лопастей | |

| |3000 |1500 |1000 |750 |600 |500 |375 |300 |250 |

|2 |0,75 |1,5 |2,3 |3,0 |3,8 |4,5 |6,0 |7,5 |9,0 |

|3 |0,80 |1,6 |2,4 |3,2 |4,0 |4,8 |6,4 |8,0 |9,6 |

|4 |0,82 |1,6 |2,4 |3,2 |4,1 |4,9 |6,5 |8,2 |9,8 |

|6 |0,79 |1,6 |2,4 |3,2 |4,0 |4,8 |6,3 |7,9 |9,5 |

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/:

[pic], (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 ?п = 0,98 /21/. Расчет ведем для генератора с nг = 500 об/мин.

Рабочий диапазон скоростей ветра 4...16 м/с /38/.

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

[pic](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/:

[pic], (4.1.1.)

где: Sк - суммарная за год плотность солнечного излучения на коллектор

с параметрами ориентации ( и (, Вт/м2;

Sпi - плотность солнечного излучения на перпендикулярную к нему

площадку за i-тый промежуток времени, Вт/м2;

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

(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 Sп через Sг /37/:

[pic],

(4.1.2.)

Тогда (4.1.1.) будет иметь вид:

[pic], (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/:

[pic],

(4.1.4.)

Проведем вычисления:

[pic] [pic], (4.1.5.)

Воспользуемся тригонометрическим тождеством :

[pic], (4.1.6.)

Обозначив[pic], разделив (4.1.5.) на [pic] и с учетом (4.1.6.),

получим:

[pic] , (4.1.7.)

Откуда определяем:

[pic], (4.1.8.)

Или проведя обратную подстановку [pic], окончательно получаем:

[pic], (4.1.9.)

Как видно из (4.1.9.), оптимальный азимутный угол ориентации

солнечного коллектора не зависит от угла его наклона к горизонту.

[pic], (4.1.10.)

Оптимальный угол ( определяется при условии ( = (опт из условия:

[pic],

(4.1.11.)

Выполняем вычисления:

[pic], (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 коллектора равный 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 Iз.н./

1 /, где Iз.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 /:

Ргн ( Рэmax =1.1(кВт)

(5.2.1.)

где Ргн - 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/:

[pic],

(5.2.2.)

где: Рнагрi- 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:

[pic],

(5.2.3.)

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

Эквивалентная мощность на валу генератора ровна:

[pic], (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/:

[pic], (5.2.4.)

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

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

[pic], (5.2.5.)

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

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

[pic],

(5.2.6.)

где: [pic]

a - отношение постоянных потерь к переменным.

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

/46/. Принимаем a= 1.

[pic](Вт)

[pic](Вт)

Выбранный двигатель проходит по допустимому нагреву. На статическую

устойчивость двигатель проверяется по условию /46/:

Мдв.мах ( Мс.мах

(5.2.7.)

где: Мдв.мах, Мс.мах - максимальный момент двигателя и генератора

соответственно, Нм.

Так как скорости вращения двигателя и генератора равны, то условие

(5.2.7.) принимает вид:

[pic],

(5.2.8.)

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

[pic](Вт)

Таким образом, проверка показала, что МПТ выбрана правильно.

Окончательно принимаем машину постоянного тока 2ПБВ112SУ1.

Таблица 5.2.1.

Расчет потерь мощности на нагрев

|Nуч |ti |Pi,Вт |Xi |hi |(1-hi)/h|DРi,Bт |DРi*ti |

| | | | | |i | | |

|1 |1 |531 |0,29 |0,68 |0,47 |249 |249 |

|2 |3 |427 |0,24 |0,64 |0,56 |239 |717 |

|3 |1 |465 |0,26 |0,66 |0,51 |237 |237 |

|4 |1 |590 |0,33 |0,70 |0,42 |247 |247 |

|5 |1 |652 |0,36 |0,71 |0,40 |260 |260 |

|6 |1 |811 |0,45 |0,75 |0,33 |267 |267 |

|7 |1 |1545 |0,85 |0,80 |0,25 |386 |386 |

|8 |2 |1999 |1,11 |0,80 |0,25 |500 |1000 |

|9 |1 |1766 |0,98 |0,80 |0,25 |441 |441 |

|10 |1 |1035 |0,57 |0,77 |0,30 |310 |310 |

|11 |1 |1249 |0,69 |0,79 |0,26 |324 |324 |

|12 |1 |1535 |0,85 |0,80 |0,25 |383 |383 |

|13 |1 |1811 |1,00 |0,80 |0,25 |452 |452 |

|14 |1 |1839 |1,02 |0,80 |0,25 |459 |459 |

|15 |1 |1270 |0,70 |0,79 |0,26 |330 |330 |

|16 |1 |1298 |0,72 |0,79 |0,26 |337 |337 |

|17 |1 |1444 |0,80 |0,80 |0,25 |361 |361 |

|18 |1 |1206 |0,67 |0,79 |0,26 |313 |313 |

|19 |1 |831 |0,46 |0,75 |0,33 |274 |274 |

|20 |1 |630 |0,35 |0,-0 |0,42 |264 |264 |

|21 |1 |612 |0,34 |0,70 |0,42 |257 |257 |

5.2.Разработка принципиальной схемы электроснабжения.

Блок-схема системы электроснабжения представлена на листе 5.

Система работает следующим образом. При наличии ветра работает В-установка,

которая через муфту вращает МПТ и ГПТ. МПТ работает как генератор, который

заряжает АБ через коммутатор режимов КР. ГПТ подает напряжение на нагрузку.

С-установка через коммутатор режимов КР также работает на зарядку АБ.

При отсутствии ветра или при сильном ветре В-установка останавливается

и с помощью муфты отсоединяется от МПТ и ГПТ. АБ через КР подает питание на

МПТ, которая работает как двигатель, вращающий ГПТ. Таким образом ГПТ в

отсутствии ветра вращается от МПТ, получающей электроэнергию от АБ. Так как

МПТ потребляет ток, превышающий ток от С-установки, то одновременная

подзарядка АБ и их разрядка на МПТ недопустима. Для этого в системе

предусмотрен КР, который подключает к С-установке только часть АБ, не

задействованной на МПТ, и служит для сохранения вращения МПТ в режиме

генератора и двигателя.

Соответствующая блок-схеме принципиальная схема приведенна на листе 5.

Схема работает следующим образом.

При вращении под действием ветра ветроколеса переключатель SAI

находится в положении 1(генераторное).В этом случае GB2(машина постоянного

тока) работает в режиме генератора и через диодный мост VDI…VD6 заряжает

1/2 аккумуляторных батарей(например GB3). Во вращение от ветроколеса

приводится и GB1 (генератор переменного тока), который подает напряжение к

потребителям.

При остановке ветроколеса, переключатель SA1 переходит в положение

2(двигательное) и через диодный мост VD1…VD6 напряжение с аккумуляторных

батарей GB3 подается на GB2, который в этом случае работает в двигательном

режиме и вращает GB1 вместо ветроколеса..

В схеме предусмотрены:

- сигнализация напряжения на нагрузке и в цепях управления (HL1, HL2);

- защита силовой цепи (QF1, QF2);

- отсоединение электрических машин для ремонтных нужд (QS1).

5.3. Выбор аппаратуры управления и защиты.

Автоматический выключатель QF1 (см. рис. 5.2.2.) предназначен для

защитного отключения генератора переменного тока GB1 при коротком

замыкании в цепи нагрузки и выбирается из условий /21,46/:

Uан ( Uн;

Iан (Iр.mах;

(5.3.1.)

Iа.откл ( Iк(3).

где: Uан, Uн - номинальное напряжение автоматического выключателя и

сети соответственно, В;

Iан,, Iр.mах - соответственно номинальный ток автоматического

выключателя и максимальный рабочий ток в сети, А;

Iа.откл - максимальное значение тока короткого замыкания, которое

автомат способен отключить, оставаясь в работоспособном положении, А;

Iк(3) - наибольший ток трехфазного короткого замыкания А.

Ток трехфазного короткого замыкания при питании от автономной

электростанции определяется по формуле /21/:

[pic], (5.3.2.)

где: [pic]- действующее значение периодической составляющей тока К.З.

за первый период, А;

kу - ударный коэффициент.

[pic], (5.3.3.)

где: Uн - номинальное линейное напряжение сети, В;

Zг - полное сопротивление цепи до точки К.З., (сопротивление

генератора), Ом. Zг = 4,6 Ом.

[pic],

(5.3.4.)

где: t - время затухания тока К.З.,с. Принимаем t = 0,05 с.

Та - постоянная времени затухания, с. Принимаем

Та = 0,1с.

[pic]

Принимаем, что нагрузка распределена по фазам равномерно. Тогда

расчетный максимальный ток равен:

[pic],

(5.3.5)

где: cosfнагр - коэффициент мощности нагрузки.

Принимаем /37/ cosfнагр = 0,9

[pic]

Принимаем автоматический выключатель А3114 (на листе 5 QF1) Uн= =500В,

Iан=100А, Iэр = 20 А.

Автоматический выключатель QF2 защищает GB2 от перегрузки (например

при заклинивании GB1) и аккумуляторы и МПТ от коротких замыканий. Поэтому

выбираем автоматический выключатель с комбинированым расцепителем по

условиям /21,46/:

Uан(Uн

Iан(Iр mах

Iу(1,25Iр.mах

Iм ср(1,25Iпуск

где: Iу - ток уставки расцепителя, А;

Iм ср - ток отсечки расцепителя, А;

Iпуск - пусковой ток МПТ, А.

Iпуск =225 А.

Iу(1,25 36 = 45 А,

Iм ср (1,25 225 = 281 А.

Принимаем автоматический выключатель А3113 Iн = 100 А; Ток

уставки расцепителя Iу = 50 А; Ток отсечки Iм ср = 4Iн = 400 А.

Выбираем аппаратуру управления /30,31/ исходя из ее назначения и

коммутируемых токов (таблица 5.3.1.)

Таблица 5.3.1.

Аппаратура управления.

|Обозначение|Наименование |Параметры |Кол-во |

|VD1,VD6 |Диод |IIном = 100А |6 |

| | |Uном = 400В | |

|SА1 |Переключатель |Iном = 100А |1 |

|SA2 |Переключатель |Iном = 100А |1 |

[pic],

(5.3.8.)

6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ МОНТАЖЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГОУСТАНОВОК НА ВИЭ

Страницы: 1, 2, 3, 4