ИВИЭ. лаб 4-5 ивиэ. Отчет по Лабораторной работе 3 Дисциплина Использование возобновляемых источников энергии Тема Внешние характеристики ветроэлектрогенератора. Изучение работы автономной ветроэнергетической системы с аккумуляторной батареей и нагрузкой.

• Название: Отчет по Лабораторной работе 3 Дисциплина Использование возобновляемых источников энергии Тема Внешние характеристики ветроэлектрогенератора. Изучение работы автономной ветроэнергетической системы с аккумуляторной батареей и нагрузкой.
• Дата: 27.10.2021
• Размер: 96.18 Kb.
• Имя файла: лаб 4-5 ивиэ.docx
• Тип: Отчет; #257018

Некоммерческое акционерное общество

«Алматинский университет энергетики и связи»

имени Гумарбека Даукеева

Кафедра: «Электроснабжения и возобновляемых источников энергии»

Отчет

по Лабораторной работе №3

Дисциплина: Использование возобновляемых источников энергии

Тема: «Внешние характеристики ветроэлектрогенератора. Изучение работы автономной ветроэнергетической системы с аккумуляторной батареей и нагрузкой.»

Специальность: Электроэнергетика
Выполнила: ст. гр. ЭЭ-20-15

Ташранова А. М.

Принял: Хижняк Р.С.
«__»________2021 г.

Алматы, 2021

Задания

Снятие внешних характеристик ветрогенератора на различных частотах вращения. Изучить принцип и особенности работы автономной ветроэнергетический системы при параллельной работе на аккумуляторную батарею и активную нагрузку.

Содержание

Задания ...…………………………………………………………………………. 3

1 Часть 1. Внешние характеристики ветроэлектрогенератора ..……………… 4

2 Часть 2. Изучение работы автономной ветроэнергетической системы с аккумуляторной батареей и нагрузкой ………………………..……...……..…. 5

3 Контрольные вопросы …………………………………………………………. 8

Заключение ….………………………………………………………….............. 13

Список литературы …………………………………………………………….. 14

1 Часть 1. Внешние характеристики ветроэлектрогенератора

Перед началом лабораторной работы синхронный ветрогенератор должен находиться в режиме холостого хода, а батарея – отключена от шины постоянного тока. Для этого перед началом работы со стендом необходимо при выключенном автоматическом выключателе QF1 модуля питания стенда:

1. 
   -перевести переключатель клемм АКБ модуля аккумуляторной батареи в полпжение «ОТКЛ»;
   
2. 
   -перевести переключатели SA1-SA5 модуля «Нагрузка» в нижнее положение;
   
3. 
   -переключатель «Пуск» блок здания скорости ветра установить в нижнее положение. При этом блокируется работа преобразователя частоты;
   
4. 
   -потенциометр задания скорости ветра установить в крайнее положение по часовой стрелке.
   

Лабораторную работу можно проводить, фиксируя показания измерительных приборов. Для измерения параметорв ветроэлектроустановки можно также использовать персональный компьютер. Для этого необходимо включить компьютер, дождаттся полной загруски Windowsи запустить прогамму «DeltaProfi», ярлык к которой при поставке оборудования находится на рабочем столе. В меню «Работы» необходимо выбрать работу №4, затем запустить прцесс сбора данных нажатием кнопки «Пуск» (илиF5).

Опыт по снятию внешних характеристик ветрогенератора заключается в снятии зависимости ЭДС генератора (напряжение на шине постоянного тока U₁) от величины тока нагрузки (выходной ток выпрямителя I₁) U₁=f(I₁). Схема проведения опыта представлена на рисунке 1.

Подающий вентилятор приводится во вращение асинхронным электродвигателем, получающим напряжение от преобразователя частоты инверторного типа, расположенного в блоке задания скорости ветра (фазы А, В, С) подключается к модулю «Выпрямитель» (клеммы А, В, С). К шинам постоянного тока «+» и «-»модуля «Выпрямитель» подключены приборы, измеряющие ток и напряжение на выходе выпрямителя.

При проведении опыта аккумуляторная батарея отключена, выходы постоянного тока модуля «Выпрямитель» подключаются ко входам модуля «Нагрузка». Введение резисторов осуществляется переключателями SA1 – SA5 модуля «Нагрузка».



Рисунок 1 – Схема опыта по снятию внешних характеристик генератора

Порядок проведения опыта следующий:

1. 
   -включением автоматического выключателя QF1 модуля питания стенда подать напряжение на необходимые элемениы лабораторного стенда;
   
2. 
   -включением клавишного включателя «Сеть» модуля «Блок здания скорости ветра» подать напряжение на преобразователь частоты;
   
3. 
   -подать сигнал «Пуск» на преобразователь частоты и установить такую скорость ветра, при которой ветрогенератор приходит во врщение и вырабатывает ЭДС;
   
4. 
   -зафиксировать в таблице 1 значение ЭДС генератора на холостом ходу и, последовательно вводя нагрузочные сопротивленеия в цепь постоянногои тока снять внешнюю характеристику, занеся результаты измерений в таблицу. При проведении опыта требуется поддерживать скорость вращения генератора на постоянном уровне. Для этого при каком –либо изменении его скорости требуется регулировать скорость ветра потенциометром модуля «Блока здания скорости ветра»
   

Таблица 1 - Параметры внешней характеристики ветрогенератора на минимальной скорости воздушного потока.

vB,м/с	7,02	7,02	7,02	7,02	7,02
nr ,об/мин	270	255	240	232	225
I1, мА	0,1	0,2	0,2	0,26	0,3
U1, мА	4,5	4	3,6	3,2	3

После снятия внешних характеристик на заданной скорости требуется изменить скорость воздушного потока и повторить исследования. Характеристики необходимо снять на минимальной и максимальной скоростях потока, занести данные в таблицу 1.2.



График внешней характеристики ветрогенератора на минимальной скорости воздушного потока.

Таблица 1.2- Параметры внешней характеристики ветрогенератора на максимальной скорости воздушного потока.

vB,м/с	10,5	10,5	10,5	10,5	10,5	10,5
nr ,об/мин	420	397	375	360	352	377
I1, мА	0	0,15	0,27	0,36	0,44	0,5
U1, мА	8,4	7,1	6,4	6	5,4	5

После проведения опыта необходимо перевести все переключатели SA1 – SA5 модуля «Нагрузка» в нижнее положение, остановить приводной двигатель, установив потенциометр задания скорости ветра в крайнее положение против часовой стрелки, убрать сигнал «Пуск» блока задания скорости ветра, остановить обмен данных с персональным компьютером (нажать кнопку «Стоп» или F6). После этого выключить автоматический выключатель QF1 модуля питнаия стенда.

Дать краткое описание работы. По результатам опытов построить внешнюю характеристику ветрогенератора. Привести ответы на контрольные вопросы.



График внешней характеристики ветрогенератора на максимальной скорости воздушного потока

Из графиков внешней характеристики мы можем сказать, что при изменении сопротивления на нагрузке меняется также и сама внешняя характеристика на нагрузке.

2 Часть 2. Изучение работы автономной ветроэнергетической системы с аккумуляторной батареей и нагрузкой

Перед началом лабораторной работы синхронный ветрогенератор должен находиться в режиме холостого хода, а батарея – отключена от шины постоянного тока. Для этого перед началом работы со стендом необходимо при выключенном автоматическом выключетеле QF1 модуля питания стенда:

1. 
   перевести переключатели клемм АКБ модуля аккумуляторной батареи в положение «ОТКЛ»;
   
2. 
   перевести переключатели SA1 - SA5 модуля «Нагрузка» в нижнее положение;
   
3. 
   переключатель «Пуск» блока задания скорости ветра установить в нижнее положение. При этом блокируется работа преобразователя частоты;
   
4. 
   потенциометр задания скорости ветра установить в крайнее положнеие против часововй стрелки.
   

Лабораторную работу можно проводить, фиксируя показания измерительных приборов на стенде или используя персональный компьютер. Для этого необходимо включить компьютер, дождаться полной загрузки Windows и запустить программу «DeltaProfi», ярлык к которой при поставке оборудования находится на рабочем столе. В меню «Работы» необходимо выбрать работу №5, а затем запустить процесс сбора данных нажатием кнопки «Пуск» (или F5).Схема для проведения лабораторной работы представлена на рисунке 2. Подающий вентилятор приводится во вращение асинхронным электродвигателем, получающим напряжение от преобразователя частоты инвверторного типа, расположенного в блоке задания скорости ветра (на рисунке не показан). Статор синхронного генератора (фазы А, В, С)подключается к модулю «Выпрямитель» (клеммы А, В, С). К шинам постоянного тока «+» и «-» модуля «Выпрямитель» подключены измерительные приборы, измеряющие ток и напряжение на выходе выпрямителя. Параллельно выходным клеммам «+» и «-» модуля «Выпрямитель» включаются аккумуляторная батарея с контроллером заряда батареи, а также дискретно регулируемая активная нагрузка.



Рисунок 2 – Схема исследования работы ветроэлектроустановки на аккумуляторную батарею и активную нагрузку

Ток и напряжения на выходе выпрямителя фиксируются соответственно амперметромI₁ и вольтметром U₁, ток поступающий на аккумуляторную батарею, измеряется амперметромI₂, а ток, потребляемыйактивной нагрузкой, измеряется амперметром I₃.

Порядок проведения опыта, следующий:

1. 
   выключение автоматического выключателя QF1 модуля питания стенда подать напряжение на необходимые элементы стенда;
   
2. 
   выключением кнопки «Сеть» подать напряжение на преобразователь частоты;
   
3. 
   подсоединить аккумуляторную батарею к шинам постоянного тока установкой переключателя контроллера заряда батареи в положение «ВКЛ»;
   
4. 
   подать сигнал «Пуск» на преобразователь частоты и установить потенциометром задания скорости ветра такую скорость, ччтобы аккумуляторная батарея потребляла ток и происходил ее заряд;
   
5. 
   последовательным включение переключателей SA1 – SA5 модуля «Нагрузка» вводят активную нагрузку в цепь поятоянного тока, при этом фиксировать результаты измений в таблице 2. При увеличении нагрузки ток заряда аккумулятора уменьшается, а затем происходит его переход на режим источника электроэнергии (разряд). При проведении опыта следует зафиксировать все указанные режимы.
   

После проведения опыта необходимо перевести все переключатели SA1-SA5 модуля «Нагрузка» в нижнее положение, отключить аккумуляторную батарею от шин постоянного тока (переключатель контроллера заряда батареи установить в положение «ОТКЛ»), остановить приводной двигатель, установив потенциометр задания скорости ветра в крайнее положение против часовой стрелки, убрать сигнал «Пуск» блоказадания скорости ветра, остановить обмен данных с персональным компьютером (нажать кнопку «Стоп» или F6). После этого выключить автоматический выключатель QF1 модуля питания стенда.

Таблица 2 - Параметры работы ветроэнергетический системы

U1,B	6,8	6,63	6,4	6,2	6,0	5,8
I1, A	0,02	0,23	0,27	0,30	0,34	0,37
I2, A	0,2	0,08	0	-0,08	-0,15	-0,21
I3, A	0	0,14	0,27	0,38	0,49	0,57
PB,Bт	0,136	1,52	1,72	1,86	2,04	2,15
PAKБ, Bт	1,36	0,53	0	-0,496	-0,9	-1,22
PH, Bт	0	0,93	1,73	2,36	2,94	3,3
Vв	10,5	10,5	10,5	10,5	10,5	10,5

Дать описание работы. При обработке результатов эксперимента необходимо рассчитать мощности в контрольных точках системы.

Мощность на выходе выпрямителя, Вт:

P_B = U₁·I₁. (2.1)

1. 
   P_B = 6,8 В*0,02 А = 0,136 Вт
   
2. 
   P_B =6,63 В*0,23 А = 1,52 Вт
   
3. 
   P_B =6,4 В*0,27 А = 1,72 Вт
   
4. 
   P_B =6,2 В*0,30 А = 1,86 Вт
   
5. 
   P_B =6,0 В*0,34 А = 2,04 Вт
   
6. 
   P_B =5,8 В*0,37 А = 2,15 Вт
   

Мощность, потребляемая или отдаваемая аккумуляторной батареей, Вт:

P_АКБ= U₁·I₂. (2.2)

1. 
   P_АКБ=6,8 В*0,2 А = 1,36 Вт
   
2. 
   P_АКБ=6,63 В*0,08 А = 0,53 Вт
   
3. 
   P_АКБ=6,4 В*0 А = 0 Вт
   
4. 
   P_АКБ=6,2 В*(-0,08) А = - 0,496 Вт
   
5. 
   P_АКБ=6,0 В*(-0,15) А = -0,9 Вт
   
6. 
   P_АКБ=5,8 В*(-0,21) А = -1,22 Вт
   

Мощность, потребляемаяактивной нагрузкой, Вт:

P_H=U₁·I₃. (2.3)

1. 
   P_H=6,8 В*0 А = 0 Вт
   
2. 
   P_H=6,63 В*0,14 А = 0,93 Вт
   
3. 
   P_H=6,4 В*0,27 А = 1,73 Вт
   
4. 
   P_H=6,2 В*0,38 А = 2,36 Вт
   
5. 
   P_H=6,0 В*0,49 А = 2,94 Вт
   
6. 
   P_H=5,8 В*0,57 А = 3,3 Вт
   

Из полученных данных мы можем сказать, что высокая мощность выделяется на нагрузке во время разряда источника электроэнергии.

3 Контрольные вопросы

1. 
   Как рассчитать кинетическую энергию воздушного потока?
   

Кинетическая энергия Э_кин (Дж) воздушного потока со средней скоростью V(м/с), проходящего через поперечное сечение F (м2), перпендикулярное V, и массой воздуха т, кг, рассчитывается по формуле:

;

Где - плотность воздуха= 1,226 кг/м³, при t = 15 °С, р = 760 мм рт. ст.

2. 
   Как рассчитывается мощность ВЭУ?
   

Где - удельная мощность ветрового потока

- отметаемая площадь ВЭУ

- КПД ротора (около 0,9)

- КПД электрогенератора (около 0,95)

- коэффициент мощности, который учитывает долю получаемой мощности ветродвигателем от мощности воздушного потока (обычно принимаемый равным 0,45).

После подстановки всех указанных значений получим следующую формулу:

3. 
   Как определяется энергия и мощность воздушного потока?
   

Мощность ветрового потока N (Вт), проходящего через площадь S (м2), определяется по формуле:



Где - радиус ветроколеса (лопастей)

Умножая на время t, мы получаем формулу для энергии воздушного потока при постоянной скорости ветра:

4. 
   Укажите характерные рабочие скорости ветра ВЭУ.
   

Для каждой ВЭУ можно выделить три характерные рабочие скорости ветра:

1. 
   0pmin – мощность ВЭУ равна нулю;
   
2. 
   v_pminpN – мощность ВЭУ меняется в зависимости от скорости ветра и частоты вращения ротора;
   
3. 
   v>v_pmax – мощность ВЭУ равняется нулю за счет принудительного торможения ротора или разворота его лопастей параллельно вектору скорости ветра.
   

5. 
   С какой целью удлиняют лопасти ветроколес?
   

Длина лопасти определяет мощность конструкции.

Количество оборотов ветроколеса в минуту зависит от его диаметра и длинны лопасти. Важным показателем также является быстроходность ветроколеса – отношение скорости перемещения конца лопасти к скорости ветрового потока, на нее воздействующего. Этот показатель указывает на то, сколько оборотов в единицу времени выполнит ветроколесо при определенной скорости ветра. Также мы видим, что мощность ВЭУ зависит от диаметра ветроколеса по формуле:

6. 
   Каким образом снимается мощность с вала ветроколеса?
   

Мощность, развиваемая на валу ветроколеса, зависит от его диаметра, формы и профиля лопастей и практически не зависит от их числа:



Где - плотность воздуха

- скорость ветра

- диаметр ветроколеса

ξ- коэффициент мощности

7. 
   Механизмы каких типов применяются для передачи мощности от ветротурбины к электрогенератору (рабочим механизмам)?
   

Ротор с лопастями (двухлопастные, трёхлопастные или многолопастные). Редуктор/ коробка передач

8. 
   Опишите принципиальную схему трансмиссии ВЭС.
   

Система трансмиссии ВЭС состоит из генератора, коробки передач, тормоза, датчика ветра и ЧПУ управления.

9. 
   
   

Заключение

В первой части данной работы, из графиков внешней характеристики мы можем сказать, что при изменении сопротивления на нагрузке меняется также и сама внешняя характеристика на нагрузке. Во второй же части этой работы, из полученных данных мы можем сказать, что высокая мощность выделяется на нагрузке во время разряда источника электроэнергии.

Список литературы

1 Сырлыбаев Р.С., Казанина И.В. Нетрадиционные источники энергии: Конспект лекций.- Алматы: АУЭС, 2015. - 36 с.

2 Сырлыбаев Р.С., Казанина И.В. Нетрадиционные источники энергии: Учебное пособие.- Алматы: АУЭС, 2015. - 81с.

3 Ветропарки в Казахстане, https://in-power.ru/news/alternativnayaenergetika/v-kazahstane-planiruyut-postroit-novie-vetroparki.html#::text=В%20Казахстане%20планируют%20построить%20новые,включено%20в%20региональную%20Карту%20индустриализации , дата (22.10.2021)

4 Ветроэнергетика, https://alter220.ru/veter/vetroenergetika.html , дата (22.10.2021)

5 Выработка электроэнергии на электроустановках, https://cyberleninka.ru/article/n/faktory-vliyayuschie-na-vyrabotku-elektroenergii-vetroustanovki , дата (22.10.2021)

6 Ветрогенератор, https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/180760 , дата (22.10.2021)