ресурсоснабжение. Разработка ветровой электростанции для промышленного предприятия г. Тольятти
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тольяттинский государственный университет» Институт энергетики и электротехники (наименование института полностью) Кафедра «Электроснабжение и электротехника» (наименование кафедры) 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» (код и наименование направления подготовки) Энергосбережение и энергоэффективность (направленность профиль) МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ на тему Разработка ветровой электростанции для промышленного предприятия г. Тольятти Студент Е. А. Черноталова (И.О. Фамилия) (личная подпись) Научный руководитель М. Н. Третьякова (И.О. Фамилия) (личная подпись) Руководитель программы к.т.н. А.Н. Черненко ________________ (ученая степень, звание, И.О. Фамилия) (личная подпись) «_____»______________________20_____г. Допустить к защите Заведующий кафедрой д.т.н., профессор В.В. Вахнина ________________ (ученая степень, звание, И.О. Фамилия) (личная подпись) «_____»______________________20_____г. Тольятти 2019 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................................. 3 1 Анализ конструкций ветрогенераторов ............................................................. 6 1.1 Конструктивные особенности ветрогенераторов и область применения 6 1.2 Выводы к первому разделу ......................................................................... 18 2 Выбор объекта для альтернативного электроснабжения ............................... 20 2.1 Выбор объекта .............................................................................................. 20 2.2 Расчет мощности, потребляемой объектом ............................................... 21 2.3 Выводы ко второму разделу ....................................................................... 24 3 Выбор и расчет параметров ветроэнергетической установки ....................... 25 3.1 Оценка ветроэнергетического потенциала ................................................ 25 3.2 Выбор ветрогенератора ............................................................................... 27 3.3 Дополнительно оборудование ветроэнергетической установки ............ 32 3.4 Монтаж ветрогенератора ............................................................................. 34 3.5 Общие правила безопасности при монтаже ветроэнергетической установки ............................................................................................................ 36 3.6 Определение технических характеристик ВЭУ ........................................ 39 3.7 Аэродинамические параметры ВЭУ .......................................................... 42 3.8 Анализ результатов расчета характеристик ВЭУ ..................................... 46 3.9 Выбор электрогенератора ........................................................................... 47 3.10 Применение редукторов в ветроустановках ........................................... 57 3.11 Выводы к третьему разделу ...................................................................... 60 4 Оценка технико-экономических показателей ВЭУ ........................................ 63 4.1 Математическое моделирование ВЭУ ....................................................... 63 4.2 Оценка экономических показателей от внедрения ВЭУ ......................... 68 4.3 Выводы к четвертому разделу .................................................................... 71 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 72 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ................................................. 74 3 ВВЕДЕНИЕ Проблема энергосбережения сегодня стоит сегодня очень остро, так как промышленность и технологии постоянно развиваются, а это ведет к существенному увеличению расходов электроэнергии, увеличению затрат предприятия и росту стоимости продукции, выпускаемой предприятием. В условиях растущей конкуренции предприятия вынуждены искать пути снижения энергопотребления и увеличивать энергоэффективность отдельных производств. О важности вопросов энергосбережения на государственном уровне свидетельствует законодательная база. В 2009 году выпущен закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» [6], в соответствии с которым все предприятия, а также мелкие потребители, должны постоянно снижать потребление электроэнергии. Этот шаг в масштабах государства способен улучшить ситуацию в экономической сфере. Для создания соответствующего механизма 27 декабря 2010 г. Распоряжением Правительство Российской Федерации №2446-р принята к действию программа «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» [7]. Она призвана активизировать работу предприятий различных отраслей экономики и жилищно- коммунальных хозяйств в направлении рационального использования топливно-энергетических ресурсов посредством энергосбережения, повышения энергоэффективности и более широкого использования возобновляемых источников энергии. В соответствии с данной программой все крупные предприятия обязаны разрабатывать и внедрять мероприятия по уменьшению потребления энергопотребления 1, с.60 . ООО «Тольятинский трансформатор» не является исключением. Одним из перспективных решений по эффективному использованию энергоресурсов является 4 использование для электроснабжения отдельных подразделений завода ветрогенераторов 2, с.151 . Для выявления оптимального состава ветроэнергетических установок требуется проведение уточняющих расчетов 3, с.12 . В данной работе планируется: выполнить оценку энергетических потребностей отдельного производственного подразделения завода, провести анализ экономического потенциала ветра на территории предприятия, осуществить выбор ветрогенератора. Предполагается, что с помощью внедрения ветроэлектростанции в промышленное производство снизиться энергопотребление из энергосистемы, идущее на нужды отдельного цеха. Это в целом позволит снизить затраты ООО «Тольятинский трансформатор» на электроэнергию. Параметры ветрогенератора зависят от нагрузки. Следовательно, нужно определить, какой из цехов завода можно снабжать электроэнергией от ветроэлектростанции. Надо знать особенности технологического процесса, чтобы выбрать ветрогенератор с оптимальными параметрами. Таким образом, проблема исследования заключается в определении оптимальных технических характеристик ветряной электростанции, предназначенной в качестве альтернативного источника питания для одного из цехов ООО «Тольяттинский трансформатор». Целью исследования является снижение потребления электроэнергии из энергосистемы на нужды одного из цехов ООО «Тольяттинский трансформатор» за счет внедрения ветряной электростанции. Объект исследования – альтернативное электроснабжение одного из цехов ООО «Тольяттинский трансформатор». Предмет исследования – ветроэнергетическая установка в качестве источника альтернативного электроснабжения для одного из цехов ООО «Тольяттинский трансформатор». 5 Практическая значимость работы заключается в возможности использования предложенной ветроэнергетической установки в качестве источника альтернативного электроснабжения для столярного цеха ООО «Тольяттинский трансформатор». Новизна работы состоит в разработке математической модели ветроэнергетической установки, учитывающей параметры ветрогенератора типа WH6.4-5000W и состоящей из виртуального синхронного генератора, являющегося элементом библиотеки SimPоwerSystem, а также блоков из приложения Simulink пакета программ Matlab, имитирующих действие ветра и движение механической части ветрогенератора. 6 1 Анализ конструкций ветрогенераторов 1.1 Конструктивные особенности ветрогенераторов и область применения 1.1.1 Общие сведения Ветрогенератор представляет собой устройство, которое путем преобразования ветрового потока вырабатывает электрическую или механическую энергию, для ее последующего использования потребителями [1, с.12]. На данный момент известны два основных типа ветрогенераторов, конструктивные отличия, которых состоят в расположения оси вращения элемента, улавливающего энергию ветра. Ветряные генераторы бывают: с горизонтальной осью вращения (рис.1.1, а); с вертикальной осью вращения (рис.1.1., б). а) б) Рисунок 1.1 – Внешний ветроустановки с горизонтальной осью вращения (а) и с вертикальной осью (б) 7 Принцип работы ветрогенератора – очень простой. Поток ветра оказывает давление на лопасти (позиция 12 на рис.1.2) ветрового колеса. Ротор (позиция 1 на рис.1.2) ветрового колеса закреплен на низкоскоростном валу (позиция 2 на рис.1.2). Под воздействием ветра ветряное колесо (ротор с лопастями и низкоскоростной вал) начинает вращаться, осуществляя преобразование ветряной энергии в механическую. От низкоскоростного вала через редуктор (позиция 3 на рис.1.2) механическое движение передается на вал (позиция 8 на рис.1.2) электрического генератора (позиция 4 на рис.1.2). При вращении ротора электрогенератора осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Рисунок 1.2 – Конструктивная схема ветроустановки 8 На рисунке 1.2 показана конструктивная схема электроустановки, дающая полное представление об ее устройстве. На схеме используются следующие позиционные обозначения. 1. Ротор ветроколеса, участвующий в процессе преобразования давления ветра в механическую энергию. 2. Низкоскоростной вал, приводимый в движение ротором ветроколеса и задействованный в передаче механической энергии. 3. Редуктор, повышающий частоту вращения ветроколеса (ротора). 4. Генератор, вырабатывающий электроэнергию и имеющий в своем составе высокоскоростной вал. 5. Контроллер, отвечающий за управление всей установки. С его помощью в автоматическом режиме запускаются ветряные турбины или осуществляется их остановка. 6. Анемометр, предназначенный для определения скорости ветра с последующей передачей данных к контроллеру. 7. Флюгер, определяющий направления ветра и поворачивающий ветроколесо в нужном направлении. 8. Высокоскоростной вал, вращающий ротор электрогенератора. 9. Гондола, располагающаяся в верхней части ветряной турбины и являющаяся несущей частью конструкции. Внутри нее находятся валы, редуктор, генератор, котроллер и тормоз. 10. Мачта, представляющая собой полую конструкцию из металла или бетона, служащая для размещения всех основных элементов на высоте. 11. Тормоз, предотвращающий поломки установки и используемый для остановки ротора в критических ситуациях (например, в ураган). 12. Лопасти, являющиеся ключевым элементом ветроустановки, предназначенным для улавливания энергии ветра. Посредством лопастей осуществляется функционирование данного устройства. Поток ветра, попадая на лопасти, приводит их в движение, и обеспечивает вращение ротора и в дальнейшем выработку энергии генератором. 9 Несмотря на имеющиеся сходство, имеются существенные различия в характеристиках ветрогенераторов с горизонтальной и вертикальной осями вращения. Проанализируем технические возможности ветрогенераторов обоих конструктивных типов. 1.1.2 Ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения На данном этапе горизонтальные ветрогенераторы имеют наибольшую популярность 1 – 5 . У них ось вращения ветряного колеса, лопасти которого вращаются против ветра, расположена параллельно земле. Такой вариант исполнения получил название «ветряной мельницы». Конструкция горизонтальных ветрогенераторов выполнена так, что передняя часть ветряного колеса, осуществляя поиск ветра, поворачивается автоматически. Кроме того, угол поворота лопастей может меняться тоже, чтобы уловить даже небольшой ветер. Считается, что этот тип ветрогенераторов годится для производства большого объема электроэнергии 6 – 8 . Горизонтальные ветровые установки характеризуются высоким КПД (40-50%). Поэтому именно эта разновидность обычно используется при создании систем ветряных электростанций. У ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения ветроколесо может выполняться с различным количеством лопастей. В зависимости от этого различают одно-, двух-, трех- и многолопастные модификации. В состав ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения в обязательном порядке входят дополнительные конструктивные элементы, обеспечивающие ориентацию ротора ветроколеса по ветру, что усложняет конструкцию и является недостатком данной разновидности ВЭУ. Преимуществом ветрогенераторов с горизонтальным вращением вала является их большая эффективность по сравнению с моделями, где ось вращения располагается вертикально. Это объясняется тем, что углы атаки в рабочих режимах здесь меньше. Поэтому ветрогенераторы с горизонтальным 10 вращением вала отличаются меньшими массогабаритными показателями по отношению к вертикальным ВЭУ, генерирующих одинаковую мощность. Рассмотрим конструктивные исполнения горизонтальных ВЭУ. а) Однолопастные ветрогенераторы Главное достоинство однолопастных ветрогенераторов – высокие обороты вращения. У них вместо второй лопасти установлен противовес, мало влияющий на сопротивляемость движению воздуха, что даёт возможность использовать их для генераторов с высокими оборотами вращения, в том числе асинхронными. Однолопастные ветрогенераторы могут работать при очень слабых слабых ветрах. Недостатки однолопастного ветряка: Из-за высокой скорости вращения велик гироскопический эффект, что замедляет поворот ротора при смене ветра и создает дополнительную нагрузку на лопасти, ступицу и узел поворота; Повышенная опасность при функционировании установки, объясняемая тем, что сила удара быстроходной лопастью выше, чем тихоходной. Необходимость точной балансировки лопасти. На рисунке 1.3 приведен пример однолопастного ветрогенератора, выпускаемого компанией ООО «Электроветер» (Россия). Рисунок 1.3 – Внешний вид однолопастного ветрогенератора 11 б) Двухлопастные ветрогенераторы Ветрогенераторы двухлопастного типа – по устройству схожи с однолопастными, только отличаются количеством лопастей. По сравнению с однолопастной конструкцией они имеют преимущество. Поскольку здесь количество лопастей – четное, то ротор ветроколеса остается уравновешенным при любом угловом положении его лопастей. Поэтому здесь нет дополнительных конструктивных элементов, обеспечивающих уравновешенность конструкции. Упрощение конструкции ведет к снижению стоимости данной модификации по сравнению с аналогичной моделью однолопастной ВЭУ. Недостатком рассматриваемой конструкции является то, что она более шумная и подверженная вибрации [1,c.15]. Примером самоподъемной двухлопастной ветроустановки является Gev MP, номинальной мощностью 275 кВт, французской фирмы Vergnet S.A (рис. 1.4). Рисунок 1.4– Внешний вид двухлопастного ветрогенератора 12 в) Трехлопастные ветрогенераторы Это – самая распространенная модификация ветрогенераторов с горизонтальной осью вращения вала ветроколеса. Исследования, проведенные датскими учеными еще в 70-х годах прошлого века, показали, что оптимальное количество лопастей горизонтальных ветрогенераторов равно трем. Это заключение было хорошо усвоено крупными производителями ветрогенераторов [1, с.15]. Поэтому именно эти ветряки наиболее широко представлены на рынке. Ветрогенераторы с тремя лопастями выпускаются с мощностями от нескольких ватт до нескольких мегаватт 6 . В качестве примера на рисунке 1.5 представлена одна из самых мощных на сегодняшний день трехлопастных ветроэнергетических установок марки Enercon E-126 ( ). Рисунок 1.5– Внешний вид трехлопастного ветрогенератора г) Многолопастные ветрогенераторы К многолопастным относятся горизонтальные ветрогенераторы с количеством лопастей, находящимся в интервале . Роторы ветроколес 13 с большим количеством лопастей способны развить значительный крутящий момент, что, несомненно, является их достоинством. Однако такие ветроколеса отличаются большим моментом инерции, поэтому они – тихоходные. Отмеченные здесь конструктивные особенности и технические характеристики многолопастных ветрогенераторов соответствуют требованиям энергопитания водяных насосов. Поэтому их обычно применяют в качестве альтернативных источников электрической энергии в водонасосных системах 7 . Рисунок 1.6– Внешний вид многолопастной ВЭУ 1.1.3 Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения Вертикальные ветрогенераторы являются менее эффективными по сравнению с горизонтальными. Их КПД в 3 раза меньше, чем у горизонтальных модификаций [4, c.18] Лопасти вертикального ветрогенератора крутятся перпендикулярно поверхности земли при любом направлении и силе ветра. Поэтому 1/2 от общего количества лопастей 14 ветроколеса всегда вращается против ветра. Из-за этого у ветрогенератора с вертикальным вращением ветроколеса 1/2 мощности потока ветра не используется, что сильно снижает их энергоэффективность. Это – главный недостаток. Помимо этого имеются недостатки следующего типа: Нет возможности в самостоятельной раскрутки лопастей; Значительная нагрузка на элементы конструкции; Лопасти должны быть идентичны и соответствовать заданному профилю; Повышенный уровень шума в процессе работы. Однако ветрогенераторы с вертикальным вращением ветроколеса имеют определенные достоинства. Например, у этих моделей упрощается монтаж и эксплуатация. Это объясняется тем, что в конструкции с вертикальным ветроколесом редуктор и электрогенератор размещаются на земле. Конструктивным преимуществом является также то, что для них не требуется флюгер. Они характеризуются самостоятельной ориентацией по отношению к воздушным потокам. Конструкции вертикальных ветрогенераторов имеют существенные различия из-за разных модификаций ветряных колес. Рассмотрим наиболее распространенные варианты. а) Ротор Савониуса Представляет собой конструкцию, в которой лопасти ротора выполнены в виде цилиндрических поверхностей (рис.1.7) Преимущества ротора Савониуса: способность запускаться при малых значениях ветра, движение начинается при значениях от 3м/сек; быстрый набор высоких показателей крутящего момента; высокая надёжность конструкции; сравнительно невысокая стоимость производства. 15 Ветряки с ротором Савониуса имеют такой же недостаток, как и все вертикальные ветрогенераторы. Это – неполное использование ветровой энергии и, как следствие, низкая эффективность преобразования воздушного потока. Поэтому промышленный выпуск данных устройств осуществляется с мощностью, не превышающей 4–6кВт. Рисунок 1.7 – Внешний вид ротора Савониуса б) Ротор Дарье Вертикальный ветряк с ротором Дарье был изобретен на несколько десятков лет позже обычного. Внешне, такой ветрогенератор выполнен с двумя или тремя лопастями, изогнутыми в форме овала (рис. 1.8). 16 Рисунок 1.8– Внешний вид ротора Дарье Ветрогенераторы с ротором Дарье просты в изготовлении и легки в монтаже. Так же их достоинством является самостоятельная ориентация на направление воздушного потока. Основной вал привода располагается вблизи уровня земли, что создаёт удобство в его обслуживании. Конструкцию ветряка с ротором Дарье отличает проста кинематической схемы. Главным недостатком такого ветрогенератора является то, что ротор нужно запускать вручную. Его отличает также высокая нагрузка на опорные узлы, вызванная динамическим воздействием от воздушных потоков. Для нормальной работы ветряка необходимо строго придерживаться заданного профиля лопасти по всей её длине. Ветряк с ротором Дарье достаточно шумен в работе. 17 в) Геликоидный ротор. Геликоидный ротор является развитием вертикально-осевого ветроколеса. Лопасти последнего выполнены в форме геликоидной кривой, что придаёт конструкции более равномерное вращение и снижает нагрузки на опорную часть. Изгиб лопастей ротора по диагонали способствует быстрому набору скорости. Эффективность использования ветрового потока близка к горизонтальным устройствам. В то же время, это вызывает повышенный шум при работе и производит звуковые волны, расположенные в коротковолновой части звукового спектра. Геликоидный ротор дорог в производстве из-за сложной конфигурации профиля лопастей (рис 1.9). Рисунок 1.9 – Внешний вид геликоидного ротора г) Многолопастной ротор Это – модификация вертикально-осевой конструкции ветроколеса, дополненная внешним кольцом неподвижных лопастей. Такая схема способствует увеличению полезной площади захвата воздушного потока, его сжатию и ускорению, что приводит к повышению эффективности ветрогенератора в целом. Кроме этого, конструкция чувствительна к слабым воздействиям ветра. Многолопастной ротор характеризуется повышенной 18 материалоёмкостью, что увеличивает стоимость ветрогенератора в целом. В процессе эксплуатации конструкцию ветрогенератора с многолопастным ротором сопровождает увеличенный звуковой фон (рис 1.10). Рисунок 1.10 – Внешний вид многолопастного ротора |