ресурсоснабжение. Разработка ветровой электростанции для промышленного предприятия г. Тольятти
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
1.2 Выводы к первому разделу На основе изучения конструкционных и технологических особенностей промышленных ВЭУ можно сделать следующие выводы. 1). Вертикальный ветрогенератор имеет меньший момент трогания. Следовательно, он способен работать, начиная с минимальных скоростей ветра. Горизонтальный – более мощный, следовательно, он способен снабжать энергией электропримемники значительно большей мощности. 2). Вертикально-осевые ВЭУ устанавливаются на земле, тем самым облегчают доступ к генератору и их обслуживание. 3). Вертикальные ветрогенераторы не боятся разнонаправленного ветра или бури, так как у них минимальное сопротивление ветру. Все эти качества позволяют устанавливать эти ВЭУ близко к жилью и даже в городах. 19 4). В среднем большинство современных горизонтальных ветроэнергетических установок характеризуется коэффициентом использования ветра, равным 0,48. Из данных специальных исследований следует, что этот коэффициент можно увеличить. Например, у некоторых конструкций ВЭУ, отличающихся совершенными аэродинамическими характеристиками, коэффициент использования энергии ветра может достигать значения, равного 0,593 [5,с. 7]. 5) Горизонтально-осевые ВЭУ имеют более высокий коэффициент полезного действия ( =40 – 59%). Поэтому эти ветрогенераторы могут использоваться как для бытового применения, так и для промышленного производства электроэнергии. Ветрогенераторы промышленного назначения имеют достаточно большую мощность, которая к тому же может быть увеличена в сотни раз за счет установки в каждом ветропарке до нескольких сотен ветряков. 6). Определенным недостатком горизонтальных ветрогенераторов можно считать необходимость в постоянном поиске ветра при помощи флюгера, который является дополнительным устройством в составе ВЭУ, усложняющим конструкцию и повышающем ее стоимость. С учетом отмеченных выше преимуществ ВЭУ горизонтально-осевого типа и их отлаженного промышленного производства делаем вывод о целесообразности установки в качестве альтернативного источника питания для одного из цехов промышленного предприятия г. Тольятти ветрогенератора именно этой конструкции. Для реализации данного решения и достижения поставленной цели в рамках данной работы необходимо решить следующие задачи: 1) Выбрать объект для альтернативного электроснабжения . 2) Выбрать и рассчитать параметры ВЭУ. 3) Оценить технико-экономические показатели ВЭУ. 2 Выбор объекта для альтернативного электроснабжения 2.1 Выбор объекта В плане эксперимента выбор ветроустановки будем делать применительно к вспомогательному производству промышленного предприятия, тем самым минимизируя риски остановки массового производства. В качестве объекта альтернативного электроснабжения будем использовать столярный цех ООО «Тольяттинского трансформатора». План-схема цеха показана на рис. 2.1 Рисунок 2.1 – План-схема столярного цеха В столярном цехе установлены следующие электроприборы: Вертак столярный – 1 ед.; Пресс для склейки досок – 1 ед.; Клеемешалка – 1 ед.; Точило наждачное – 1 ед.; Настольный сверлильный станок – 1 ед.; Универсальный фрезерный станок – 1 ед.; 21 Токарный станок – 2 ед.; Сверлильный станок – 1 ед.; Ленточная пила – 1 ед.; Шипорезный станок – 1 ед.; Станок для пайки пил – 1 ед.; Заточной станок – 1 ед.; Пила педальная – 1 ед.; Циркулярная пила – 2 ед.; Торцовочный станок – 1 ед.; Продольно распилочный станок – 1 ед.; Прорезной станок – 1 ед. Из нормативной документации известны номинальная мощность и режим работы каждого из приведенных выше устройств. Это позволяет вычислить электропотребление столярного цеха 2.2 Расчет мощности, потребляемой объектом Для расчета пиковой мощности требуется выявить особенности энергопотребления каждого из электроприемников столярного цеха в определенное время суток (утро, день, вечер, ночь). Это даст возможность вычислить максимальное потребление электроэнергии. Уровень потребления электроэнергии будем рассчитывать на определенной фазе суток как сумму мощностей всех функционирующих электроприемников соответственно в утренние, дневные, вечерние и ночные часы. Сведения о функционировании электроприемников и величине потребляемой мощности помещаем в таблицу 2.1. Анализируем данные таблицы 2.1. 22 Таблица 2.1 – Расчет пиковой мощности Электроприбор Установленная мощность , Вт Мгновенная потребляемая мощность, Вт Утро День Вечер Ночь Верстак столярный 400 400 0 400 0 Прес для склейки досок 1500 1500 0 1500 Клеемешалка 2500 0 0 0 2500 Точило наждачное 6600 6600 0 6600 0 Настольно сверлильный станок 1300 1300 0 1300 0 Универсал.-фрезерный станок 11000 11000 0 11000 0 Токарный станок 4700 4700 0 0 0 Токарный станок 2700 2700 2700 2700 2700 Сверлильный станок 5000 0 5000 0 0 Ленточная пила 4500 4500 0 4500 0 Шипорезной станок 4500 4500 0 4500 0 Станок для пайки пил 3000 0 0 3000 0 Пила заточный станок 1000 1000 1000 1000 0 Пила педальная 3500 0 0 0 3500 Циркулярная пила 10000 10000 10000 10000 10000 Циркулярная пила 7000 7000 7000 7000 7000 Торцовочный станок 9700 9700 0 9700 0 Продольно – распилочный станок 11600 0 0 0 11600 Прорезной станок 33200 0 33200 0 0 ИТОГО в пике Р п : 123700 64900 35400 63200 37300 Очевидно, что максимальная мощность потребляется электрооборудованием столярного цеха в утренние часы и составляет: (2.1) Мощность инвертора, входящего в состав ветроэнергетической установки, должна быть не меньше данного значения Принимаем мощность инвертора, равную (2.2) 23 С учетом времени работы каждого из электроприемников вычислим суточное энергопотребление столярным цехом. Полученные данные сведём в таблицу 2.2 Таблица 2.2 – Расчёт потребляемой электроэнергии за сутки Электроприбор Установле нная мощность, , Вт Мгновенная потребляемая мощность, Вт Потребление электрической энергии, Вт час Утро 2 часа День 10 часов Вечер 5 часов Ночь 7 часов Верстак столярный 400 200 0 2000 0 2200 Пресс для склейки досок 1500 500 0 900 1400 Клеемешалка 2500 0 0 0 2000 4000 Точило наждачное 6600 5500 0 6100 0 11600 Настольно сверлильный станок 1300 1000 0 1050 0 2050 Универсал.- фрезерный станок 11000 10000 0 5000 0 15000 Токарный станок 4700 2300 0 0 0 2300 Токарный станок 2700 4300 2600 4500 1300 12700 Сверлильный станок 5000 4000 0 4500 0 8500 Ленточная пила 4500 4000 0 3750 0 7750 Шипорезной станок 4500 500 0 4000 0 4500 Станок для пайки пил 3000 500 0 2500 0 3000 Пило заточный станок 1000 0 0 0 1000 1000 Пила педальная 3500 1600 1600 1600 1600 6400 Циркулярная пила 10000 6000 8000 7600 9800 31400 Циркулярная пила 7000 4370 5800 6950 5000 22120 Торцовочный станок 9700 8000 0 9500 0 17500 Продольно – распилочный станок 11600 600 0 1000 11500 13100 Прорезной станок 33200 0 33000 0 0 33200 ИТОГО: 123700 53370 51000 60950 32200 357720 Количество энергии, потребляемой столярным цехом в сутки 24 , (2.3) Количество энергии, потребляемой столярным цехом в течение одного часа, составляет (2.4) Определим номинальную мощность ветроэнергетической установки, которая может снабжать электроэнергией столярный цех. Мощность, которую должна развивать ветроэнергетическая установка, можно найти, разделив часовой объем электроэнергии на время потребления, равное одному часу [5]: (2.5) 2.3 Выводы ко второму разделу В результате проведенных расчетов определены следующие параметры объекта электроснабжения, по данным которых будет выбираться ветроэнергетическая установка: Пиковая мощность столярного цеха; Количество энергии, потребляемой цехом в сутки; Номинальная мощность ветровой установки. Величина пиковой суточной мощности столярного цеха составляет Вт. Мощность инвертора должна быть не меньше Количество энергии, потребляемой цехом в сутки находится на уровне =357720 Вт∙ч. На это значение необходимо ориентироваться при выборе комплектующего оборудования ВЭУ и расчете емкости аккумуляторной батареи. 25 3 Выбор и расчет параметров ветроэнергетической установки 3.1 Оценка ветроэнергетического потенциала «Ветроэнергетический потенциал местности определяется как полная энергия ветрового потока на определенной высоте над поверхностью земли. Энергия ветра характеризуется скоростью, являющейся случайной переменной в пространстве и времени. Поэтому, энергетические характеристики ветра представляются вероятностным описанием случайного процесса изменения ветроэнергетического потенциала. Основной вероятностью подхода является дискретизация временного процесса, позволяющая считать независимыми и постоянными все определяемые параметры на интервале дискретизации. В качестве временных интервалов стационарности обычно используется час, сутки, сезон, год» 9 – 11 . Для электроэнергетики ветропотенциал региона является очень важным показателем. На основе данных о метеонаблюдениях, направлениях и силы ветров составляются даже специальные справочники – «ветроэнергетический кадастр региона» [42]. Важными показателями ветроэнергетического кадастра являются: среднегодовая скорость ветра, годовой и суточный ход ветра; повторяемость скоростей, типы и параметры функций распределения скоростей ветра; удельная мощность и удельная энергия ветра; ветроэнергетические ресурсы региона. «Чтобы сведениям о средних скоростях ветра в определенной местности можно было доверять, наблюдения должны производиться не эпизодически, а систематически, в течение длительного времени. Рекомендуется использовать период порядка лет» [14, 15]. Используемая для расчетов скорость ветра получается путем осреднения результатов наблюдений, зарегистрированных через равные промежутки времени: 1 день, 1 месяц, 1 год, …. 10 лет. 26 , (3.1) где – скорость ветра в интервале измерения ; – количество интервалов измерений. Итоги постоянных наблюдений представляются в электронной базе «Сервер погода России». Здесь собираются ежедневные замеры, производимые конкретной метеостанцией несколько раз за сутки. По имеющимся в электронной базе данным средняя годовая скорость ветра по Самарской области равна примерно – [15, 16]. «Для численной оценки разброса скоростей ветра от среднего значения используется коэффициент вариации средних скоростей, который определяется выражением: , (3.2) где – среднеквадратичное отклонение текущей скорости ветра от среднего значении; – средняя скорость ветра за исследуемый период времени» [42, 43]. Средняя скорость ветра служит ориентировочным показателем, характеризующим целесообразность установки ветроэлектростанции в данной местности. Критерием служит значения скорости ветра, при которых современные ветроустановки начинают вращаться и развивают свою номинальную мощность. Для оценки преобладающего направления ветров строится роза ветров (рис. 3.1), представляющая собой векторную диаграмму, у которой длина лучей, расходящихся от центра диаграммы в разных направлениях, соразмерна повторяемости ветров этих направлений. Преобладающее направление ветра на выбранной площадке следует учитывать при строительстве ветропарка [43].Кроме того, его обычно соотносят с ландшафтом (за исключением равнинного характера местности). 27 Рисунок 3.1 – Роза ветров «Таким образом, результатами исследования ветроэнергетического потенциала в предполагаемом месте размещения ветроэлектростанции являются следующие характеристики: Определение среднедневной, среднемесячной и среднегодовой скорости ветра по данным метеонаблюдений за 5-10 лет. Пересчет средней скорости ветра каждого месяца на предполагаемую высоту башни ветрогенератора. Распределение скорости ветра на высоте оси ветрогенератора по градациям для каждого месяца года. Построение розы ветров для исследуемой местности. Полученные ветроэнергетические характеристики позволяют оптимизировать выбор ветроэнергетического оборудования и, далее интегрировать его в систему электроснабжения предприятия» [43,42] 3.2 Выбор ветрогенератора Ветрогенератор в определенном смысле можно считать бытовым изделием, так как разрешений на его установку и эксплуатацию не требуется. Это важное достоинство ветряных источников энергии. Поскольку ветрогенераторы можно устанавливать и эксплуатировать без специальных 28 административных разрешений, то с их помощью можно получать практически бесплатную электроэнергию. Ветрогенератор не нуждается в топливе, не загрязняет окружающую среду и не создает чрезмерно большого шума. ВЭУ может использоваться для основного или резервного питания потребителей, удаленных от линий электропередач, а так же, в связи с постоянно растущими тарифами в целях экономии средств. В действительности ВЭУ объединяет в себе не только оборудование для производства и накопления электрической энергии, но и устройства, позволяющие получать напряжение со стандартными показателями качества электроэнергии. Например, в составе ВЭУ имеется аккумуляторная батарей (АКБ). Она заряжается на постоянном токе. Электрогенератор же, входящий в состав ВЭУ, вырабатывает энергию на переменном токе. Поэтому в составе ВЭУ имеется устройство, преобразующее систему напряжения переменного тока – в систему напряжения постоянного тока. Это – выпрямитель. Преобразование из постоянного тока в переменный (50 Гц, 220/380 В) осуществляется с помощью инвертора, который также является составной частью ВЭУ. Применение инверторов в составе ВЭУ обязательно, если электроприемники, получающие энергию от ветрогенератора, чувствительны к качеству питающего напряжения. Для питания крупных электропотребителей ВЭУ может использоваться в составе комплекса с дизельным или бензиновым генератором, солнечными батареями, а так же центральной сетью электроснабжения. Включаемый в систему дизельный или бензиновый генератор, солнечные батареи используются как резервные источники зарядки аккумуляторных батарей (далее АКБ) и для генерации необходимой электрической мощности, на случай длительного безветрия. Таким образом, создается надежная и экономичная система автономного гарантированного электроснабжения. 29 Параметры ветроэнергетической установки зависят от объема электроэнергии, который должен вырабатываться и ветроэнергетического потенциала места, где предлагается установка ветряка. Ветровой потенциал местности характеризуется значением среднегодовой скорости ветра Объем электроэнергии, который может быть произведен ветряком, зависит от площади поверхности лопастей, ометаемых ветром. Эта площадь определяется диаметром (или радиусом) ветроколеса [3, стр. 15]. Зависимость между скоростью ветра и электрической мощностью, вырабатываемой ветрогенератором, отражает формула: , (3.3) где – коэффициент использования энергии ветра; – радиус ветроколеса, ; – плотность воздуха (при нормальных условиях ); – среднегодовая скорость ветра ; – КПД электромеханического преобразователя энергии ( ). Определим критерии, в соответствии с которыми следует проводить выбор конкретной модели ветрогенератора. Первый критерий – это среднегодовая скорость ветра на установочной площадке. Второй критерий – величина, вырабатываемой электрической мощности. Третий – значение стартовой скорости ветра, варьирующейся для разных моделей в пределах от 2-х до 4-х м/с. Четвертый – номинальная скорость ветра, составляющая обычно 8 – 15 м/с. Среднюю годовую скорость ветра определяем с использованием шкалы Бофорта и данных, полученных путем наблюдения за видимым действием 30 ветра в течение года (рис. 3.2) на площадке, планируемой к установке ветрогенератора. Рисунок 3.2 – Средняя скорость ветра по месяцам Средняя годовая скорость ветра по шкале Бофорта и данным метеонаблюдений составляет =6 м/с. (3.4) Для выбора ветрогенератора можно использовать мощностную характеристику, наглядно отражающую возможности ВЭУ и представляющую собой зависимость вырабатываемой электрической мощности от скорости ветра. Данная характеристика обычно снимается экспериментально и приводится в техническом описании ветрогенераторов. На основе анализа данных, представленных на сайтах производителей, предварительно выбираем для альтернативного электроснабжения столярного цеха ветровую установку типа WH6.4-5000. На рисунке 3.3 приведена мощностная характеристика данной ВЭУ. Ветрогенератор WH6.4-5000 характеризуется номинальной мощностью 5 кВт. Функционирует при начальной скорости ветра в 2,5 м/с. На средней годовой скорости ветра в 6 м/с вырабатываемая мощность, равна примерно 10000 Вт. Для генерирования мощности в 14905Вт необходимо не менее двух «ветряков»: 31 Рисунок 3.3 – Мощностная характеристика ветрогенератора типа WH6.4-5000 Ветрогенераторы Weswen являются одними из самых передовых в мире, благодаря использованию запатентованного магнитного материала, а также специальных сплавов меди, авиационного алюминия и нержавеющей стали. Данные ветрогенераторы могут генерировать больше энергии, чем конкурентные модели. Коэффициент использования энергии ветра высок, при этом КПД генератора составляет более 80%. Вал и хвост крыла выполнены из стали, полюсной хвост – из марганцевой стали. Использование высококачественных материалов обеспечивает надежность и долговечность. Стабильная работа системы. В модели WH4.6-5000W и выше экономически обосновано использование интеллектуальной системы управления Siemens PLC, которая реализует функции: самозащиты, автоматического поиска оптимального направления ветра, мониторинг и т.д., это исключает рыскания вала ветрогенератора, обеспечивает плавное управление коробкой передач, что в свою очередь увеличивает надежность и срок службы всей системы. |