5.10.
П
РОИЗВОДСТВО И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ОТ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Использование ветроэнергетических установок (ВЭУ) для производства электроэнергии является наиболее эффективным способом преобразования энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ВЭУ в рамках единой энергосистемы и не очень – при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано большое число проектов ВЭУ, включая и электрогенераторы к ним. В России существуют, по крайней мере более 10 компаний разрабатывающих и производящих такие установки. Их название и производимые ими ВЭУ указаны в справочниках [31]. Очевидно, что в будущем, с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ. При проектировании ВЭУ надо учитывать их следующие особенности. Для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в тоже время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения.
2. Механические системы управления частотой вращения ветроколеса достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора.
3. Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом дом) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, которые увеличивают как стоимость ВЭУ, таки обслуживания. Здесь заменителем редуктора могут быть новые типы многополосных генераторов, работающих при меньших частотах вращения.
4. В конструкции ВЭУ, как правило, предусматривается возможность отключения генератора от ветроколеса и вращение его от химического или механического аккумулятора энергии поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветроколеса. При отсутствии такой связи, даже при мягком соединении генератора с ветроколесом, необходимы специальные демпфирующие устройства для того, чтобы исключить механические удары, перегрузки или броски напряжений на выходе генератора, особенно при резких порывах ветра или при шторме. Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ, а именно
1. Наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных регионах, на островах, на побережье морей. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем развитых промышленных регионах.
2. Анализ потребителей электроэнергии показывает, что лишь
5…10 % из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте. Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (пример, для отопления, таки относительно дорогой, но со стабильными параметрами.
3. Энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 35 кВ, при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии, или быть зарезервированы электроэнергетическими установками других типов. Совершенно очевидно, что развитие ветроэнергетики будет способствовать прогрессу во всей электроэнергетике, в том числе ив традиционном энергомашиностроении.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
КЛАССИФИКАЦИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Различают три класса ветроэлектрических установок – в зависимости от относительной мощности ветроустановки в сравнении с полной мощностью энергосистемы, к которой они подключены. Эти классы представлены в табл. 5.2. Таблица 5.2 Классы ветроэнергетических систем Класс Мощность Степень автономности ВЭУ Способы управления АР
>>
Р
G
Автономная
1) шагом ветроколеса
2) нагрузкой В Р
≈
Р
G
Ветро- дизельная
1) раздельная работа ВЭУ иди- зель-генераторов
2) совместная работа ВЭУ иди- зель-генератора С Р
<<
Р
G
Подключенные к мощной энергосистеме
1) параметрами генератора постоянного тока
2) преобразованием постоянного тока в переменный
3) изменением коэффициента скольжения Примечание. Р – мощность ВЭУ; Р
– мощность других генераторов энергосистемы. Класс А Мощность ветрогенераторов в энергосистеме является определяющей, те. Р
>>
Р. В основном к этому классу относятся отдельно стоящие одно- генераторные ветроустановки, не подключенные к какой-либо энергосистеме. Они могут не иметь никаких других источников энергии или иметь, например, дополнительный ветрогенератор меньшей мощности. Мощность таких ветроустановок, предназначенных для использования в отдаленных регионах в целях освещения, питания маяков, средств связи и т.д., не превышает обычно 5 кВт. Если электроэнергия таких ВЭУ используется более широко, например, и для отопления, то их мощность может достигать 20…50 кВт. Эффективность работы ветроустановки и ее стоимость во многом зависят от правильности выбора системы управления генератором, которая схематически показана на рис. 5.14. При оптимальном управлении генератором напряжение на его выходе (и частота – в случае генератора переменного тока) будет нестабильным.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
128 Рис. 5.14. Возможные схемы согласования ветроустановки с потребителями 1 – нестабилизированное напряжение или частота 2 – нагревательный элемент
3 – аккумуляторная батарея 4 – преобразователь постоянного напряжения в переменное 5 – стабилизированное напряжение и частота 6 – регулятор 7 – стабилизированный постоянный ток 8 – обратная связь
9 – приоритетная нагрузка Электроэнергию с такими параметрами можно непосредственно применять для обогрева домов, а также в выпрямителях для последующего использования (риса. Как правило, такие ветроустановки вполне удовлетворяют потребителей. Относительно небольшие потребности в электроэнергии со стабилизированными параметрами (например, В / 50 Гц) можно получить от преобразователей, питаемых от аккумуляторных батарей. Получаемая таким способом энергия ограничивается лишь стоимостью аккумуляторных батарей и преобразователей. В некоторых случаях желательно стабилизировать частоту всей вырабатываемой генератором электроэнергии. Для этого существуют два различных способа. Первый. Механическое управление лопастями ветроколеса с целью сохранения угловой скорости его вращения. При таком управлении шаг лопастей (или угол атаки) ветроколеса при изменении скорости ветра изменяется так, чтобы частота его вращения оставалась постоянной (рис. 5.14, б. Недостатком метода являются большие потери энергии ветра, сложность и невысокая надежность. Второй. Электрическое управление, при котором постоянство частоты вращения ветроколеса и генератора поддерживается изменением электрической нагрузки на выходе генератора (рис. 5.14, в)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
При таком способе стабилизации частоты энергия ветра используется гораздо эффективнее, так как лопасти ветроколеса работают в оптимальном режиме. Использование современного электронного оборудования делает его также и более дешевыми надежным по сравнению смеха- ническим управлением. В автономных ВЭУ применяются генераторы разных типов. Вне- больших установках (до 10 кВт) широко распространены многопо- люсные генераторы с постоянными магнитами. Генераторы постоянного тока могут иметь устройства для сглаживания пульсаций тока, а ток можно использовать для зарядки аккумуляторов. Для генерации переменного тока широко используют синхронные генераторы с нестабилизированными и стабилизированными параметрами на выходе. Иногда применяются также и асинхронные генераторы переменного тока, которые могут быть как самостоятельные, таки со вспомогательным возбуждающим генератором. Класс В. В этом случае мощность ВЭУ одного порядка с мощностью других генераторов системы, те. Р ≈ Р G Чаще всего посторонним генератором является дизельный электрогенератор. В этом случае использование ВЭУ позволяет экономить дизельное топливо. Дизельный генератор может включаться только в безветрие и может работать параллельно с ВЭУ при слабом ветре. В ветроустановке этого класса используются две различные схемы распределения вырабатываемой энергии, изображенные на рис. 5.15. 1. Одноканальная схема. В такой схеме, имеющей один выход обычно трехфазной бытовые потребители питаются от какой-то одной фазы, поддерживается стабилизированное напряжение определенной величины – в зависимости от потребностей потребителя (риса. Круглосуточное снабжение электроэнергией без учета ее потребления требует длительной работы (как правило, не менее полусуток) дизельного генератора в периоды безветрия. Дизель при этом или работает непрерывно (особенно для освещения, или включается только при очень сильном ветре. На практике в такой схеме при сильном ветре иногда более 70 % энергии ВЭУ гасится на балластных сопротивлениях.
2. Многоканальная схема. Целью этой схемы является максимально полное использование ветрового потенциала. Это достигается снижением цены электроэнергии для определенных потребителей в зависимости от ее качества (рис. 5.15, б. При слабом ветре потребители дешевой электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, автоматически отключаются, уменьшая тем самым нагрузку на энергосистему. Частоту вращения энергогенератора в такой системе можно также регулировать одним из описанных выше способов,
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
130 тогда он также будет источником стабилизированной электроэнергии. В периоды безветрия электроэнергией снабжаются только потребители от дизельных генераторов, которые значительно дороже
ВЭУ. Преимуществом такой схемы распределения энергии является максимальное использование в любой момент времени энергии ветра. Рис. 5.15. Одноканальная (аи многоканальная (б) схемы согласования ветродизельной энергоустановки с потребителями 1 – дизельный электрогенератор счетчик 3 – единая стоимость электроэнергии накопитель энергии 5 – дешевая электроэнергия 6 – дорогая электроэнергия Класс С
ВЭУ подключена к энергосистеме, значительно более мощной, чем его собственная мощность, те. Р
<<
Р
G
Это наиболее распространенный случай работы ВЭУ любой мощности в районах, где имеются другие энергосистемы большой мощности (рис. 5.16). При этом энергия ВЭУ используется непосредственно, а ее излишки подаются в энергосистему. При слабом ветре ив безветрие потребители снабжаются электроэнергией от энергосистемы. Наиболее дешевыми, возможно, безопасным типом ветрогенератора в этом случае является асинхронный генератор переменного тока, подключенный непосредственно в энергосистему. При этом частота вращения ветроколеса может превышать частоту энергосистемы не более чем на 10%. При слабом ветре, чтобы исключить работу ВЭУ в режиме электродвигателя, его отключают от сети. Необходимость стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении ветрогенератора в сеть не позволяет поддерживать постоянной быстроходность ветроколеса, те. снижает а) б)
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
его КПД. Поэтому в небольших ВЭУ часто применяют два агрегата различной мощности, например 5 и 30 кВт, автоматически включающихся соответственно при слабом и сильном ветре. Используются и другие приемы, позволяющие изменять частоту вырабатываемой генератором электроэнергии 1) увеличение числа полюсов генератора за счет перекоммута- ции его обмоток при падении частоты вращения ветроколеса 2) выпрямление переменного тока ВЭУ и затем преобразование его в переменный ток с заданными стабилизированными параметрами 3) увеличение допустимого отклонения частоты вращения ветроколеса от номинальной за счет включения активной нагрузки в обмотку асинхронного генератора. Рис. 5.16. Схема присоединения ВЭУ к более мощной энергосистеме 1 – жилые дома и т.д.; 2 – линия электропередачи. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ Задача 1. Ветроэнергетическая установка при любой скорости ветра поддерживает постоянным коэффициент быстроходности Z = 6. При какой скорости ветра скорость концов лопастей ветроколеса достигнет скорости звука Решение Пусть V – скорость звука. Но V = ZU o , где U o – скорость ветра, Z – быстроходность. Тогда U o = V/Z = 330/6 = 55 мс. Задача 2. Зная, что оптимальная быстроходность ветроколеса определяется соотношением Z = 4π/n, где количество лопастей. Вычислить Z o для двухлопастного, трех- и четырехлопастного ветроколеса. Решение Z o = 4 тг/2 6,28 6 Z o = 4 π/3= 4,18 4; Z o = 4 π /4 = π 3. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
132 Задача 3. Вычислить скорость ветра на высоте Z = 50 м, если на высоте h = 10 м скорость ветра равна 8 мс параметр b
′
= 0,14. Решение Для определения скорости ветра на высоте z воспользуемся соотношением) Здесь U
s
= 8 мс, Z = 50 мм. Подставив в (1) числовые данные, получим
U
z
= 8 (50/10)0,14= 8
⋅
5
⋅
0,14 = 8
⋅
1,25 = мс 10 мс. Задача 4. Вычислить диаметр ветроколеса для ВЭУ большой мощности Р кВт, если плотность воздуха р = 1,2 кг/м
3
, скорость ветра 8 мс и Ср = 0,59. Решение Расчетная или проектная мощность ВЭУ определяется выражением) или (3.13) те. Р = 0,5 р АС р U
3 0
. (2) Из (2) имеем АР р C
p
U
3 0
, (3) используя выражение А = 0,25
π
D
2
, получаем D = 83 м. ЗАДАЧИ. Какую мощность развивает ветроколесо, если скорость ветра
U
o
= 10 мс при плотности воздуха р = 1,29 кг/м
3
Площадь, сметаемая ветроколесом А = 5 м, коэффициент мощности С
р
=0,5. Ответ Р Вт.
2. Найти коэффициент торможения потока а, если известно что мощность набегающего ветрового потока Ро = 1000 кВт, а мощность передаваемая колесу Р Вт. Ответа. Определить радиус ветроколеса при быстроходности частоте вращения
ν
= 3 Гц и скорости набегающего на лопасть потока мс. Ответ R= 15 м.
4. Определить мощность Р ВЭС, состоящей из 10 установок при средней скорости ветра V = 10 мс, если каждое колесо ометает площадь А = 5 м, а коэффициент мощности Ср = 0,5. Ответ Р кВт.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
133 5. Для небольшой станции требуется мощность Р = 10 кВт и известно, что средняя скорость ветра в данном районе V = 10 мс, какого радиуса R должно быть ветроколесо, чтобы обеспечить эту станцию электроэнергией. Принять, что Ср = 0,5. Ответ R = 3,57 м. 6. Для снабжения поселка Березовка (Хабаровский край) электроэнергией требуется мощность Р = 5 МВт. Известно, что площадь, необходимая для установки одного ветрякам, площадь ометаемая этим колесом А = 4,5 м 2 Определить площадь, занимаемую для застройки ВЭУ, если известно, что средняя скорость ветра в этом районе U o = 12 мс, коэффициент быстроходности С р = 0,5 приданной скорости ветра. Ответ S = 257200 м 7. Сколько лопастей n должно содержать ветроколесо, чтобы достигнуть оптимальную быстроходность при скорости ветра U o и радиусе ветроколесам, если угловая скорость вращения ветроколеса Гц. Ответ п = 3. 8. Ветроколесо, установленное в Находке, имеет длину лопасти L = м, число лопастей на колесе п = 3. При какой скорости ветра U o колесо будет работать в оптимальном режиме, если оптимальная угловая частота вращения ω = 54 Гц. Ответ U o = 13 мс. 9. Определить, на какой высоте h min от поверхности земли должен находиться центр ветроколеса, если скорость ветра V = 15 мс, количество лопастей колеса пи угловая скорость вращения колеса рад/с. Ответ h min = м, если ветроколесо перпендикулярно поверхности земли. 10. Какова скорость набегающего потока U o при максимально лобовой нагрузке, действующей на ветроколесо F лтах = 600 Н Плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м 3 , площадь, ометаемая колесом А = 10 м 2 Ответ: U o = 10 мс. 11. Определить максимальный крутящий момент Т ах, если радиус ветроколесам, скорость ветра U o = 15 мс, плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м 3 , площадь ометаемого потока А = 25 м 2 Ответ: Т ах = 3375 Н. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
134 12. Максимальный крутящий момент ветроколеса Т ах
= Н, скорость ветра U
o
= 10 мс, плотность воздуха
ρ
= 1,2
кг/м
3
, площадь, ометаемая ветроколесом А = 6 м
2
Найти радиус ветроколеса R и максимальную силу лобового давления на ветроколесо F
лmах
, действующего на ветроколесо. Ответ R = 1,67 м, F
лmах
= 360 Н.
13. Определить коэффициент быстроходности колеса Z, если известна угловая скорость вращения
ω
= 3 с, скорость потока, набегающего на лопасть U
o
= 9 мс, плотность воздуха,
ρ
= 1,2
кг/м
3
, ометаемая площадь А = 7 м, а максимальный крутящий момент Т ах
= 700 Н. Ответ Z = 0,68.
14. Коэффициент быстроходности ветроколеса Z = 0,5, период за который ветроколесо совершает полный оборот Т = 0,50 с, радиус ветроколеса R = 3 Ом. Определить скорость ветра, набегающего на лопасть. Ответ U
o
= 19 мс.
15. Определить плотность воздуха в горах, где установлена ветроустановка, если коэффициент быстроходности колеса Z = 0,5, радиус колесам, угловая скорость вращения
ω
= 3 с, ометае- мая площадь А = 2,5 м, сила лобового давления на ветроколесо
Р
лmах
= 80 Н. Ответ
ρ
= 1
кг/м
3 16. Определить оптимальную быстроходность для трех- и четы- рехлопастных ветроколес. Ответ Для трехлопастного о 4,2, для четырехлопастно- го Z
o
π
17. Крупная ВЭУ имеет ветроколесо диаметром 100 м, вращающееся с постоянной угловой скоростью. При какой угловой скорости вращения скорость вращения лопастей достигнет скорости звука Ответ
ω
= 6,6 рад/с,
ν
= 1,1 Гц.
18. Определить скорость набегающего потока на ветроколеса, если быстроходность данного ветроколеса Z = 7, радиус ветроколесам, угловая скорость вращения
ω
= 10 рад/с. Ответ U
o
= 8,6 мс.
19. Определить быстроходность ветроколеса, если скорость набегающего потока U
o
= 25 мс, радиус колесам, угловая скорость рад/с. Ответ Z = 2.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
135 20. Определить мощность ветроколеса, если мощность набегающего ветрового потока Ро = 1,5 кВт, а коэффициент торможения потока а = 0,2. Ответ Р = 768 Вт.
21. Определить мощность ветрового потока, если мощность ветроколеса кВт, а коэффициент торможения потока а = 0,4. Ответ Ро = 3,47 кВт.
22. Определить максимальное значение крутящего момента, если скорость ветра 15 мс, а скорость концов лопастей ветроколеса
45 мс. Ответ Стах. Определить значение оптимальной быстроходности ветроколеса при k = 0,5. Ветроколесо имеет 3 лопасти. Ответ Z = 4.
24. Построить график зависимости коэффициента мощности С
р от коэффициента торможения потока а в пределах 0 а
≤
0,5.
25. Определить угловую скорость вращения ВЭУ, если скорость набегающего потока U
o
= 16 мс, а радиус ветроколесам. Коэффициент быстроходности Z = 1. Ответ = 5,333 рад/с.
26. Ветроэлектрическая установка при любой скорости ветра поддерживает постоянный коэффициент быстроходности, равный 8. При какой скорости ветра скорость концов лопастей ветроколеса достигнет скорости звука Ответ U
o
= 41 мс.
27. Скорость концов лопастей ВЭУ 200 мс. Определите угловую скорость вращения, если ветроколесо имеет диаметр 10 м. Ответ
ω
= 4 рад/с.
28. Определить мощность набегающего потока Ро при скорости ветра U
o
= 12 мс, если мощность ветроколеса Р = кВт, ометающе- го площадь А = 10м
2
Ответ: Ро = 8640 Вт.
29. Какую суммарную площадь ометают ветроколеса установки, развивающей мощность Р кВт при скорости ветра U
o
= 17 мс,
С
р
= 0,5? Ответ А = 81,42 м created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
136 30. Какова мощность набегающего потока Ро, приходящаяся нам площади ветроколеса, если самая эффективная установка с диаметром ветроколесам может развить мощность Р = 3 кВт Ответ Ро / ΔS = 1036 Вт/м 2 31. Постройте зависимость коэффициента быстроходности от числа лопастей и окружной скорости ветроколеса при скорости ветра U o = 15 мс. 32. Какова будет скорость ветра, если лобовое давление стало в 2 раза больше, чем лобовое давление при скорости ветра 10 мс Ответ 14,14 мс. 33. Определить коэффициент лобового давления трехлопастного ветроколеса, если при скорости ветра 15 мс лобовое давление на ветроколесо составляло 1200 Н. Площадь, сметаемая ветроколесом м 2 Ответ: C F = 8/9. 34. Построить зависимость оптимальной скорости ветра от числа лопастей в колесе при частоте вращения ветроколеса 1 Гц. Радиус ветроколесам. С какой оптимальной частотой должно вращаться ветроколесо радиусом 1 м при скорости ветра 10 мс и трёх лопастях Ответ ν = 6,6(6) Гц. 36. Определить частоту вращения колеса турбины ν , если ее мощность Р = 1 кВт, сила лобового давления на ветроколесо Р лmах = 200 Ни радиус колеса турбины R = 1 м. Ответ ν = 2,5 Гц. 37. Очень часто при оценке ветроэнергетических ресурсов заданного района используют двухпараметрическую функцию распределения Вейбулла для скорости ветра, которая имеет вид к u c u exp с Ф. (4) Более точное соответствие экспериментальным результатам получается, если k = 1,8 – 2,3; а параметр с = U, где U – среднее значение скорости ветра в данном регионе. Ф имеет размерность [м/с] -1 Построить график зависимости Ф Ф) в интервале 1 ≤ U ≤ 30 мс через 1 мс принять для с = 8,2 мс. Вычислить скорость, соответствующую максимуму распределения функции скорости ветра Ф u Расчеты сделать на компьютере. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com |
Скачать 472.17 Kb.