ресурсоснабжение. Разработка ветровой электростанции для промышленного предприятия г. Тольятти
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
3.3 Дополнительно оборудование ветроэнергетической установки Дополнительное оборудование в базовый комплект не входит, так как для различных ветровых условий и электрических нагрузок на одну и ту же модель ВЭУ возможна установка различных по мощности инверторов и различного количества аккумуляторов. Дополнительное оборудование подбирается индивидуально для каждого объекта. «Аккумуляторные батареи – накапливают электроэнергию для использования в безветренные часы. Также они выравнивают и стабилизируют выходное напряжение генератора. Благодаря АКБ можно получить стабильное напряжение без перебоев даже при порывистом ветре» [35, 36]. В безветренную погоду питание электроприемников осуществляется от аккумуляторных батарей. Стабильную и надежную работу ветрогенераторов гарантируют также разные типы аккумуляторных устройств. Среди них отмечают: Автомобильные стартерные АКБ, которые относятся к самым простым видам батарей. Они подразделяются на обслуживаемые и герметизированные. Первый вид АКБ, выдерживающий до 100 циклов разрядов, предусматривает регулярную проверку уровня электролита и ежегодное наполнение дистиллированной водой, соответствующей требованиям ГОСТа. Герметизированные устройства представляют необслуживаемый вид батарей, выдерживающих до 200 циклов разрядов. После выработки ресурса подлежат утилизации. Гелевые АКБ относятся к необслуживаемому виду химических источников электрической энергии. Они отличаются наличием специального загустителя селикогеля в составе кислотного электролита и повышенной чувствительностью к перезарядам. Пластины производятся обычной штамповкой или с использованием «намазной» технологии. Низкое значение конечного напряжения, по сравнению с другими типами АКБ, обеспечивает небольшое количество циклов разрядов, которое варьируется в пределах 350 раз. 33 Помимо АКБ и аккумуляторов в состав ВЭУ могут входить следующие устройства. Стабилизатор напряжения (с расширенным диапазоном входящего напряжения), позволяющий при его использовании в составе различных систем гарантированно получать на выходе с генератора напряжение уровня 220/380В. Данное устройство обычно применялось ранее в системах, где для приемников стабильное напряжение являлось важным. Управляющие устройства, которые могут, например, сочетать в себе мощную систему возбуждения асинхронного генератора и мощное выпрямительно-зарядное устройство с ШИМ-регулированием. Основным преимуществом данных устройств является возбуждение асинхронного генератора всего при трех оборотах ветроколеса. Уже при столь малых оборотах создается ток, достаточный для устойчивой зарядки АКБ. «АВР – автоматический ввод резервного источника питания. Производит автоматическое переключение между несколькими источниками электропитания за промежуток в 0,5 секунды при исчезновении основного напряжения. Позволяет объединить ветрогенератор, электросеть, дизель- генератор и другие источники питания в единую автоматизированную систему. АВР не позволяет работать сети одного объекта одновременно от двух разных источников питания» [40]. Выпрямитель – выпрямляющий выходное напряжение электрогенератора переменного тока, для последующей передачи в АКБ или на инверто.р (для повышения качества напряжения, вырабатываемого ветряком) Инвертор – осуществляет преобразование постоянного тока выпрямителя или аккумуляторной батареи в переменный. Электрооборудование столярного цеха функционирует на переменном токе. Поэтому наличие инвертора – обязательное условие. 34 Инверторы бывают разных типов. Поскольку нагрузка столярного цеха – трехфазная, то нужен инвертор, на выходе у которого – 3-х фазная система напряжения. В настоящее время наиболее широко распространены автономные инверторы напряжения, в которых в качестве коммутирующих ключей работают биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT- транзисторы). Посредством системы управления каждый из электронных ключей периодически подключается к постоянному напряжению, имеющему место на выходе неуправляемого выпрямителя. Другими словами, с помощью ШИМ-модулирования формируется трехфазное напряжение переменного тока, первая гармоника которого имеет амплитуду и частоту, как у сетевого напряжения. На наш взгляд, что в состав ВЭУ должен входить инвертор именно рассмотренного здесь типа. 3.4 Монтаж ветрогенератора «Ветрогенератор рекомендуется устанавливать на возвышенностях и как можно дальше от естественных и искусственных препятствий, чтобы получать максимально высокую скорость ветра. Независимо от местности под размещение ветряков, чем ближе к поверхности земли он устанавливается, тем меньше скорость ветра. На рисунке 3.4 визуально представлено, что на высоте скорость ветрового потока намного больше, чем на поверхности земли. Это результат действия силы трения у земной поверхности и существования препятствий на поверхности земли. Из-за этих препятствий возникают турбулентности, которые снижают эффективность любого ветроколеса. Поэтому размещать ветряк лучше на площадке, где для ветров существует как можно меньше помех. То есть, лучше всего расположить ветроустановку на возвышенности » [40]. 35 Рисунок 3.4 – Плотность ветрового потока, % В нашем случае предполагается установка ветрогенераторов на крыше столярного цеха. Энергия ветра – это кубическая функция скорости ветра. Поэтому даже незначительные изменения скорости ветра могут вызвать существенные изменения выходной мощности. При удвоении скорости ветра выходная мощность возрастает в несколько раз. Очевидно, следует обратить пристальное внимание на то, что даже незначительное изменения ветра имеют существенно изменить эффективность использования ветряка. При установке на земле учитывают также и характеристики почвы места размещения ветрогенератора. Рыхлый песчаный грунт, неоднородные почвы и почвы, легко изменяющиеся в зависимости от погодных условий, не подходят для установки ветрогенератора, если не принять меры по укреплению фундамента, например сваями. Поскольку при работе ветрогенератора имеют место заметные вибрации и расшатывание элементов опоры. При выборе места установки необходимо учитывать расстояние между ветрогенератором и дополнительным электрооборудованием. Чем короче это расстояние, тем меньшей длины потребуется кабель. В итоге будет меньше потерь энергии при передаче. Если это расстояние будет большим, то лучше использовать для передачи кабель с большим поперечным сечением.[40] 36 Установку ветрогенератора должны производить специально подготовленный персонал, соблюдая все необходимые требования безопасности при проведении работ. Работы по установке должны производится в сухую погоду, скорость ветра не должна превышать Все работы должны быть прекращены при скорости ветра больше 3.5 Общие правила безопасности при монтаже ветроэнергетической установки 1) Меры предосторожности «Процесс эксплуатации ветроэнергетической установки требует внимательного и ответственного отношения. Устройства, входящие в ее состав могут представлять при неправильной эксплуатации или в тяжелых погодных условиях источник повышенной опасности» [43]. Регулярно проводите техническое обслуживание оборудования. Не пытайтесь выполнять ремонт или обслуживание ветроэнергетической установки самостоятельно. Данные работы должен выполнять профессиональный персонал. Проверьте состояние основных узлов оборудования при его получении. Не допускайте к эксплуатации ветроэнергетической установки лиц, не получивших необходимые инструкции. Не допускайте детей к компонентам ветроэнергетической установки, независимо от состояния системы. Перед началом эксплуатации необходимо тщательно осмотреть ветрогенератор, убедиться в надежности крепления лопастей, мачты, и всех фланцевых соединений. Проверить, не повреждена ли изоляция проводов; Во время работы ветрогенератора не допускается прикасаться к проводам, и работающей турбине. 37 Запуск ветрогенератора должен производиться без подключенной нагрузке. Мощность предполагаемой нагрузки не должна превышать мощность подключенного к системе инвертора. 2) Электрическая безопасность «Ветрогенератор оборудован сложными электронными устройствами, при разработке которых обеспечивалась защита от электрических источников опасности, связанных с чрезмерными токами. При подключении этих и любых других электротехнических устройств помните, что существуют риски, создаваемые для людей протеканием электрического тока. Выделение тепла в электротехнических системах часто является результатом протеканием чрезмерного тока по проводам с недостаточным сечением или через плохие контакты. Аккумуляторы могут выбрасывать токи опасной величины. В случае короткого замыкания в проводах, идущих от аккумулятора, может возникнуть пожар. Чтобы устранить этот риск, необходимо установить в цепях, подключаемых к аккумулятору, плавкие предохранители или автоматические выключатели соответствующего номинала» [39, 40]. Не прикасаться к оголенным электрическим проводам и отсоединенным разъемам. Не прикасаться к компонентам ВЭУ, если у вас влажные руки или ноги. Не допускать попадания на компоненты ВЭУ (за исключением ветрогенератора и мачты) жидкости и атмосферных осадков и не ставить их на влажный пол. Следить за тем, чтобы электрические провода и разъемы были в исправном состоянии. 38 Не использовать находящееся в неисправном состоянии оборудование: это может привести к аварии и поражению электрическим током. Не подключайте ВЭУ к другим источником электрического питания, например, к местной электросети. В тех случаях, когда предусмотрено резервное подключение другого источника, оно должно выполняться квалифицированным персоналом с учетом особенностей работы оборудования. Подключение к распределительным сетям объекта должно производиться при монтаже ветроэнергетической установки квалифицированным персоналом в строгом соответствии с нормами и правилами устройства электроустановок. Держать любое легковоспламеняющиеся и взрывоопасное вещество (бензин, масло, ветошь и т.п.) вдали от компонентов ВЭУ. Запрещается эксплуатировать компоненты ВЭУ во взрывоопасной среде, так как в ее электрических частях возможно искрение. Запрещается отключать аккумуляторные батареи от дополнительного оборудования при подключенном к нему генератору, это приведет к выходу из строя оборудования. 3) Механическая безопасность «Вращающиеся лопасти представляют собой, большую опасность. Лопасти ротора ветрогенератора изготовлены из очень прочного материала. Скорость движения лопастей по наружному диаметру вращения может превосходить . При такой скорости лопасти могут нанести серьезную травму. Ни при каких обстоятельствах не следует устанавливать турбину в таких местах, где возможен контакт человека с движущимися лопастями ротора» [40] Нельзя устанавливать турбину таким образом, что бы кто-нибудь мог оказаться на пути движения лопастей. 39 Запрещается останавливать ветроколесо при работе ветротурбины, это очень опасно. Необходимо производить все работы по обслуживанию ветрогенератора только при полной остановке ветроколеса и в безветренную погоду. 4) Безопасность при эксплуатации Соблюдать в процессе установки и эксплуатации, следующие требования техники безопасности: Производить работы в безветренный день. Установку следует выполнять на уровне земли. На протяжении всего процесса установки аккумуляторы должны быть отсоединены. Регулярно (1 раз в год) проверяйте опорные конструкции, лопасти и электрические системы. Лопасти ротора очень прочны, однако, если они войдут в контакт с твердым предметом, они могут сломаться. Чтобы обеспечить безопасную работу, руководствуйтесь при выборе места для турбины здравым смыслом. Для новых турбин требуется кратковременный период обкатки, лишь после этого они достигнут пиковой эффективности. 3.6 Определение технических характеристик ВЭУ 3.6.1 Площадь под размещение ВЭУ Определим площадь земли непосредственно занимаемой ветрогенератором. Это – сумма площадей сечения нижнего основания мачты и территории, занимаемой растяжками . Из технических характеристик ветрогенератора (табл. 3.1) возьмем нужные значения для расчета: диаметр трубы мачты, ; 40 высота мачты, ; угол растяжки, Таблица 3.1 – Технические характеристики ветрогенератора WH6.4-5000W Номинальная мощность 5000 Вт Максимальная выходная мощность 7500 Вт Зарядное напряжение Постоянный ток 180 В Выходное напряжение Переменный ток 180В Лопасти/ колчество 3 Материал лопасти Армированный стекловолокном пластик Лопасти несущего винта диаметра 6,4 м Начальная скорость ветра Номинальная скорость ветра Номинальная скорость вращения Регулировка скорости (защита) Механическая + ручная Коэффициент исп. энергии ветра 40% Выход генератора Трехфазный переменный ток Частота выхода напряжения 0-360Гц Расчетный ток 20.0 А Максимальный ток (кратковременно) 32 А Уровень шума (при скорости ветра 5 м/с) 34 дБ Эффективность преобразования генератора 80% 41 Продолжение таблицы 3.1 Тип и вес генератора Трехфазный генератор на постоянных магнитах, вес147 кг Свободно стоящая матча - диаметр Ø495∙ Ø185/2шт. Высота мачты 12 м Рекомендуемые батареи 400/ 600 А∙ч Гарантия От 12 месяцев до 5 лет Площадь сечения мачты : , (3.5) где – диаметр трубы мачты. Определим площадь, занимаемой растяжками (3.6) где – высота мачты, – угол растяжки. Площадь под установку растяжек равна площади вписанного в окружность квадрата со сторонами (рис.3.5): (3.7) Рисунок 3.5 – Схема расположения фундаментов под мачту и растяжки 42 По результатам расчета получаем что, площадь земли занимаемой ВЭУ складывается из площади сечения мачты (3.5) и территории под растяжки (3.7). Сумма этих значений равна 74,7 . Эта площадь, требуемая для установки одной ВЭУ. Для расположения ветровой электростанции на территории промышленного предприятия, состоящей из 2 «ветряков», понадобится место в два раза больше, т.е. 149,4 Выбор места для установки ветроэлектростанции должен производится в благоприятных условиях с высоким ветровым потенциалом, чтобы обеспечивать экономическую целесообразность установки. Наиболее благоприятными условиями считаются возвышенности и равнинные участки. Мы предполагаем, установить альтернативное электроснабжение на крыше предприятия, тем самым создадим условия для выработки электроэнергии для столярного цеха. Это место ограждено и недоступно для посторонних лиц, удалена от жилых зданий, тем самым обеспечивает снижение уровня шума ветроустановки до 45 дБ. На крыше нет линий электропередач, магистральных газопроводов, кабельных и водопроводных трасс. Что создает идеальное условие для монтажа и выработки электроэнергии ветролектростанции. 3.7 Аэродинамические параметры ВЭУ 3.7.1Аэродинамичекая мощность Характеристики ветрогенератора зависят от его аэродинамических особенностей. Электрическая мощность ВЭУ связана с аэродинамической мощностью через коэффициент использования энергии ветра (3.8) Реальный горизонтально-осевых установок изменяется в пределах . Максимальное возможное значение коэффициента использования 43 энергии ветра, определяемое расчетным путем по Жуковскому-Бетцу равно . На практике это значение получить нельзя из-за возникающих потерь. Аэродинамическая мощность является энергией набегающего потока ветра, передаваемой ветроколесу за 1 секунду: (3.9) где – аэродинамическая мощность, Вт; – плотность воздуха, проходящего через ротор (принимается в сухом воздухе при температуре и давлении ), – скорость ветрового потока до встречи с ротором, ; – масса воздуха, проходящего через ротор за 1 секунду, кг; – объем воздуха, проходящий через ротор за 1 секунду, ; – ометаемая ветром площадь ветроколеса. Площадь, ометаемая ветром, для горизонтально-осевых установок равна (3.10) где – диаметр ветроколеса. Для расчетов нам потребуются технические характеристики ветрогенератора WH6.4-5000W, приведенные в табл. 3.1: Номинальная мощность ВЭУ – ; Номинальная скорость ветра – Из формулы (3.8) находим идеальную аэродинамическую мощность при идеальном коэффициенте использования ветра по Жуковскому: (3.11) Из формулы (3.9) находим ометаемую площадь ротора : (3.12) В действительности ометаемая площадь должна быть на 33–35% больше по сравнению с идеальной, так как реальный коэффициент использования ветра не превышает 65–67% от идеального. 44 (3.13) Из формулы 3.10 находим диаметр ротора : (3.14) Наружный диаметр колеса найдем по формуле: , (3.15) где – коэффициент в рабочей точке принимаем Округляем значение Радиус ветроколеса соответственно Таким образом, разрабатываемая ВЭУ имеет следующие аэродинамические характеристик: аэродинамическая мощность ; ометаемая площадь ветроколеса ; диаметр ротора Наружный диаметр ветроколеса 3.7.2 Методика расчета ветроколеса с горизонтальной осью вращения Методика предлагает вести расчет ветроколеса по двум уравнениям. Первое уравнение гласит о том, что осевая составляющая силы реакции потока на лопасти, находящиеся в зоне кольцевой струи (рис 3.6) равна силе от воздействия разности давлений перед и за ветроколесом на площадь сечения кольцевой струи плоскостью вращения колеса. Первым уравнением является выражение: (3.16) 45 Рисунок 3.6 – Ветроколесо горизонтального типа: 1 – промежуточное сечение; 2 – Элементарная лопасть; 3– коневое сечение; 4 – периферийное сечение; 5 – кольцевая струя Второе уравнение отражает теорему об изменении момента количества движения. Данная теорема в применении к ветровому колесу формулируется следующим образом: момент относительно оси ветряка аэродинамических сил, действующих на лопасти (рис. 3.6), равен по величине и противоположен по знаку моменту количества движения, получаемого кольцевой струёй, увлеченной ветряным колесом. Вторым уравнением является выражение: (3.17) Уравнения (3.16) и (3.17) представляют собой основу для аэродинамического расчета ветроколеса. Предложенная методика позволит рассчитать аэродинамику ветроколеса с горизонтальной осью вращения. В нашем случае можно избежать громоздких расчетов. Так как, предполагается использовать |