Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Использование возобнавляемых природных ресурсов в автономных энергосистемах 7
1.1. Перспективы использования децентрализованных энергосистем и возобновляемых природных ресурсов 7
1.2. Обзор источников стабильной частоты 18
1.3. Разработка конструкции генератора 24
Выводы 36
РАЗДЕЛ 2. Математическое моделирование элементов автономной системы энергообеспечения 38
2.1. Разработка и исследование математической модели гидротурбины 38
2.2. Разработка математической модели индукторного дугостаторного генератора 48
2.3. Исследование магнитного поля и влияния
скоса пазов индукторного дугостаторного генератора 54
Выводы 83
РАЗДЕЛ 3. Исследование процессов в децентрализованной системе энергообеспечения на базе микрогэс 84
3.1. Разработка системы стабилизации выходных электрических параметров 84
3.2. Исследование параметров эквивалентной нагрузки 90
3.3. Анализ реакций системы стабилизации 100
Выводы 111
РАЗДЕЛ 4. Особенности проектирования и экспериментальные исследования автономных энергосистем 113
4.1. Особенности проектирования индукторного дугостаторного генератора для децентрализованных систем энергообеспечения на базе микроГЭС 114
4.2. Основные характеристики индукторного дугостаторного генератора 128
4.3. Макетные образцы и экспериментальные исследования 132
Выводы 139
Заключение 140
Список использованных источников 142
Приложения 149
- Перспективы использования децентрализованных энергосистем и возобновляемых природных ресурсов
- Разработка и исследование математической модели гидротурбины
- Разработка системы стабилизации выходных электрических параметров
- Особенности проектирования индукторного дугостаторного генератора для децентрализованных систем энергообеспечения на базе микроГЭС
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время существует проблема обеспечения энергией потребителей, удаленных от централизованной энергосистемы. Подключение автономных потребителей к централизованной системе энергообеспечения во многих случаях нецелесообразно. Это объясняется их значительной удаленностью, рассредоточенностью и труднодоступностью населенных объектов, нуждающихся в обеспечении энергией. Особенно остро эта проблема проявляется в Дальневосточном регионе.
В этом случае, целесообразным является применение автономных систем энергообеспечения. Наибольшее распространением среди этих систем получили автономные энергоустановки на базе дизель-генераторов. Подобные системы обладают рядом очевидных недостатков, главным из которых является необходимость постоянных поставок топлива к труднодоступным объектам и постоянный рост цен на органические виды топлива. Альтернативой дизель-генераторным установкам могут служить системы, использующие энергию возобновляемых природных источников. Примером таких систем являются установки использующие энергию потоков воды и ветра.
В настоящее время достаточно полно проработаны вопросы создания автономных систем, использующих энергию высокопотенциальных потоков. Особо актуальной остается задача разработки и внедрения энергоустановок на базе микроГЭС, использующих энергию низкопотенциальных потоков равнинных рек.
Целью работы является разработка и исследование системы автономного энергообеспечения на базе микроГЭС для равнинных рек.
Методика выполнения работы базировалась на применении математического и физического моделирования. В теоретических исследованиях применялись аналитические и численные методы расчета.
5 Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, отвечающих принципам подобия элементам исследуемой системы. Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые разработана конструкция индукторного дугостаторного генератора для микроГЭС, позволяющая значительно повысить потребительские свойства автономной системы энергообеспечения;
разработана математическая модель бесплотинной осевой гидротурбины пропеллерного типа для бесплотинной микроГЭС;
разработана математическая модель индукторного дугостаторного генератора предложенной конструкции;
исследовано влияние конструктивных особенностей дугового статора, формы полюсов ротора, величины воздушного зазора на гармонический состав и эффективность использования магнитного поля;
исследованы особенности определения коэффициента скоса пазов, обусловленные спецификой конструкции генератора и его влияние на величину первой гармонической составляющей ЭДС;
определены зависимости и расширен исследуемый диапазон величины и характера эквивалентной нагрузки генератора, при изменении величины и характера полезной нагрузки источника электропитания. Основные положения выносимые на защиту:
конструкция индукторного дугостаторного генератора для микроГЭС;
результаты теоретических исследований генератора учитывающие особенности его конструкции;
результаты исследования системы стабилизации выходных электрических параметров.
результаты физического моделирования элементов системы. Практическая ценность работы:
предложенная конструкция генератора позволяет полностью отказаться от процесса штамповки пазов и изготавливать генератор на
предприятиях, не обладающих технологиями производства вращающихся электрических машин;
конструкция микроГЭС на базе предложенного индукторного генератора, некритична к осевым и радиальным перемещениям рабочего колеса гидротурбины;
в процессе исследований выработаны рекомендации по проектированию и выбору геометрии дугового статора;
разработанные макетные образцы и физические модели позволяют исследовать элементы системы в различных режимах работы;
изложенная методика проектирования генератора, может быть использована в инженерных расчетах при разработке подобных систем. Реализация работы. Результаты работы переданы в форме технической
документации и методик расчетов на ЗАО «Электротехника - БирЗСТ», г. Биробиджан для использования при разработке, проектировании и подготовки производства новых типов изделий. Результаты работы внедрены в учебный процесс КнАГТУ.
Апробация работы. Основное содержание и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2001, 2005 г.); научно-технической конференции аспирантов и студентов КнАГТУ (1999-2002г.); на научно-техническом семинаре Электротехнического факультета КнАГТУ (2006 г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 свидетельство на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 146 страницах машинописного текста, списка литературы из 107 наименований и 3 приложений.
Перспективы использования децентрализованных энергосистем и возобновляемых природных ресурсов
Важной чертой существующей энергетической системы России является ее высокая централизация. В стране имеется сравнительно небольшое число крупных угольных, нефтяных и газовых месторождений, которые обеспечивают почти всю добычу органического топлива в стране. Практически все города и значительная часть деревень присоединены к линиям централизованной системы электроснабжения. Около 90% общего количества электроэнергии производится крупными, в диапазоне нескольких гигаватт, электростанциями на органическом топливе, гидравлическими и атомными, которые выдают электроэнергию в разветвленную электрическую сеть, образованную мощными высоковольтными линиями электропередачи. Практически все города и деревни присоединены к электрическим сетям, так, что около 87% населения страны получает электроэнергию централизованно.
Однако большая часть обширной территории России с малой плотностью населения еще не присоединена к централизованным энергетическим системам. В соответствии с оценками около 10 млн. населения, живущих в Северных территориях, на Дальнем Востоке и в некоторых других, не присоединены к электрическим сетям.
Подключение удаленных потребителей к центральным энергосистемам, в большинстве случаев связанно с огромными материальными вложениями и зачастую экономически нецелесообразно /19/. Их энергоснабжение в основном организованно на базе автономных дизель-генераторов и котельных небольшой мощности. Необходимое для этого топливо завозится из далеко расположенных центров автотранспортом, водными путями, а иногда даже вертолетами, что делает это топливо очень дорогим. Существенным фактором является, что эти поставки не всегда надежны, зависят от погодных условий, наличия транспортных средств и предоплаты. На сегодняшний день все вышеперечисленные проблемы значительно усугубляются энергетическим кризисом, связанным с сокращением запасов органического топлива, неуклонным ростом цен на него, а также значительными экологическими проблемами /15,18,32/.
Ряд проблем децентрализованного энергообеспечения удаленных потребителей может быть решена с применением нетрадиционных возобновляемых природных источников энергии (НВИЭ). К ним относятся солнечная энергия, энергия ветра, биомассы, малых рек, приливная, волновая, энергия океана. Правда, последних три не нашли пока сколько-нибудь широкого применения. Иногда к НВИЭ причисляют также и тепловые насосы, которые могут рассматриваться таковыми только условно .? в сочетании с природными или искусственными низкотемпературными источниками тепла.
Потенциал НВИЭ в России чрезвычайно велик /67, 68, 69/. Достаточно сказать, что тепло, получаемое землей от солнца за год, примерно в 20000 раз превосходит годовое потребление энергии всем человечеством. Весьма велики потенциалы ветровой энергии и энергии биомассы. На рис. 1.1. представлен график показывающий потенциал различных видов НВИЭ в Российской Федерации.
Следует отметить, что наибольшим валовым потенциалом среди всех НВИЭ в России обладает солнечная энергия. Технический потенциал НВИЭ в нашей стране значительно ниже и в сумме составляет немногим более 4,6млрд. т.у.т (тонн условного топлива). Доля солнечной энергии в техническом потенциале составляет почти половину. Экономически оправданный (для освоения при современном техническом уровне) потенциал российскими специалистами оценивается в 270 млрд. т.у.т. Доля солнечной энергии в нем всего около 5%. Большую часть в доле суммарного экономического потенциала НВИЭ составляет геотермальная энергия и низкопотенциальная энергия малых водотоков.
Однако все НВИЭ обладают одним важным недостатком - малой плотностью потоков энергии. Так, например, удельная мощность потока солнечной энергии на поверхности Земли не превышает 1 кВт/м2, а плотность мощности воздушного потока при его скорости 7м/с около 150 Вт/м . Это означает, что для получения от НВИЭ сколько-нибудь заметных мощностей необходимо собирать энергию с весьма больших площадей, что требует создания больших и дорогостоящих установок.
Разработка и исследование математической модели гидротурбины
Одной из основных проблем при построении децентрализованных систем энергообеспечения, использующих механическую энергию возобновляемых природных ресурсов является достижение высоких частот вращения электрического генератора. Данное условие необходимо для достижения требуемых показателей частоты и выходного напряжения электроустановки. Наиболее остро данная проблема проявляется при использовании энергии ветра и энергии низкопотенциальных потоков равнинных рек.
Классическим способом решения этой задачи является применение повышающих редукторов - мультипликаторов. Так, например большинство современных ветроэлектрических установок имеют в своем составе редукторы с передаточным числом от 10 до 100. Уменьшить передаточное число, а следовательно стоимость и массу установки в первую очередь стараются за счет применения быстроходных турбин различных видов. Таким образом, большинство установок использующих механическую энергию НВИЭ содержат быстроходный первичный двигатель, повышающий редуктор и электромашинный генератор.
Применительно к микрогидроэлектростанциям 111 актуальной является задача по созданию бесплотинных установок. Так известна бесплотинная гидроэлектростанция, включающая деривационный канал, выполненный с уклоном дна, меньшим уклона дна реки. По ободу рабочего колеса активной турбины жестко закреплены лопатки, выполненные в виде ковшей, генератор и механизм редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора. Гидроэлектростанция отличается тем, что для подвода водотока из деривационного канала к рабочему колесу турбины гидроэлектростанция имеет спиральную камеру, а в механизме редуцирования оборотов рабочего колеса турбины к оборотам генератора установлен механизм искусственного торможения вала генератора. Механизм искусственного торможения может быть выполнен в виде управляемой гидродинамической муфты. Причем одна из крыльчаток - закреплена на этом валу подвижно в осевом направлении с возможностью изменения зазора между чашками крыльчаток муфты для регулирования величины тормозного момента на валу генератора от нуля до значения максимального крутящего момента.
Очевидно, что безредукторные варианты /5, 6/ построения систем, в частности микроГЭС, обладают многими преимуществами перед микроГЭС с редуцированием частоты вращения гидротурбины. Среди основных преимуществ можно отметить следующие: - значительное упрощение конструктивной схемы; - надежность; - минимизация затрат на изготовление; - простота эксплуатации; - отсутствие дополнительных трущихся частей; - исключение механизмов смазки и муфт. Однако при этом безредукторная конструкция обладает одним серьезным недостатком — значительное увеличение расхода активных материалов на изготовление ее электромашинной части 191. Последнее обстоятельство являлось основным препятствием при разработке безредукторных систем на базе микроГЭС. Но ряд существенных недостатков систем с редуцированием частоты, и значительные преимущества безредукторных систем послужили основанием к появлению значительного числа разработок в области безредукторного преобразования энергии вращающегося колеса в электрическую энергию.
В настоящее время известен ряд технических решений по безредукторному преобразованию энергии вращающегося колеса. Причем в большинстве конструкций электрическая машина — генератор встраивается в рабочее колесо, т.е. ротационный орган установки одновременно является ротором электрического генератора. Так согласно ветрогенераторная установка состоит из двух коаксиальных, компланарных и вращающихся в противоположные стороны колес, разделенных воздушным зазором, причем на внутренней поверхности внешнего колеса и на внешней поверхности внутреннего колеса расположены системы возбуждения и силовые обмотки генератора.
Установка для использования энергии гидравлического потока, содержащая погруженный в воду корпус и установленный в нем бесконечный лопастной транспортер, огибающий барабан и кинематически связанный с электрогенератором, а также установленную на корпусе заслонку. Установка отличается тем, что лопастной транспортер сделан в виде осевого колеса и дополнительно корпус снабжен направляющей, установленной, на выходе потока из установки.
Предложен гидроагрегат, включающий две гидротурбины и электромашинный гидрогенератор с ротором, прикрепленным к валу одной турбины, и со статором с противоположным направлением вращения, прикрепленным к валу другой турбины. Данная установка отличается от контрроторного агрегата тем, что каждая из двух турбин расположена в одной из двух отдельных параллельных труб для приема турбинами отдельных потоков воды. За счет двойной суммарной скорости ротора и статора и за счет противоположных направлений их вращения, удается повысить мощность генератора, при неизменном числе пар полюсов. Для эффективности и компактности генератора, валы расположены отдельно, горизонтально, вдоль одной линии, параллельной плотине, и закреплены в паре радиальных подшипников, между которыми расположены электрические контактные кольца и щетки.
Эта и другие установки, по конструктивной форме и принципу работы электрического генератора мало, чем отличаются от известных в теории электрических машин. Их конструкции не содержат новых функциональных элементов с точки зрения электромагнитного преобразования энергии. Главная особенность и основные отличия этих машин заключается в специфических условиях их работы, определяемых особенностью конструкции и принципом работы вращающихся элементов.
Разработка системы стабилизации выходных электрических параметров
Для устранения резких поворотов течения, и следовательно падения скорости водяного потока, в конструкции предусмотрены отсекающие поверхности (1), расположенные под 45 к боковым стенкам.
Для уменьшения турбулентности воды, рядом с винтом расположена спрямляющая решетка (4). Электрической машиной, создающей течение в объеме стенда, является универсальный двигатель типа МУН, с частотой вращения 3000 об/ мин. Общий вид испытательного стенда представлен на рис. 4.7 - 4.8. Для преобразования механической энергии потока воды в электрическую энергию, была сконструирована турбина, имеющая вид усеченного конуса и имеющая наклонную ось вращения. Гидротурбина соединяется ременной передачей с электрической машиной марки СС-405. Для выбора оптимального варианта конструкции гидротурбины было предусмотрено изменение угла поворота лопаток. Для увеличения момента на валу, внутрь гидротурбины вмонтирован конус, направленный своей вершиной навстречу движущемуся потоку. За счет конуса обеспечивается разворот потока жидкости на лопатки гидротурбины. Для увеличения скорости вращения генератора шкив на валу турбины сделан большим диаметром, чем шкив на валу генератора. Скорость вращения турбины, как показали опыты, является недостаточной для получения заданной величины напряжения генератора, для ее увеличения необходима оптимизация геометрии турбины. Кроме того, в ходе макетно-опытных экспериментов была применена турбина пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения, так же связанная с генератором ременной передачей. Макет имеет обтекатели, расположенные с обеих сторон лопаток турбины. Во время проведения экспериментов при снятии характеристик зависимости различных параметров от скорости течения, требовалось определить скорость водяного потока. Для этого при каждом изменении питающего напряжения двигателя, а следовательно, частоты вращения винта, создающего определенную скорость движения водяного потока, несколько раз в воду опускался легкий поплавок. При прохождении поплавком определенного расстояния фиксировалось время прохождения. Затем находилась средняя скорость движения. При известной величине поперечного сечения канала прохождения потока, была рассчитана его мощность. Для анализа энергетических показателей гидросиловой установки проведены исследования ее характеристик, а именно зависимости тока генератора 1г и его напряжения 1ГГ при нагрузке и без нагрузки Ur от скорости движения водяного потока. Далее расчетным путем были определены механические потери мощности турбины и потока, а также КПД осевой турбины пропеллерного типа турбины. Численные результаты расчетов приведены в приложении 3. 1. Предложенная методика расчета индукторного дугостаторного может быть использована при инженерных расчетах и для определения основных технических показателей источника электропитания децентрализованной системы энергообеспечения. 2. Получены характеристики индукторного дугостаторного генератора подтверждают возможность его использования в качестве источника электропитания в автономных системах энергообеспечения на базе микроГЭС. 3. Исследование физических моделей позволило выявить наиболее эффективные типы турбин и подтвердило обоснованность использования осевой гидротурбины пропеллерного типа.
Особенности проектирования индукторного дугостаторного генератора для децентрализованных систем энергообеспечения на базе микроГЭС
Анализ основных процессов в системе наиболее просто проводить заменяя реальную нагрузку, некоторой условной, определяемой по основным гармоническим составляющим тока и напряжения генератора.
Рассмотрим наиболее простой регулятор балластного тока с естественной коммутацией вентилей, представляющий собой пару встречно-параллельно соединенных тиристоров. Считая, что балластный ток представляет собой отрезки синусоиды (рис. 3.7.) /77/, определяемые величиной угла управления тиристорами а, выделим его первую гармонику и вычислим ее фазовый сдвиг относительно напряжения генератора. Для этого используем разложение функции 16(a) в ряд Фурье. тока балластной нагрузки от угла управления.
Амплитудное значение первой гармоники тока балластной нагрузки в функции от угла управления а в виде графика показано на рис.3.8. . С увеличением угла управления вентилями регулятора происходит уменьшение величины первой гармоники балластного тока и увеличение отставания его от фазного напряжения генератора. Следовательно, эквивалентная балластная нагрузка генератора представляется некоторым активно-индуктивным сопротивлением Z6, величина и характер которого определяются углом а.
Зависимости величины сопротивления и характера эквивалентной нагрузки от угла управления вентилями показаны на рис. 3.9. Для удобства расчетов эти зависимости приведены в виде формул З.1., полученных по методу наименьших квадратов.
Эквивалентная нагрузка генератора определяется параллельным соединением реальной нагрузки ZH И эквивалентной балластной нагрузки Z6(a). Схема результирующей нагрузки генератора для первых гармонических составляющих токов приведена на рис. 3.10. RH Тогда параметры результирующей нагрузки определяются как /77, 78/ Используя соотношения (3.2) и (3.3) можно определить величину и характер эквивалентной нагрузки генератора, при изменении величены и характера полезной нагрузки источника электропитания. С использованием приведенных выше соотношений были поставлены численные эксперименты для более точного определения величины и характера эквивалентной нагрузки генератора. Расчеты производились для двух способов регулирования величины балластной нагрузки, т.е. при стабилизации активного гэ и полного Z3 эквивалентного сопротивления генератора. Из ряда полученных значений производилась выборка результатов, исходя из условия попадания величины Z3 или гэ в интервал заданных погрешностей. Были получены зависимости величины и характера сопротивления балласта Z6,q 6i а также угла сдвига эквивалентного тока генератора рэ относительно напряжения, от величины и характера «полезной» нагрузки. В ходе постановки численных экспериментов, был расширен диапазон изменения характера полезной нагрузки генератора. Данные были получены для значений коэффициента мощности полезной нагрузки C0S$?H в диапазоне от 0,6 до 0,9.
