Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время ветроэнергетика развивается быстрыми темпами в большинстве индустриально развитых стран. Она является одним из наиболее перспективных видов возобновляемой энергетики и направлений развития энергосберегающих технологий с практически неисчерпаемым потенциалом экологически чистой энергии.
Первое место среди электростанций на нетрадиционных возобновляемых источниках энергии занимают ветроэлектрические установки. Это связано с практически повсеместной распространенностью энергии воздушного потока, его большим потенциалом и значительными успехами, достигнутыми в мировой ветроэнергетике за последние годы.
В настоящее время 70% территории России, где проживает около 22 млн. человек, находится в зоне децентрализованного электроснабжения. Электроснабжение потребителей на этих территориях осуществляется от автономных дизельных электростанций. Себестоимость вырабатываемой электроэнергии в этих регионах достигает 15-25 руб. за кВтч. Т.к. большинство территорий расположено в регионах со среднегодовой скоростью ветра, не превышающей 4 м/с, то применение обычных ветроустановок зачастую оказывается экономически нецелесообразным. Поэтому для электроснабжения данных районов за счет энергии ветра необходима разработка ветроэнергетических установок, эффективно работающих при низкой скорости ветра.
Анализ существующих отечественных и зарубежных разработок в области ветроэнергетики показывает, что имеется ряд нерешенных проблем, связанных с повышением эффективности самой ветроэнергетической установки, систем генерирования и стабилизации электрической энергии, особенно при работе на резкопеременную нагрузку в условиях нестабильности ветрового потока.
Большой вклад в разработку ветроустановок внесли отечественные учёные: В.Г. Залевский, Н.Е. Жуковский, Г.Х. Сабинин, В. П. Ветчинкин, Н.В. Фатеев, К.А. Ушаков и др.; в развитие преобразовательной техники: И.И. Кантер, Г.С. Зиновьев, Ю.Г. Толстов, А.Ф. Резчиков, С.В. Хватов
и др.
Объектом исследования является мультимодульная ветроэлектростанция с изменяемым количеством рабочих лопастей и стабилизирующим преобразователем частоты на основе инвертора тока.
Предметом исследования являются режимы стабилизации выходного напряжения по величине и частоте при работе на резкопеременную нагрузку в условиях нестабильности ветрового потока.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы является повышение эффективности выработки электроэнергии в ветроэлектростанциях мультимодульного типа с изменяемым количеством рабочих лопастей и стабилизирующим преобразователем частоты на основе инвертора тока.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Провести анализ существующих конструктивных схем ветроэлектростанций и предложить новую конструкцию мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей, магнитоэлектрической системой перемещения ветроколес для изменения количества рабочих лопастей и выходным стабилизирующим преобразователем частоты на основе инвертора тока;
-
Разработать математическую модель мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей и преобразователем частоты на основе инвертора тока;
-
Исследовать режимы работы мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей в диапазоне изменения скоростей ветра от 2,5 м/с до ураганных с получением мощностных параметров работы ветроэлектростанции;
-
Выполнить технико-экономический расчет и оценить эффективность применения мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей.
Методы исследования включают аналитические методы, которые базируются на современной теории работы ветроэнергетических установок, теории электрических машин, преобразователей частоты, магнитоэлектрических систем, а также современном аппарате математического и имитационного компьютерного моделирования и методах определения экономической эффективности результатов научно-исследовательских
работ.
Научные положения и результаты, содержащиеся в работе и выносимые на защиту:
1. Способ повышения эффективности процесса преобразования энергии ветрового потока в электроэнергию за счет использования в ветроэлектростанциях ветроколес с изменяемым количеством рабочих лопастей;
2. Использование в структуре ветроэлектростанции преобразователя частоты на основе инвертора тока, что позволяет получить стабильное выходное напряжение при изменяющейся в широких пределах величине генераторного напряжения от 0,1 до 1,5 Uном.;
-
Разработанная имитационная математическая модель мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей, позволяющая исследовать как установившиеся, так и переходные режимы работы ветроэлектростанции при изменяющейся скорости ветра от 2,5 до 15 м/с.
-
Результаты технико-экономического расчета разработанной мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей.
Научная новизна работы заключается:
-в развитии способа получения электроэнергии из ветрового потока путем создания ветроколеса с перестраиваемой структурой;
-в использовании для стабилизации выходного напряжения преобразователя частоты на основе инвертора тока при изменении генераторного напряжения в широких пределах;
- в разработке имитационной модели модуля мультимодульной ветроэлектростанции с изменяемым количеством рабочих лопастей, позволяющей получать электрические и мощностные характеристики ветроэлектростанции в зависимости от скорости ветра.
Практическую ценность и полезность работы представляют: конструкция составного перестраиваемого ветроколеса с изменяемым количеством рабочих лопастей, эффективно работающая в расширенном диапазоне скоростей ветра; конструкция мультимодульной ветроэлектростанции с увеличенной на 22% выработкой электроэнергии, обладающая повышенной надежностью и ремонтопригодностью; имитационные математические модели, позволяющие снизить расходы на проектирование и разработку ветроэнергетических установок; способ стабилизации выходного напряжения в условиях изменения генераторного напряжения в широких пределах за счет использования инвертора тока.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:
- в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-341 «Разработка теоретических основ создания локальных систем электроснабжения на основе комплексного использования источников электроэнергии различной физической природы» в разделе применения автономных ветроэнергетических установок;
- по хоздоговору №261 «Разработка схемных решений по подключению вентильного генератора от 100 до 500 кВт с безредукторным приводом от вала отбора мощности газоперекачивающего агрегата к системе электроснабжения, компрессорного цеха (компрессорной станции)» при создании имитационной визуализированной математической модели синхронного генератора на постоянных магнитах с системой стабилизации в виде преобразователя частоты на основе инвертора тока;
- в научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе по теме: «Разработка модуля мультимодульной ветроэлектростанции с комбинированным ветроколесом», договор №30 от 01.07.2011 г. с ООО «НП «ТЭСО» со сдачей отчетов для проведения НИОКР;
- в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении курса лекций «Гидроэнергоустановки и нетрадиционные источники энергии».
Работа выполнялась в соответствии с программой 06В «Научные основы создания высокоэффективных, энергосберегающих систем по производству, транспортировке, преобразованию, распределению и потреблению электроэнергии», входящей в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследо-вания доложены на ежегодных Всероссийских научно-практических
конференциях в г. Камышине 2009-2011 гг.; Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых СГТУ в 2010, 2011 гг.; II Международной научно-практической конференции СГАУ в 2011 г.; Международной научно-практической интернет-конференции в рамках Международного интернет-фестиваля молодых ученых СГТУ в 2011 г.; V Международной научно-практической конференции в г. Чите в 2011 г.; Всероссийском конкурсе научных работ студентов, магистрантов, аспирантов в г. Тольятти в 2011 г. В 2011 г. автор стал победителем в конкурсе проектов научно-технического творчества молодежи и программе
«Участник молодежного научно-инновационного конкурса».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.
Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы. Объем работы составляет 162 страницы, в тексте 82 иллюстрации,
29 таблиц. Список литературы включает 136 наименований.
