ресурсоснабжение. Разработка ветровой электростанции для промышленного предприятия г. Тольятти
 Скачать 2.93 Mb.
|
|
3.11 Выводы к третьему разделу Номинальная мощность ветроэнергетической установки для автономного энергоснабжения цеха с учетом средней скорости ветра в регионе равна 15 кВт. Площадь, занимаемая одной ветровой установкой с растяжками равна 74,7 . Для размещения ветровой электростанции в целом понадобиться Параметры ветроколеса должны быть следующими: Идеальная аэродинамическая мощность должна составлять = 8432 Вт. Ометаемая площадь лопастей ветроколеса равна S=18,6 Диаметр ветроколеса равен D= 5 м. Параметры синхронного генератора для ротора и статора: Внутренний диаметр ротора ; Расчетная длина ротора равна длине статора т. е ; Наружный диаметр ротора м; Расчетный коэффициент полюсного перекрытия ; Ширина полюса Перечисленным параметрам вполне соответствует ветрогенератор типа WH6.4-5000W, который при среднегодовой скорости ветра, характерного для нашей области, должен вырабатывать 10000 Вт. Для нагрузки столярного цеха, равной 15кВт, предполагается установка двух ветрогенераторов. В состав ветроэнергетической установки необходимо включить дополнительные элементы, основные из которых изображены на структурной схеме системы альтернативного электроснабжения столярного цеха (рис. 3.7). 61 ВК — ветроколесо; Г — генератор; В —выпрямитель; АБ – Аккумуляторные батареи; И — инвертор; К – Контроллер; С – Сеть; Ш – общие шины; ЭП – Электрический потребитель Рисунок 3.7 – Структурная схема альтернативного электроснабжения объекта на основе ВЭУ Основными структурными элементами, обеспечивающими преобразование энергии ветра в электрическую, являются ветроколесо и синхронный генератор на постоянных магнитах. Для получения качественного напряжения на шинах электропотребителя ставим инвертор на полностью управляемых элементах. В настоящее время – это IGBT- транзисторы. Между инвертором и синхронным генератором предусматриваем звено постоянного тока, реализуемое за счет использования неуправляемого выпрямителя. К нему подключаем аккумуляторную батарею, управляемую микропроцессорным контроллером и обеспечивающую электроснабжение нагрузки при отсутствии ветра. 62 Помимо перечисленных элементов в состав ветроэнергетической установки, обеспечивающей питанием столярный цех, включаем высокоскоростной редуктор. На схеме (рис.3.7) он не показан, так как данный элемент не всегда всходит в состав ВЭУ. 63 4 Оценка технико-экономических показателей ВЭУ 4.1 Математическое моделирование ВЭУ Оценку работоспособности ВЭУ проведем, используя один из наиболее актуальных и универсальных исследовательских методов – математическое моделирование. Для реализации данного вида исследования необходимо сначала разработать модель ветроэнергетической установки, которая должна учитывать каталожные данные выбранного в главе 3 горизонтального ветрогенератора WH6.4-5000W. Дифференциальное уравнение движение ветрогенератора имеет вид , (4.1) где – суммарный приведенный к валу генератора момент инерции, ; – механический момент ветроколеса, ; – электромагнитный момент электрогенератора, ; – частота вращения вала генератора, Выполнив подстановку , запишем уравнение (4.1) в операторной форме (4.2) Структурная схема, характеризующая рабочий процесс в электроустановке, представлена на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 – Структурная схема ветроэнергетической установки 64 Найдем передаточную функцию для механической части ветрогенератора: , (4.3) где – результирующий момент на валу электрогенератора, создаваемый от вращения ветроколеса и действием электромагнитного момента синхронного генератора. Умножим числитель и знаменатель выражения (4.3) на , получим следующее выражение: (4.4) Вынесем коэффициент в знаменателе за скобку , получим следующее выражение для передаточной функции : , (4.5) где – постоянная времени механической части ветрогенератора. Отразим введенные упрощения на структурной схеме (рис.4.2) Рисунок 4.2 – Структурная схема ветроэнергетической установки с упрощением механической части 65 Положительный механический момент, создаваемый ветряным колесом, зависит от его радиуса (R), плотности воздуха ( ) и скорости ветра (v): (4.6) В данную формулу входит коэффициент мощности ветрового колеса , величина которого нелинейно связана с такими коэффициентами, как быстроходность ( ) и угол атаки лопастей ( ) 20 . Из паспортных данных ветрогенератора известны: Коэффициент использования мощности равен ; Радиус ветрового колеса м; Номинальная скорость вращения рад/с (240 об/мин); Максимальная скорость ветра =20 м/с, Плотность воздуха Выполнив подстановку указанных параметров в формулу (4.3) получаем значение двигательного момента на валу электрогенератора: (4.7) Суммарный момент инерции равен сумме моментов инерции вала генератора и ветрового колеса. Поскольку диаметр ветрового колеса существенно превышает диаметр ротора электрогенератора, то при моделировании будем использовать только значение момента инерции ветрового колеса (4.8) Коэффициент трения составляет 2-5% от номинальной мощности ветроэнергетической установки, что приблизительно равно 5=0,019. (4.9) Модель будем создавать в приложении Simulink программы Matlab. 1) Для моделирования ветра будем использовать генератор нормально- распределенных случайных величин. Среднее значение случайной 66 последовательности соответствует средней годовой скорости ветра на территории завода (6 м/с). 2) Для имитации генератора и нагрузки будем использовать виртуальные блоки этих элементов из библиотеки SimPawerSystem. Рисунок 4.4 отображает схему разработанной модели. На приведенной виртуальной схеме выделены следующие структурные части: а – электрогенератор и нагрузка; б – ветер; в – ветроколесо; г – механическая часть. На рисунке 4.4 показаны результаты моделирования. Рисунок 4.3 – Результаты моделирования: а – скорость ветра, б – скорость вращения вала синхронного генератора, в – генерируемое напряжение Как видно из графиков, скорость вращения электрогенаратора меняется в соответствии с изменением скорости ветра. Этот результат соответствует реальности. Поэтому данная модель может применяться в качестве основы для решения более сложных задач. Например, ее можно использовать при проектировании контура стабилизации частоты вращения электрогенератора Рисунок 4.4 – Модель ветроэнергетической установки в приложении Simulink программы Matlab 4.2 Оценка экономических показателей от внедрения ВЭУ К основным критериям технико-экономической эффективности ветроэнергетических установок можно отнести главные факторы: годовые затраты на 1 кВт установленной мощности; стоимость 1кВт∙ч электроэнергии. Данные критерии определяются по методике [3, с 45-47] и состоят из следующих выражений: , (4.10) где Р– установленная мощность объекта электроснабжения, кВт; – общие капиталовложения, руб.. , (4.11) где – стоимость комплектного оборудования, руб.; – стоимость проектных работ по определению места установки на местности, руб.; – стоимость строительных и монтажных работ по установке ветровой электростанции, руб.; – нормативный коэффициент рентабельности; – экономический срок службы оборудования, лет. – общегодовые эксплуатационные расходы, руб. , (4.12) где – годовые расходы на эксплуатацию системы электроснабжения, руб; – годовые расходы на плановый ремонт, руб.; Себестоимость 1 кВт∙ч электроэнергии рассчитывается по формуле: , [руб/кВт∙ч]; (4.13) – общее количество электрической энергии, вырабатываемое электростанцией в год. 69 Экономический анализ автономного электроснабжения, при существующих в России экономических условиях в этой области, может быть в большинстве случаев вести к сокращению бюджетных дотаций. Соответственно, говорить о прибыльности производств электроэнергии в изолированных системах электроснабжения чаще всего не приходится. Нормальный коэффициент рентабельности в таких ситуациях целесообразно выбирать исходя из срока службы оборудования. Срок службы основного оборудования ветряной электростанции составляет Т=20 лет, соответственно нормативный коэффициент рентабельности равен Для эксплуатации ветряной электростанции необходимо два специалиста со средней заработной платой 25000 рублей в месяц, что составит 300000руб. Затраты на текущий ремонт могут быть приняты в размере 1% от стоимости оборудования, что составит 19 168 руб. в год Общая сумма годовых эксплуатационных затрат рассчитаем по формуле (4.9) Рассчитаем годовые затраты на 1 кВт установленной мощности по формуле (4.7) Себестоимость производимой электроэнергии рассчитывается по формуле (4.10) Далее рассчитаем экономию электроэнергии в натуральном эквиваленте за год по следующей формуле: , (4.14) где – экономия электроэнергии в натуральном эквиваленте за год, кВт∙ч; – установленная мощность оборудования, кВт; 70 – количество электрооборудования; – средняя продолжительность часов работы ВЭУ в году, определяется как произведение количества дней работы ВЭУ в году на количество часов работы в день (315 дней 7 часов в день) В перерасчете на топливный эквивалент годовая экономия составит: (4.15) Таблица 4.1 – Экономические характеристики ВЭС Наименование электроприбора Количество, шт. Цена за шт., руб. Сумма, руб. Ветрогенератор WH6.4-5000W https://tiu.ru/p34520148- vetrogenerator-wh64- 5000.html 2 689 790 1 379 580 Мачта 12 м 2 78 600 157 200 Инвертор МАП SIN HYBRID 48В 20кВт Микро Арт 1 195 900 195 900 Аккумуляторная батарея VOLTA ST 12- 200 200 А∙ч 12 В 6 30 680 184 080 Итого оборудование 1 916 760 Строительно- монтажные работы (20% от стоимости оборудования) 383352 Итого 2 300 112 Экономия в денежном эквиваленте будет рассчитываться следующим образом: , (4.16) 71 где – тариф на электроэнергию, руб. В нашем регионе средняя цена электроэнергии равна =4 руб/кВт∙ч. Срок окупаемости рассчитывается как отношение общих капиталовложений к экономии за год в денежном эквиваленте: (4.17) Срок окупаемости рекомендуется округлять до целых чисел, т. е. в данном случае срок окупаемости равен 2 года. Гарантийный срок службы ВЭУ 20 лет Сведем результаты расчета в свободную таблицу 4.2 Таблица 4.2 – Свободная таблица результатов технико-экономического расчета Капиталовложения, руб. Экономия в в год, руб. Эксплуатационные затраты, руб. Срок окупаемости 2 300 112 1 190 700 319 168 2 года 4.3 Выводы к четвертому разделу 1) На основе данных математического моделирования можно сделать вывод, что предложенный вариант ветроэнергетической установки способен обеспечить электроснабжение столярного цеха. 2) Экономический расчет показал, что при установке ветроэлектростанции для альтернативного электроснабжения столярного цеха, капитальные затраты составят 2300112 руб. 3) Годовой потенциал энергосбережения от внедрения ВЭУ в стоимостном выражении составит 1190700 руб. 4) Срок окупаемости данного мероприятия находится на уровне около двух лет. 72 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. В рамках программы энергосбережения ООО «Тольяттинский трансформатор» и снижения электропотребления из энергосистемы предложено использовать альтернативное электроснабжение столярного цеха предприятия. 2. Определены потребности столярного цеха в электроэнергии, так в течении суток пиковая мощность составляет , а количество энергии, потребляемой ежечасно равно 3. На основе проведенного анализа для альтернативного электроснабжения столярного цеха выбрана ВЭУ с ветрогенератором горизонтально-осевого типа, обладающего большим КПД по сравнению с вертикально-осевым вариантом. 4. Обосновано, что для электропитания выбранного объекта целесообразно использовать ветрогенератор с повышающим редуктором и синхронным электрогенератором с возбуждением от постоянных магнитов. 5. Аргументировано, что для обеспечения потребностей в электроэнергии столярного цеха подходят два ветрогенератора модели WH6.4-5000W, характеристики которого соответствуют требованиям, изложенным в п.2 – п.5. 6. Разработана математическая модель ветроэнергетической установки, учитывающая параметры ветрогенератора типа WH6.4-5000W и состоящая 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, которая может использоваться для проверки работоспосбности ВЭУ и проектирования системы управления ветрогенеатором. 73 7. Оценен экономический эффект от внедрения ВЭУ на предприятии, который показал, что годовая экономия электроэнергии составит примерно , а срок окупаемости не превысит двух лет. 8. Цель работы достигнута. Все задачи решены. Выводы 1 и 3 определяют практическую значимость работы. Вывод 6 отражает новизну работы. 74 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Безруких П. П. Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов. М. : Институт устойчивого развития, 2014. 74 с. 2. Токарева Е. А. Выбор ветроэнергетичсекой установки // «Студенческие Дни науки в ТГУ» : сборник студенческих работ. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2018. 621с. С.151-152. 3. Лукутин Б. В., Муравлев И. О., Плотников И. А. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями : учеб. пособие. Томск : изд-во Томского политех. университета, 2015. 120 с. 4. Черноталова Е. А. Определение ветроэнергетической установки // «Молодежь. Наука. Общество»: Всероссийская научно - практическая междисциплинарная конференция (Тольятти, 5 декабря 2018 года) : электронный сборник студенческих работ / отв. за вып. С. Х. Петерайтис. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2018. 621с. С.722–725 5. Ахметов И. Г. Молодой ученый // Спецвыпуск Омского государственного технического университета. 2016. № 28.2. С. 15–65. 6. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации [Электронный ресурс] : Федеральный закон от 23.11.2009 № 261. URL: https://rg.ru/2009/11/27/energo-dok.html (дата обращения: 15.05.19) 7. Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020года [Электронный ресурс] : Распоряжение Правительства Российской Федерации от 27.12.2010 № 2446-р. URL: https://rg.ru/2011/01/25/energosberejenie-site-dok.html (дата обращения: 15.05.19) 8. Кашкаров А. П. Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструкции. Саратов : Профобразование, 2017. 144 c. 75 9. Кривцов В. С., Олейников А. М., Яковлев А. И. Неисчерпаемая энергия. Ветроэнергетика. Харьков : ХАИ, 2014. 158 с. 10. Научный журнал Куб ГАУ [Электронный ресурс] // интернет- сайт URL: http://ej.kubagro.ru/ (дата обращения: 16.05.2019) 11. Безруких П. П. Ветроэнергетика : справочное и методическое пособие. М. : ИД «ЭНЕРГИЯ», 2015. 320 с. 12. Безруких, П. П. Ветроэнергетика. М. : Интехэнерго-Издат, Теплоэнергетик, 2014. 304 c. 13. Безруких, П. П. Ветроэнергетика. М. : Энергия, 2014. 665 c. 14. Бурмистров А. А., Виссарионнов В. И., Дерюгина Г. В. Методы расчета ресурсов возобновляемых источников энергии : учеб. пособие. М. : МЭИ, 2009. 144 c. 15. Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова Т. В. Применение ветроколес и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности // Международный научно- исследовательский журнал. 2015. № 5–2 (36). С. 35–39. 16. Архив фактической погоды [Электронный ресурс] // интернет- сайт URL: https://meteoinfo.ru/archive-pogoda/ (дата обращения: 1.06.2019) 17. Прогноз погоды [Электронный ресурс] // интернет-сайт URL: https://rp5.ru/Погода_в_Тольятти/ (дата обращения: 1.06.2019) 18. Бальзанников М. И. Эколого-экономическое обоснование эффективности гидроаккумулирующих и ветровых электростанций // Экономика и управление собственностью. 2015. № 1. С. 68–72. 19. Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова А. А. Применение ветроэнергетических установок с концентраторами ветровой энергии в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 5– 2 (36). С. 31–35. 76 20. Иванов В. М. Электроснабжение и энергосбережение с использованием возобновляемых источников энергии // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура. 2015. № 2 (19). С. 88–93. 21. Jean-Luc Menet, Nachida Bourabas. Increase in the Savonius rotors efficiency via a parametric investigation [Text] / Jean-Luc Menet //popularmechanics. 2014. URL: http: //educypedia.karadimov.info/library/23_1400_jeanlucmenet_01.pdf/ (дата обращения: 12.05.19) 22. Jeff Whalley, Matt Johnson, Brian MacMillin. Effect of Turbulence on Savonius Rotor Efficiency [Text] / Jeff Whalley // lux review . 2016. URL: http: //www.me.rochester.edu/courses/ME241.gans/SavoniusRotors(7).pdf/ (дата обращения: 11.05.19) 23. Mahmoud N. H., EI-Haroun A. A., Wahba E. An experimental study on improvement of Savonius rotor performance [Text] / Mahmoud N. H. // Atlantalightbulbs. 2016. URL: //http://ac.els-cdn.com/S111001681200049X/1- s2.0-S111001681200049X-main.pdf?_tid=f77caf3a- 951f - 11e6–8095– 00000aab0f01&acdnat=1476787701_e632ae06184035ad9b52d9db13533db3/ (дата обращения: 11.05.19) 24. Rogowski K, Maronsky R. CFD computation of the Savonius rotor / Rogowski K // Journal of Theoretical and Applied Mechenics. 2018. PP. 43-53. – |