ресурсоснабжение. Разработка ветровой электростанции для промышленного предприятия г. Тольятти
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
3.8 Анализ результатов расчета характеристик ВЭУ Приведенный метод расчета позволил определить следующие параметры ветроэнергетической установки: Пиковую мощность столярного цеха; Количество энергии, потребляемой цехом в сутки; Номинальную мощность ветровой установки; Площадь, занимаемая одной ветровой установкой Аэродинамическую мощность; Площадь ротора; Диаметр ротора. Максимальная пиковая мощность за сутки составляет Вт. Значит мощность инвертора должна быть не менее Количество энергии, потребляемой цехом в сутки находится на уровне . На это значение необходимо ориентироваться при выборе комплектующего оборудования ВЭУ и расчете емкости аккумуляторной батареи. Номинальная мощность ветроэнергетической установки для автономного энергоснабжения цеха с учетом средней скорости ветра в регионе равна Площадь, занимаемая одной ветроустановкой с растяжками равна . Для ветровой электростанции в целом требуется Параметры ветроколеса должны быть следующими: Идеальная аэродинамическая мощность равна Ометаемая площадь должна быть равной Диаметр ветроколеса – Наружный диаметр ветроколеса 47 3.9 Выбор электрогенератора «Величина электрической мощности, вырабатываемая электрогенератором ветроэнергетической установки, во многом зависит от формы лопастей ветроколеса и кинетической энергии ветра» [8]. Определение кинетической энергии ветра производиться известному согласно выражению , (3.18) где – средняя скорость ветра, – ометаемая площадь ветроколеса (ВК) с горизонтальной осью вращения, перпендикулярно которой проходит ветровой поток; – масса воздуха, – плотность воздуха соответствующая нормальным климатическим условиям ( , давление равно ( )). Подставив в (3.18) значение массы воздуха и ометаемой площади ветрового колеса можно получить выражение для расчета механической мощности на валу электрогенератора: , (3.19) где – коэффициент использования энергии ветра [10]. Электрическая мощность из-за потерь в электрической и механической частях генератора несколько меньше: , (3.20) где – КПД механической передачи ветрогенератора; – КПД электрогенератора. Заменим в формуле (3.20) на выражение (3.19). Это подстановка дает возможность выявить функциональную связь между механическими и электрическими величинами ветрогенератора: (3.21) 48 Налицо явная связь между объемом вырабатываемой электроэнергии, диаметром ветроколеса и скоростью ветра. Помимо этого мощность электрогенератора ВЭУ зависит также от аэродинамических характеристик лопастей [9]. В нашем случае предполагается использование ВЭУ с горизонтальной осью вращения ветроколеса и крыльчатыми лопастями. Как уже отмечалось выше, такие ветрогенераторы характеризуются тем, что у них условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны и не зависят от положения ветроколеса. Аэродинамические параметры ветроколеса таких ветрогенераторов зависят лишь от скорости ветра. Данный факт, а также то, что ветроколеса этих ветряков имеют относительно высокий коэффициент использования ветра, а, следовательно, и более высокую энергоэффективность, обеспечили их повсеместное использование для бытовых и промышленных целей. [5]. «Мощность генератора ВЭУ пропорциональна скорости ветра в третьей степени. Поэтому при изменении скорости ветра в широком диапазоне происходят большие потери энергии в генераторах вследствие низких КПД на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют два генератора с номинальными мощностями ВЭУ. При слабых ветрах первый генератор отключается. В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра» [6, 10]. «На выбор генератора ВЭУ оказывают влияние три основных фактора: 1) Выходная мощность (кВт), определяется только мощностью инвертора и не зависит от потока ветра, ёмкости аккумуляторов. Еще её называют «пиковой нагрузкой». Параметр выходной мощности определяет максимальное количество электроприборов, которые могут быть 49 одновременно подключены к системе электроснабжения. Невозможно одновременно потреблять больше электроэнергии, чем позволяет мощность инвертора. Для увеличения выходной мощности возможно одновременное подключение нескольких инверторов» [4, 8, 10]. «2) Время безпрерывной работы при отсутствии ветра или при слабом ветре определяется ёмкостью аккумуляторной батареи (АБ) и зависит от мощности и длительности потребления. Если потребление электроэнергии происходит редко, но в больших количествах, то необходимо выбрать АБ с большой ёмкостью» [10]. «3) Скорость заряда АБ зависит от мощности самого генератора. Также этот показатель зависит от скорости ветра, высоты мачты, рельефа местности. Чем мощнее генератор, тем быстрее будут заряжаться АБ, а это значит, что быстрее будет потребляться электроэнергия из батарей. Более мощный генератор следует брать в том случае, если ветра в месте установки слабые или потребители потребляют электроэнергию постоянно, но в небольших количествах» [10]. Одним из ограничивающих факторов в ветряных колесах является сама конструкция генератора. Среди ученых нет единого мнения относительно однозначно лучшей конструкции генераторов для ВЭУ [15-17]. Существуют три основных типа генераторов, применяемых в ВЭУ. Они могут быть использованы для различных систем ветродвижетелей. Это: Генераторы постоянного тока; Синхронные генераторы; Асинхронные генераторы. В принципе, каждый из конструктивных вариантов генераторов может работать при фиксированной или переменной скорости. Сравним специфику применения указанных видов генераторов при их использовании в ветроэнергетических установках. а) Генератор постоянного тока 50 В машинах постоянного тока магнитное поле возникает в статоре. Ротор является якорем. На статоре располагаются явновыраженные полюса, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо с помощью электромагнита, имеющего обмотку постоянного тока. Довольно часто эта обмотка подключается параллельно якорю – это генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. В генераторе постоянного тока с параллельным возбуждением намагничивающий ток, следовательно, величина магнитного потока, зависит от скорости вращения ветрового колеса. При этом фактическая частота вращения ротора машины постоянного тока определяется балансом между крутящим моментом, создаваемым ветром, и тормозным моментом нагрузки. С ростом нагрузки величина магнитного потока будет снижаться, что приведет к уменьшению величины вырабатываемой ЭДС. Другим существенным недостатком генератора постоянного тока является наличие коллекторно-щёточного аппарата. В ходе эксплуатации генератора постоянного тока требуется регулярное обслуживание и замена щёток. Поэтому генераторы постоянного тока сами по себе из-за присутствия коммутаторов и щёток являются относительно дорогостоящими. В общем, применение генераторов постоянного тока в составе ветрогенераторов является нецелесообразным. Исключение могут составлять приёмники с низким потреблением электроэнергии. Например, это – устройства зарядки аккумуляторов или источники питания автономной системы отопления отдельного здания. б) Синхронный генератор Этот тип электрических машин наиболее часто используется в качестве генераторов на электростанциях вообще и в составе ветряков в частности. Главное их преимущество – возможность генерирования не только активной, но и реактивной мощности. Конструкции синхронных генераторов бывают разные: явнополюсные и неявнополюсные. Они различаются также системой возбуждения. Для ветряков не перспективно использовать возбуждение от 51 источника постоянного тока. Поскольку в этом случае мы будем иметь все недостатки системы с контактными кольцами и щетками. Лучше применять схемы генераторов на постоянных магнитах или схемы с бесконтактным электромагнитным возбуждением. В последние десятилетия, синхронные генераторы на постоянных магнитах (СГПМ) все чаще используются в ветрогенераторах. Неодимовые постоянные магниты (неодим – редкоземельный металл) на сегодняшний день являются самыми сильными постоянными магнитамина рынке. Кроме того, в ветрогенераторе очень важно, что не нужно применять системы самовозбуждения (электромагнита). В роторе устанавливаются постоянные неодимовые магниты, которые независимо от силы ветра постоянно «включены». При малейшем ветре, ветряк начинает производить электроэнергию и заряжать аккумуляторные батареи. Поскольку он обеспечивает более высокую производительность за счет более высокой эффективности, есть возможность получить много мощности, конструкция крепкая и устойчивая, так как у него на роторе находятся магниты и не имеется щеток. Структура СГПМ относительно проста. «Прочные постоянные магниты установлены на роторе для создания постоянного магнитного поля, и произведенная электроэнергия берется из якоря (статора) через использование коллекторных, контактных колец. Постоянные магниты могут быть установлены в цилиндрическом роторе из литого алюминия, чтобы снизить затраты. Принцип работы генераторов на постоянных магнитах аналогичен синхронному генератору за исключением того, что генераторы на постоянных магнитах могут работать асинхронно» [35, 42] Преимуществом СГПМ является то, что у них отсутствует коллектор, контактные кольца и щетки, поэтому машины прочны, надежны и просты. Целесообразно использовать эти машины с постоянными магнитами для непосредственного применения в ветровой установке. СГПМ имеет минимальные потери на трение, длительный срок эксплуатации, отсутствие 52 шума и вибрации при работе. Очевидно, что в этом случае синхронный генератор на постоянных магнитах выгодно использовать для ВЭУ. в) Асинхронный генератор «Асинхронный генератор, имеет простую конструкцию, надежность в обслуживании, невысокую стоимость относительно СГПМ. Применение асинхронного генератора (АГ) в ВЭУ ранее было менее распространено из-за отсутствия малогабаритных конденсаторов, обеспечивающих возбуждение генератора и компенсацию реактивной мощности нагрузки, а также из-за сложности стабилизации выходного напряжения. С появлением более компактных конденсаторов и новых систем стабилизации напряжения эти проблемы были решены» [46] Данный вид генераторов можно использовать только с приборами, не имеющими высоких стартовых токов и устойчивыми к незначительным перепадам напряжения. Такие генераторы стоят дешевле, чем синхронные и имеют более высокий класс защиты от внешних условий. Различают короткозамкнутые и фазные роторы в зависимости от типа обмотки. Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой статора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке статора, тоже принцип, что в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не поддается регулировке, поэтому частота и напряжение на выходе генератора зависят от частоты оборотов ротора, которые в свою очередь, зависят от стабильности работы двигателя ветроэлектростанции. АГ имеют малую чувствительность к К.З и высокую степень защиты от внешних воздействий. Цена генераторов такого типа ниже, что является плюсом Недостатки асинхронного генератора: генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы требуются конденсаторы; 53 ненадежность работы в экстремальных условиях; зависимость напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя. Выбор соответствующей схемы генератора зависит от типа подключения электрогенератора к сети. В случае автономных ВЭУ где энергия, вырабатываемая генератором используется для зарядки аккумуляторных батарей, наиболее выгодным становится использование генераторов на постоянных магнитах так как они не требуют применения дополнительных дорогостоящих выпрямителей и стабилизаторов напряжения. В случае прямого подключения ветроустановки в сеть, применение генераторов на постоянных магнитах вводит необходимость установки высокомощных инверторов что в свою очередь приводит к значительному удорожанию конструкции в целом и является нецелесообразным. При таком типе подключения ВЭУ как правило применяют более дешевые асинхронные генераторы. Выбор типа генератора в основном зависит от выбора типа подключения ветроустановки к сети. При подключении ветроустановки напрямую в сеть, наиболее целесообразно использование асинхронного генератора, не требующего дополнительных преобразующих ток устройств, однако если подключение ВЭУ в сеть используется с использованием массивов аккумуляторных батарей, применение данного типа генераторов становится нецелесообразным вследствие дороговизны высокомощных выпрямителей, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный [47] Обе машины имеют одинаковый КПД, но если рассматривать генератор не как отдельный механизм, а как часть ветроустановки, то наиболее эффективен СГПМ, потому что стабилизатор, требующийся для нормальной работы АГ, снижает КПД в большей степени, чем редуктор, необходимый для СГПМ. Если учитывать, что некоторые виды АГ требуют 54 использования не только стабилизатора, но и редуктора, то подразумевается ещё большее снижение КПД [46]. По итогам исследования можем сказать, что наиболее популярным как для проектирования, так и для использования в ветроэнергетической установке является синхронный генератор на постоянных магнитах, благодаря его высоким характеристикам. 3.9.1 Расчет синхронного генератора с постоянными магнитами Синхронный генератор на постоянных магнитах (СГПМ) приводится в движение от регулируемого привода с постоянной частотой вращения и имеет исходные данные, взятые из технических требований выбранного ветрогенератора (табл.3.1): активная мощность ; напряжение на выходе ; Частота переменного напряжения ; число фаз (с резервом перехода на ). Главными размерами СГПМ являются внутренний диаметр и расчетная длина . Эти параметры определяют из основного уравнения электрической машины. Машинная постоянная Арнольда: , (3.22) где – расчетная мощность; – расчетный коэффициент полюсного перекрытия ; – коэффициент формы поля ; – обмоточный коэффициент обмотки статора ; – линейная нагрузка статора ; – максимальное значение индукции в воздушном зазоре при номинальной нагрузке Расчетную мощность можно определить по формуле: 55 , (3.23) где – коэффициент, характеризующий внутреннюю ЭДС якорной обмотки, принимаем равным 1,2, согласно расчетным данным для СГПМ. Главные размеры рассчитываются исходя из мощности при трехфазном питании. Рассчитаем соотношения между однофазным и трехфазным питании: , (3.24) Обычно при отстающем токе принимаем : Значения расчетного коэффициента полюсного перекрытия зависит от числа пар полюсов p, которое определяют из соотношения : (3.25) Между главными размерами синхронного генератора есть соотношение: , (3.26) , (3.27) Если соединить эти соотношения (3.26) и (3.27) то получим выражение: , (3.28) Соотношение λ – зависит от числа пар плюсов. для выпускаемых СГПМ это значение обычно равно . Тогда расчетная длина, выраженная из формулы (3.28) будет равна: , (3.29) Если подставить выражение (3.29) в уравнение машинной постоянной Арнольда (3.22), то получим следующее выражение: , (3.30) 56 Округлим значение Рассчитаем полюсное деление по формуле (3.27): Найдем расчетную длину статора, из выражения : Округляем значение Главными размерами синхронного генератора на постоянных магнитах являются внутренний диаметр и расчетная длина . Путем расчетов по уравнению машинной постоянно Арнольда мы получили, что внутренний диаметр , а расчетная длина 3.9.2 Расчет параметров ротора для синхронного генератора «По стандарту постоянные магниты для синхронных генераторов выпускаются призматической формы. Широкое применение нашли сборочные конструкции роторов синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов типа «звездочка». Данная конструкция ротора типа «звездочка» содержит намагниченные в радиальном направлении постоянные магниты, которые своими внутренними торцами примыкают к магнитомягкой втулке, закрепленной на валу генератора»[47]. Для расчета ротора нам потребуется найти следующие значения выражений: 1. Воздушный зазор между статором и ротором принимаем равным 2. Рассчитаем наружный диаметр ротора: , (3.31) где D – внутренний диаметр генератора ; Подставляем в формулу и получаем, что: 57 Округлим значение м 3. Определим расчетный коэффициент полюсного перекрытия: , (3.32) где – конструктивный коэффициент полюсного перекрытия Подставляем значения и получаем: , 4. Рассчитаем ширину полюса по формуле: , (3.33) Расчетная длина ротора равна длине статора т. е Наружный диаметр ротора м Определили расчетный коэффициент полюсного перекрытия Ширина полюса Длина ротора м. 3.10 Применение редукторов в ветроустановках «Ветер, как альтернативный источник энергии, в последнее время приобретает все большую популярность. Одними из важнейших характеристик, которые определяют ценность этого природного явления, представляют собой его направление и скорость. Но в виду непостоянства природных условий приходится прибегать к разного рода техническим приемам для устранения имеющихся проблем. Одной из таких проблем в ветроэнергетике является небольшая скорость вращения ветродвигателя, причем, чем больше габариты установки, тем сильнее проявляется этот недостаток. Решением, отчасти, может служить механический редуктор или, по-другому, мультипликаторы» [5-10] 58 Разделяют ВЭУ на два типа: редукторные (соединение ротора с генератором через редуктор) и безредукторные (с прямым соединением генератора и ветроколеса). Рассмотрим достоинства редукторных ВЭУ: Позволяют получать большие моменты на единицу массы; Небольшая стоимость. Недостатки: Низкий КПД; Быстро выходят из строя; Создают высокий уровень шума; Достоинства безредукторных ВЭУ: Низкий уровень шума; Могут работать при малых скоростях ветрового потока; Долговечны в использовании; Конструкция позволяет избежать потерь, характерных редукторным ветроэнергетическим установкам; Недостаток: Высокая цена; Редукторы имеют простой принцип работы, но сами по себе весьма сложные устройства. Они служат механизмом для передачи и преобразования крутящего момента. Для преобразования вращения вала ветрогенератора используется механическая передача. Редукторы бывают с различным типом используемой передачи: а) Цилиндрические – самый распространенный тип редуктора за счет простоты и высокого КПД. Имеют длительный ресурс эксплуатации. Такие редукторы применяются при сложных режимах работы, для преобразования и передачи больших мощностей, эффективны при не прерывных промышленных процессах. КПД такого редуктора может достигать 98%, это зависит от его передаточного числа. 59 б) Червячные – редуктор называется червячным по виду червячной передачи, находящейся внутри редуктора, передающей и преобразующей крутящий момент. У таких редукторов высокое передаточное отношение, большое тепловыделение и относительно низкий КПД. При серьезных нагрузках такой тип редукторов не используется. в) Планетарные – они имеют большую нагрузочную способность, небольшой вес, люфт и сравнительно малые габариты, а также позволяют получить большие передаточные числа. г) Конические – этот тип редукторов применяют в том случае, если есть необходимость в изменении направления кинетической передачи. Конический редуктор имеет следующие параметры: невысокая окружная скорость, средний уровень надежности, точности и металлоемкости, сравнительно низкая себестоимость и трудоемкость. Могут непрерывно работать при высоких оборотах. д) Комбинированные – представляют собой сочетание зубчатых (цилиндрических и конических) и червячных передач, например, коническо- цилиндрический или червячно-цилиндрический редукторы. Они имеют выгодное соотношение технических характеристик, габаритов и стоимости. «Безредукторные ВЭУ предусматривают установку электромагнитного подвеса ротора. Это решает ряд проблем: износ рабочих поверхностей, вибрации, шумность, затраты энергии на трение, затраты на смазочные материалы После сравнения редукторных и безредукторных ветроэнергетических установок можно сделать вывод, что, несмотря на все свои недостатки, редукторные установки еще не скоро будут вытеснены безредукторными, но и в силу своих особенностей могут остаться конкурентоспособными еще долгое время» [5, 35, 48] |