Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ возобновляемых источников энергии, проблеммы ветроэнергетических установок и задачи исследований 8
1.1. Анализ научно-технических достижений в области использования энергии ветра 12
1.2. Преобразование энергии ветра в существующих ВУ 17
1.3. Ветроэнергетическая установка роторного типа 25
1.4. Обоснование варианта системы автономного электроснабжения на основе ВУ роторного типа 32
1.5. Анализ вариантов автономной системы электроснабжения фермерского хозяйства 37
2. Оптимизация параметров автономной системы электроснабжения 47
2.1. Климатические и энергетические условия работы автономной системы электроснабжения 47
2.2. Выбор критерия оптимальности и обоснование целевой функции 61
2.3. Исследование привода синхронного генератора на устойчивость 67
2.4. Машинное моделирование процесса электроснабжения 90
3. Программа и методика экспериментальных исследований привода синхронного генератора .94
3.1. Программа экспериментальных исследований 94
3.2. Методика проведения эксперимента 95
4. Экспериментальные исследования работы привода синхронного генератора ветроэнергетической установки роторного типа 106
4.1. Экспериментальное получение характеристик и обработка результатов эксперимента 106
4.2. Производственная проверка 112
5. Анализ эффективности результатов исследований 114
5.1. Методика экономических исследований 114
5.2. Экономический анализ полученных результатов 117
5.3. Рекомендации к внедрению 122
Заключение 124
Литература
- Преобразование энергии ветра в существующих ВУ
- Выбор критерия оптимальности и обоснование целевой функции
- Методика проведения эксперимента
- Экономический анализ полученных результатов
Введение к работе
Современное состояние традиционной энергетики характеризуется обострением проблем, важнейшими из которых являются истощение запасов ископаемого топлива и неблагоприятное воздействие на экологию. Естественно, что возникновение проблем вынудило искать пути их устранения. В результате было предложено несколько направлений их преодоления, таких как освоение энергосберегающих технологий, изыскание и применение новых видов топлива, использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Анализ этих направлений показывает, что первые два не способны устранить возникшие проблемы полностью. Освоение ВИЭ также затруднительно. Так, для многих возобновляемых источников энергии характерно нерегулярное и неуправляемое поступление энергии и высокая стоимость энергетических установок на их основе. Первый сдерживающий фактор приводит к снижению надежности электроснабжения, а второй - к значительному повышению стоимости электроэнергии.
Для увеличения надежности электроснабжения можно прибегнуть к завышению мощности энергоустановок и аккумулированию энергии, но это приводит к росту второго сдерживающего фактора.
На основании изложенного, многие склоняются к мнению, что электростанции на ВИЭ могут найти применение только как разгрузочные для традиционных систем электроснабжения, то есть для выравнивания графиков нагрузки тепловых электростанций. Применение же автономных систем электроснабжения малоперспективно.
Однако в России, в результате перехода на многоукладную экономику в сельском хозяйстве, стали появляться и развиваться фермерские хозяйства. В Ростовской области фермерские хозяйства представляют собой малые
производственные предприятия, имеющие в своем составе усадьбу, значительно удаленную от населенных пунктов, и сельхозугодья площадью от нескольких десятков до двух - трех сотен гектар. Установленная мощность таких хозяйств составляет 1,5-4 кВт, для механизации производственных процессов применяется, в основном, автотракторная техника.
Значительное удаление фермерских хозяйств от электрических сетей делает автономное электроснабжение единственно приемлемым вариантом. Причем, в настоящее время для автономного электроснабжения фермеры применяют передвижные бензиновые или дизельные электростанции. Однако применение передвижных электростанций приводит к обострению упомянутых выше проблем использования ископаемого топлива, а непрерывное его удорожание вынуждает фермеров искать альтернативные способы электроснабжения.
В этой связи, нами было принято решение изыскать возможности использования для автономного электроснабжения фермерских хозяйств энергии ветра, как наиболее дешевого возобновляемого источника энергии.
Учитывая, что надежность электроснабжения от передвижной электростанции достаточно высокая, и сознавая, что альтернативный вариант должен быть предельно дешевым, целью работы является снижение затрат на автономное электроснабжение рассредоточенных сельскохозяйственных объектов за счет применения ветроустановок роторного типа.
Научная гипотеза — обеспечить стабильность частоты вращения синхронного генератора можно за счет электромагнитной связи его ротора с ветроколесом.
Рабочая гипотеза - электромагнитная связь синхронного генератора с ветроколесом позволит применить в автономной системе электроснабжения ветроустановку типа ротора Савониуса, наиболее дешевую в настоящее время.
Объектом исследований является ВУ роторного типа с преобразователем механической энергии в электрическую энергию переменного тока.
Предметом исследований является зависимость частоты вращения синхронного генератора от мощности ветра и графика работы потребителей и зависимость стоимости автономной системы электроснабжения от ее параметров и параметров ветра.
Формула исследований - в диссертации была исследована ветроэнергетическая установка роторного типа для автономного электроснабжения рассредоточенных сельскохозяйственных объектов, отличающаяся тем, что предложен способ привода СГ от ВУ роторного типа, позволяющий более эффективно использовать энергию ветра и за счет этого уменьшить стоимость ВУ и емкость аккумуляторных батарей.
Задачи исследований.
Проанализировать работу ветроэнергетических установок с точки зрения более полного использования диапазона скоростей ветра и получения стабильной частоты эдс, и обосновать способ привода синхронного генератора от роторной ветроустановки.
Разработать методику и оптимизировать параметры автономной системы электроснабжения на основе ветроустановки роторного типа.
Исследовать предложенную ветроустановку для получения электроэнергии переменного тока на устойчивость при реальном изменении поступающей и потребляемой энергии.
Исследовать работоспособность предложенного привода синхронного генератора от ВУ роторного типа во всем диапазоне допустимых скоростей ветра при реальном изменении электрической нагрузки.
Проверить путем машинного моделирования достоверность и надежность полученных результатов и разработать региональные агрозоотехнические требования на автономные системы электроснабжения, использующие энергию ветра.
6. Установить условия эффективного применения автономных систем электроснабжения на основе ВУ типа ротора Савониуса и оценить эффективность полученных результатов.
В ходе выполнения задач, обусловленных поставленной целью, были получены следующие новые научные результаты, которые и выносятся на защиту:
способ использования роторных ВУ для получения электроэнергии;
методика оптимизации и оптимальные параметры автономной системы электроснабжения фермерских хозяйств на основе использования энергии ветра;
метод машинного моделирования законов распределения ветровых и
штилевых периодов.
Работа выполнялась в рамках Научно-технической программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации на 1996 - 2000 г.г. и на 2001 - 2005 г т. в соответствии с научной проблемой 12 "Разработать научные основы развития системы технолого-технического обеспечения сельскохозяйственного производства, создания машин и энергетики нового поколения, формирования эффективного инженерно-технического сервиса в условиях рыночной экономики" и задания 04.02. "Разработать научные основы создания нетрадиционных источников энергии".
Преобразование энергии ветра в существующих ВУ
Ветровая энергия преобразуется в электрическую в ветроэнергетических установках. Ветроколесо преобразует поступательное движение во вращательное, а преобразование видов энергии происходит в генераторе. Преобразование механической энергии ветра в электроэнергию не отличается от преобразования механической энергии других источников, но некоторые особенности все же существуют, и отражаются на работе всей ВУ.
В лифт-машинах пропеллерного типа в момент трогания вращающий момент создается также силой давления ветра (рисунок 1.4). Однако впоследствии (после начала движения) лопасть набегает на движущийся воздух, благодаря чему создается дополнительная подъемная сила (рисунок 1.5). Наличие подъемной силы позволяет разогнать конец лопасти до скорости, превышающей скорость ветра. Теория динамики ветроколеса в настоящее время достаточно изучена и состоит в следующем /14,106, 118/. Рв - сила ветра, PBt - тангенциальная составляющая силы ветра, РВп - нормальная составляющая силы ветра, Ро - осевая сила давления, РВр - сила давления, создающая вращающий момент, Рп - подъемная сила, РПВР - составляющая подъемной силы, создающая дополнительный вращающий момент.
Рисунок 1.5 - Силы, действующие на лопасть ветроколеса в период ее вращения Как следует из рисунка 1.5, вращающий момент лопасти создается суммой сил РВР (составляющей силы давления) и Рцвр (составляющей подъемной силы). Это и позволяет разогнать конец лопасти до скорости, превышающей скорость ветра. Угловая частота вращения при этом достигает значения/14/: СОВ = УЛ/КВ , (1.1) где сов - частота вращения ветроколеса, с 1; у л - скорость вращения конца лопасти, м/с; Rs - радиус ветроколеса, м. Рассмотрим, какая часть мощности воздушного потока может быть использована для вращения ветроколеса.
Воздушный поток, проходя через ветроколесо, отдает часть своей мощности, вследствие чего его скорость после прохождения плоскости ветроколеса уменьшается. Действующая на колесо сила ветра равна изменению количества движения массы проходящего через него воздуха /14/: PB = m(v0-v2), (1.2) где Рв - сила, действующая на ветроколесо, Н; m - масса воздуха проходящего через колесо в единицу времени, кг/с; v0 скорость воздуха в сечении перед ветроколесом, м/с; v2 - скорость воздуха после прохождения ветроколеса, м/с. В сечении ветроколеса скорость воздушного потока равна Vi. Тогда мощность воздушного потока равна /14/: NB = PBVi = m(vo-v2)v1 . (1.3) С другой стороны, мощность воздушного потока, идущая на вращение ветроколеса, равна: NB = m(v02-v22)/2. (1.4) Приравняв (1.3) и (1.4), получаем: Vi-(v0 + v2)/2 . (1.5)
Отсюда следует, что скорость воздушного потока в плоскости ветроколеса не может быть меньше половины скорости набегающего потока. Учитывая, что масса воздуха, проходящего через ометаемую ветроколесом поверхность в единицу времени равна pFBvi, выражение (1.3) имеет вид: NB = pFBVi2 (v0- v2) , (1.6) Здесь р - плотность воздуха, кг/м : FB - ометаемая площадь ветроколеса, м2. С учетом (1.5) полезная мощность воздушного потока может быть определена по формуле: NB = 2pFBv12(vo-v1). (1.7) Введем коэффициент торможения a = (v0 - vj) / v0. Тогда: NB = 4apFBv03(l-a)2. (1.8) Сравнивая (1.6) и (1.8), можно записать: NB = CNN0, (1.9) где CN - коэффициент использования мощности ветра; N0 - мощность ветрового потока, Вт. Выражаем коэффициент использования мощности ветра через коэффициент торможения следующей зависимостью: CN = 4a(l-a)2, (1.10) Взяв производную по а и приравняв ее к нулю легко определить максимальное значение коэффициента использования мощности ветра. dC — = 4(1-а)2-8а(1-а) , (1.11) da
При а = 1/3 и 1 производная (1.11) равна нулю. А коэффициент использования мощности ветра соответственно принимает значения 0,59 и 0. На рисунке 1.6 приведен график зависимости коэффициента использования мощности ветра от коэффициента торможения. Таким образом, максимально возможный КПД ветроустановки может быть 0,59. В настоящее время КПД ветроустановок пропеллерного типа достигает 0,45, а роторного типа 0,24 /14, 41, 102/.
Выбор критерия оптимальности и обоснование целевой функции
Автономные ветроэнергетические установки (ВУ), как альтернатива традиционной энергетики, должны удовлетворять следующим основным условиям: - надежность электроснабжения должна быть не ниже заданной потреби телем; - стоимость электроэнергии на ВУ должна быть не выше стоимости электроэнергии при традиционном электроснабжении.
Практически выбор того или иного варианта электроснабжения происходит следующим образом. Потребитель при равной надежности электро снабжения выбирает более дешевый вариант, а при равной стоимости электроэнергии - более надежный вариант. Учитывая, что реальная надежность традиционного электроснабжения достаточно высокая (около единицы), то решающим фактором при выборе варианта электроснабжения (централизованное или автономное) будет стоимость электроэнергии. Из этого следует, что автономная система на основе ВУ будет иметь тем большие перспективы внедрения, чем ниже будет ее стоимость.
На основании изложенного, в качестве критерия оптимальности параметров системы автономного электроснабжения фермерской усадьбы, целесообразно принять ее стоимость.
Процесс оптимизации предполагает иметь целевую функцию, описывающую зависимость выбранного критерия оптимальности от параметров системы автономного электроснабжения. Система автономного электроснабжения фермерской усадьбы на основе ВУ будет определена, если будут известны следующие ее параметры: - рабочая скорость ветра, на которую рассчитана ВУ; - мощность ВУ; - емкость или мощность аккумуляторов.
В этой связи, целевая функция будет иметь вид: S = f(vP, NBy, Ыд) -» min , (2.8) где Vp - рабочая скорость ветра; NBy - мощность ВУ; NA - мощность аккумуляторов. Ограничением при этом будет: РВУ Ртэ , (2.9) где РВу - вероятность энергообеспечения на основе ВУ; РТэ - вероятность энергообеспечения при традиционном электроснабжении или заданная. Особенностью автономного электроснабжения на основе использования энергии ветра является неуправляемость потоками поступающей энергии /2, 31, 32, 99, 101, 113, 126 и др./. В силу этого, электростанция на основе ВУ не всегда может выдавать энергию в соответствии с графиком потребления, т. е., в соответствии со спросом на электроэнергию. При этом возможны следующие ситуации: - поступающая энергия ветра (с учетом потерь на преобразование) превышает потребность в ней; - поступающая энергия ветра равна потребности в ней; - поступающей энергии ветра недостаточно для удовлетворения потребности в ней.
Для приведения в соответствие графиков поступления и потребления энергии применяется аккумулирование энергии.
Очевидно, для достижения поставленной цели, поступающей от ВУ энергии должно быть достаточно для полного удовлетворения потребностей в ней.
Предложенный вариант использования ВУ роторного типа позволяет значительно увеличить время использования ветроэнергетической установки и обеспечивает стабильные параметры производимой энергии. При этом особенностью оптимизации параметров автономной системы на основе роторной ВУ (при сохранении выбранного критерия оптимальности) является то, что ветроэнергетическая установка работает практически при любой скорости ветра, достаточной для ее вращения. Отсюда оптимизация проводится исходя из следующих соображений.
При увеличении ометаемой площади ветроколеса растет мощность ветроус-тановки. Следовательно, ветроустановка больших размеров будет обеспечивать избыточную мощность при меньших скоростях ветра, т.е., возможность зарядки аккумуляторов появится при меньшей скорости ветра. А так как продолжительность периодов со скоростью ветра меньше заданной сокращается с уменьшением скорости /17, 18, 100/, то время работы аккумуляторов будет уменьшаться при увеличении ометаемой площади ветроколеса.
Методика проведения эксперимента
Регулируемой величиной в реальной ветроэнергетической установке является частота эдс синхронного генератора. Но так как частота эдс. синхронного генератора связана с его частотой вращения функциональной зависимостью, то в ходе эксперимента контролировалась частота вращения.
Так как реальная ВУ является достаточно дорогой, и для ее работы требуются особые условия (наличие открытого полигона за чертой города), то экспериментальные исследования проводились на экспериментальной установке в лабораторных условиях. При этом необходимость сохранения качества эксперимента, т. е., моделирование реальных режимов, перечисленных выше. Функциональная схема экспериментальной установки приведена на рисунке З.1., сопряжения МПТ в установке показана на рисунке 3.2., внешний вид - на рисунке 3.3., электрическая схема экспериментальной установки, включая приборы другие элементы стенда, приведена на рисунке 3.4, Действие ветроколеса на электрические машины моделировалось двигателем постоянного тока.
Экспериментальная установка (рисунок 3.1) включает приводной двигатель (ДПТ), тахогенератор 1 (ТП) для измерения частоты вращения приводного двигателя, машину постоянного тока с вращающимся как ротором так и статором (МПТ), тахогенератор 2 (ТГ2) (тип - ТМГ - 40, 4000 об/мин, 40 Вт, UB = 40 В, 57,5 мВ/об/мин) для измерения частоты вращения ротора МПТ.
Все эти машины соединены следующим образом: тахогенератор 1 жестко соединен с валом ротора ДПТ, который в свою очередь имеет непосредственное соединение со статором МПТ. Ротор МПТ соединен с тахогенератором 2. Тахогенератор 2 имеет мощность 40 Вт, что достаточно для создания необходимого момента сопротивления на валу МПТ. Величина нагрузки устанавливается с помощью подключения сопротивлений R2 и R3 (рисунок 3.4).
Таким образом ТГ2 в комплекте с вольтметром PV2 выполняет функции тахогенератора и загрузочного генератора, что позволяет использовать одну электрическую машину вместо двух.
Проведена тарировка вольтметров и получены соответствующие тарированные таблицы, для ТГ2 произведена тарировка вольтметра для различной степени загрузки (Приложение 6).
Тахогенератор 1 (ТГ1) имеет в качестве статора постоянные магниты что позволяет не использовать дополнительный источник питания для создания магнитного поля ТП.
Тахогенератор 2 (ТГ2) имеет обмотку возбуждения, рассчитанную на напряжение сети постоянного тока 110 В. К установке относится так же и источники питания, необходимые для поддержания на требуемом уровне электрических параметров узлов системы. Автотрансформатор TV1 предназначен для регулировки напряжения (тока) приводного двигателя (двигатель последовательного возбуждения тип МУ - 431, 400 Вт, 24 В), позволяет плавно изменять частоту вращения от 0 до 4000 об/мин. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения имеет механическую характеристику, наиболее соответствующую характеристике используемого ветроколеса. Это по зволяет заменить в экспериментальной установке ветроколесо на ДПТ последовательного возбуждения. Автотрансформатор TV2 предназначен для питания якорной обмотки машины постоянного тока при работе ее в двигательном режиме. Трансформатор TV3 предназначен для питания обмотки возбуждения МПТ, регулировка тока обмотки возбуждения производится реостатом R2.
Экспериментальная установка работает следующим образом: При подаче напряжения на автотрансформаторы TV1, TV2 и трансформатор TV3 , через автотрансформатор TV1 и выпрямительный диод VD1 подается питание на приводной двигатель (ДПТ), ток потребляемый ДПТ контролируется амперметром РА1, регулировка частоты вращения осуществляется автотрансформатором TV1. Контролируется частота вращения ДПТ тахогенератором ТГ1 в комплекте с вольтметром PV1. Вместе с МПТ вращаются тахогенератор ТГ1 и статор испытываемой МПТ. Одновременно через трансформатор и выпрямительный диод VD3, через полностью введенный реостат R2 получает питание обмотка возбуждения МПТ, переключатель К1
Экономический анализ полученных результатов
Определялось, при каком удалении фермерского хозяйства электроснабжение от энергосистемы становится неэффективным, то есть, определялись граничные условия эффективности применения автономной системы электроснабжения.
Альтернативой автономного электроснабжения фермерского хозяйства является традиционное электроснабжение от энергосистемы. При этом требуются инвестиции на строительство линий электропередач и подстанции и последующая плата за потребляемую электроэнергию (эксплуатационные издержки), которые и определяют себестоимость электроэнергии.
Совершенно очевидно, что стоимость подстанции и ВЛ-0,4 не зависят от удаленности фермерского хозяйства. Стоимость В Л-10 напротив зависит от удаленности фермерского хозяйства. При некотором расстоянии фермерского хозяйства от точки присоединения к энергосистеме себестоимость электроэнергии будет равна себестоимости электроэнергии при автономном электроснабжении.
Таким образом, определенная удаленность фермерского хозяйства от энергосистемы и будет условием эффективного применения автономной системы электроснабжения. Капитальные вложения при электроснабжении от энергосистемы требуются на покупку опор В Л-10 и ВЛ-0,4, проводов, подстанции 10/0,4 и монтаж этого оборудования. Инвестиции при этом определяются по формуле: К = км (Цопю Х/0,06 + ЗЦПРЮ X + Стп + С04) + ц W , (5.6) где Цопю - цена опоры ВЛ-10 с траверсой и изоляторами, руб; X - протяженность В Л-10, км; ЦПРЮ - цена провода ВЛ-10, руб/км; Стп - стоимость подстанции, руб; Co4 - стоимость ВЛ-0,4, руб. Эксплуатационные издержки представляют собой оплату за потребляемую электроэнергию.
Если в формуле (6.6) принять протяженность ВЛ-10 за переменную величину, то, приравняв общие затраты при традиционном электроснабжении к затратам по предлагаемому варианту, легко определить предельную удаленность фермерского хозяйства от энергосистемы, при которой автономное электроснабжение становится экономически выгоднее, чем традиционное. Один из вариантов численной реализации такого уравнения имеет вид: 127 = 1,6 (1,1 Х/0,06+3 4,0 Х+10,0+1,2+1,3 0,12 +6 0,16)+0.32 130 000 Откуда Х 2,12 км. Таким образом, при удалении фермерского хозяйства от энергосистемы более чем на 2 км экономически выгодно использовать автономную систему электроснабжения на базе ветроэнергетической установки.
В качестве базового варианта сравнения (передвижная электростанция) может использоваться бензиновая или дизельная электростанция. Учитывая, что дизельные электростанции, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют номинальную мощность не менее 16 кВА, а использование дизельной электростанции зарубежного производства экономически заведомо не выгодно, в связи с превышением их стоимости более чем в 3 раза, по сравнению с отечественными. При этом максимальная мощность потребителя не превышает 4 кВт /14, 26/, поэтому принимается бензиновая электростанция АБ-4/380-У. Ее паспортные данные следующие: ш тип - бензиновая передвижная; номинальная мощность - 4 кВт; (1,5)
номинальное напряжение -380 В;
Система электроснабжения на основе ветроустановки пропеллерного типа, по одному из базовых вариантов, как и на основе предлагаемой предназначена производить электрическую энергию для бытовых нужд. Остальные условия производства электрической энергии также идентичны. Поэтому затраты для установки пропеллерного типа рассчитываются так же как и для предлагаемой роторной ветроустановки.
Расчет инвестиций сведен в таблицу 5.1. При расчете принят коэффициент монтажа при базовом варианте км = 1,2 а для пропеллерной ВУ, также как и для ротора Савониуса в предлагаемом варианте км =2,0, рост курса доллара Е = ОД. Цены на оборудование приняты средние по данным рекламных проспектов, прайс-листов заводов изготовителей, периодических коммерческих изданий.
