практические. практическиепрпп. Руководство к выполнению лабораторных работ по дисциплине Режимы использования установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики Бишкек 2015
 Скачать 3.68 Mb.
|
|
1. Теоретическая часть. Общие сведения о ветроэнергетических установках. Современные ВЭС и особенности их конструкции Что же представляют собой ветроэлектростанции, которым отводится серьезное место в энергетике XXI века Они мало чем напоминают своих древних собратьев – парус и ветряную мельницу, хотя принцип работы ветроагрегатов практически не изменился под напором ветра вращается колесо с лопастями, передавая крутящий момент другим механизмам, причем, чем больше диаметр колеса, тем больший воздушный поток оно захватывает и быстрее вращается. Сегодня в мире широко распространены ветродвигатели двух типов крыльчатые и карусельные. Встречаются еще барабанные и некоторые другие оригинальные конструкции. Крыльчатые ВЭС – их еще называют ветродвигателями традиционной схемы – представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения рис. Ветроагрегат вращается с максимальной скоростью, когда лопасти расположены перпендикулярно потоку воздуха. 12 Поэтому в конструкции предусмотрены устройства автоматического поворота оси вращения на малых ВЭС – крыло-стабилизатор, а на мощных станциях, работающих на сеть – электронная система управления рысканием. Небольшие крыльчатые ВЭС постоянного тока соединяют с электрогенератором напрямую (без мультипликатора, мощные станции оснащают редуктором. Рис. 1.1. Устройство промышленного ветрогенератора: Фундамент. Силовой кабель. Башня. Электрический генератор. Лопасти Мощность ВЭС зависит от скорости ветра и размаха лопастей ветроколеса. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (чаще всего их ветроагрегаты бывают двух- или трехлопастными) намного выше, чему других ветряков, недаром они занимают более 90 % рынка. Карусельные или роторные ВЭС с вертикальной осью вращения, в отличие от крыльчатых, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется. Ветродвигатели этой группы тихоходны, поэтому не создают большого шума. В них используются много- полюсные электрогенераторы, работающие на малых оборотах, что позволяет применять простые электрические схемы без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Конструкция лопастных ВЭУ роторной схемы обеспечивает максимальную скорость вращения при запуске и ее автоматическое саморегулирование в процессе работы. С увеличением нагрузки скорость вращения ветроколеса уменьшается, а вращающий момент возрастает. Подобные ветродвигатели с лопастями разной формы строят в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде, Финляндии. Идея карусельного ветродвигателя в виде так называемого роторного паруса была реализована на знаменитом исследовательском судне «Калипсо», построенном по заказу Жака Ива Кусто. Поданному типу спроектирована и одна из ВЭС в Белоруссии номинальной мощностью 250 кВт. Существуют роторные ВЭУ с лопастями того же профиля, что и у крыльев дозвуковых самолетов, которые прежде чем опереться на подъемную силу, должны разбежаться. С ветроагрегатами происходит тоже самое. Чтобы раскрутить и довести их до определенных аэродинамических параметров, сначала нужно подвести энергию извне, и только после этого ВЭУ начнут работать в режиме генератора. Отбор мощности начинается при скорости ветра около 5 мс, а номинальная мощность достигается при 14–16 мс. Предварительные расчеты показывают, что ортогональные установки смогут вырабатывать электроэнергию мощностью от 50 до 20 000 кВт. Из недавно появившихся оригинальных проектов стоит назвать ВЭС принципиально новой конструкции, состоящую из фундамента, трехопорного несущего основания и смонтированного на нем кольцеобразного генератора со встроенным подшипником и центральным ротором. Кольцо генератора может достигать в диаметре 120 ми более. Другой пример – многомодульная ветроустановка, состоящая из одного – двух десятков небольших ветроагрегатов (см. Наука и жизнь. № 9. 2003. Прим. ред. Недостатки ВЭС остаются в прошлом Ветроэнергетика привлекательна не только тем, что не наносит вреда природе. ВЭС можно достаточно быстро установить там, где других источников энергии нет. Однако приходится констатировать, что работа ветроагрегатов сопровождается некоторыми неприятными явлениями. Главное из них – шум. На уровне оси ветроколеса в непосредственной близости от ВЭС мощностью 850 кВт уровень шума составляет дБ. Система управления углом атаки способна уменьшить его, но очень незначительно. На расстоянии 300 м шум снижается до 42–45 дБ на оживленной улице наши уши страдают больше. В тесной Европе на таком расстоянии от ближайшего жилья ВЭС уже ставят, в России же мы имеем возможность удалить их от застройки нам Помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6–7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в окнах и посуда на полках. Кроме того, ВЭС могут затруднить прием телепередач. Так было, например, на Оркней- ских островах в Англии, когда в 1986 году там установили экспериментальный ветродвигатель. Тут же от жителей ближайших населенных пунктов начали поступать многочисленные жалобы на ухудшение телевизионного сигнала. Оказалось, что помехи создавали стальной каркас лопастей и имеющиеся на них металлические полоски для отвода ударов молний. Сами же лопасти, сделанные из стеклопластика, распространению телесигнала не мешали. В подобных случаях около ВЭС стали возводить ретрансляторы. На Западе проблемы, связанные с работой ветроэлектростанций, успешно решены еще в середине х годов. Выпуск лопастей для ветроагрегатов освоили лидер аэрокосмической отрасли – концерн НАСА и один из ведущих производителей самолетов – фирма «Боинг». Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. Благодаря этим мерам уменьшился срыв концевых потоков, так называемых вихревых шнуров. Был найден способ борьбы с еще одним недостатком ВЭУ: чтобы птицы не попадали под вращающиеся лопасти, ветроколеса стали ограждать сетчатым кожухом. Новые решения – новые возможности В современных ВЭС воплощено множество технических идей, отвечающих последним достижениям науки. Вот далеко неполный перечень уникальных систем и механизмов, обеспечивающих эффективную и безопасную работу ветроэлектростанций • система динамического изменения угла атаки (изменяет угол заклинивания лопастей, удерживая тем самым нужный угол атаки • система динамического регулирования скорости вращения ветроколеса в зависимости от нагрузки и скорости ветра (выбирает оптимальный режим работы • система управления рысканием – электронный флюгер (поворачивает гондолу с ВЭУ по особому закону с учетом доминирующего направления ветра, его порывов и турбуленции • система оперативного регулирования магнитного скольжения асинхронного генератора (используются усовершенствованные асинхронные генераторы с ротором беличья клетка. 15 Совсем недавно запущена в производство совершенно новая ВЭУ, в которой использован высоковольтный синхронный генератор со статором, имеющим обмотки из кабеля, и многополюсным ротором на постоянных магнитах. Получаемый переменный ток низкой частоты выпрямляется, а затем преобразуется инвертором в переменный ток сетевой частоты. Редуктор генератору ненужен, поскольку он низко- оборотный. Такие установки можно использовать на ВЭС мощностью от 500 кВт до 5 МВт и выше. За состоянием ВЭС и режимами их работы следит бортовой компьютер, куда по модемным каналам поступает вся текущая информация. Если, например, вовремя работы возникают кратковременные всплески напряжения (так называемый фликкерный эффект, происходящие при коротких, сильных порывах ветра либо прирезком изменении нагрузки, их гасят с помощью специальных электронных устройств. Электроника и автоматика надежно защищены от постороннего излучения (в том числе от электромагнитного излучения самой сети и переключающих сетевых устройств) радиотехническим заземлением и экранированием. Важную роль здесь играют современные изоляционные материалы. Несколько слово конструкционной безопасности. Ветроагрегаты отключаются и останавливаются при скорости ветра 25 мс (10 баллов по шкале Бофорта) с помощью двухуровневой тормозной системы. В отключенном виде они выдерживают порывы ветра до 50 мс. Серьезные аварии практически исключены, поскольку системы дублируют одна другую, а вся механика, особенно лопасти, проходит серьезные испытания на прочность. Обслуживают станции всего разв полгода при сроке эксплуатации лет (порядка 180 000 часов. ВЭС известных европейских производителей сертифицированы Международной организацией по сертификации, а также независимыми экспертными компаниями (государственными и частными. Системы Ветро-Дизель В крупных энергосетях неравномерная подача энергии, присущая всем ветроагрегатам, уравнивается их большим количеством. Автономные сети мощностью 0,5–4 МВт тоже могут функционировать надежно, несмотря на неравномерность поступления энергии от ВЭС, если они работают в паре с дизелем. Для систем «ветро-дизель» европейские компании разработали компьютеризированное устройство, распределяющее нагрузку между ветроэнергетической установкой и дизелем. Уже есть оборудование, позволяющее всего за две секунды отключить дизель 16 или вновь включить его в работу. Благодаря этому увеличивается ресурс дизелей и экономится до 67 % топлива в год. Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе сегодня составляют 1000 долларов на 1 кВт установленной мощности. Себестоимость энергии – 3,5–3,8 цента за 1 кВт/ч (10 лет назад было 16 центов. При массовом строительстве ветроэлектростанций можно рассчитывать на то, что в дальнейшем цена одного киловатт-часа существенно снизится и окажется сравнимой со стоимостью электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. В подтверждение этого аргумента говорит тот факт, что конструкции ВЭС постоянно совершенствуются улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери и т. д. Проекты ВЭС, работающих на сеть для условий, например, очень ветреного Приморья окупаются залет, системы «ветро-дизель» – за 2 года. В дальнейшем сроки окупаемости ветроэлектростанций будут сокращаться. ВЭС малой мощности До сих пор речь шла о гигантских ВЭС, работающих на сеть, но ничего не было сказано о бытовых ветроэлектростанциях малой мощности от 250 Вт до 10 кВт. Бытовые ветряки вырабатывают энергию более дорогую, но зачастую они бывают незаменимы, особенно там, где нет других источников энергии. Наиболее перспективными представляются производимые в России ВЭС с генератором постоянного тока напряжением В, который заряжает буферные батареи (в последнее время – гелевые) емкостью от 200 до 800 А/ч. Зарядка осуществляется через контроллер, который выдает зарядный ток даже тогда, когда выходное напряжение генератора намного меньше напряжения батарей. Далее ток проходит через конвертор (инвертор, производящий на выходе сетевое напряжение 220 В. Телевизор, чайники и другие электроприборы в доме будут работать от заряженных батарей, пока последние не сядут. После отключения нагрузки батареи вновь начинают заряжаться. Процесс этот может занять длительное время, все зависит от мощности генератора и силы ветра. Бытовые ВЭС зарубежного производства пока, к сожалению, слишком дороги. Станция установленной мощностью 1 кВт стоит порядка долларов. Даже при хорошем ветре она выдает за год в лучшем случае 40 % от номинальной мощности, то есть не больше, чем бензиновый генератор на 400 Вт. Зачастую такой мощности не хватает, поэтому большим спросом пользуются ВЭС на 3 или на 10 кВт (последние стоят уже 25 000 долларов. Между тем в России есть более десятка изготовителей малых ВЭС установленной мощностью в несколько киловатт, цена которых не превышает 1500–2000 долларов. Информацию о производителях ВЭС можно найти на сайте Минэнерго www.mte.gov.ru враз- деле Нетрадиционная энергетика. Перспективы развития ветроэнергетики Нет сомнения, что большие и малые ВЭС могли бы работать на огромных пространствах России высокоэффективно, ведь страна обладает мощным ветроэнергетическим потенциалом, оцениваемым в 40 млрд кВт ч электроэнергии в год. Такие районы, как Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высоте 50–80 м, где располагаются ветроагрегаты современных ВЭС, составляет 11–12 мс. (Заметим, что золотым порогом ветроэнергетики считается скорость ветра 5 мс – это связано с окупаемостью станций) Существуют также аномальные локальные зоны, в которых ветер значительно сильнее. Это, например, район Владивостока, где воздушные массы устремляются из Приханкайской равнины в разрыв между Северо-Корейскими горами и хребтом Сихотэ-Алинь и далее – по акватории Амурского залива. На островах близ Владивостока среднегодовая скорость ветра на высоте 150 м (метровая ВЭС на холме высотой 100 мне бывает ниже 11 мс (для континентальной Европы параметр недосягаемый. Несмотря на благоприятные природные условия и большую привлекательность ветроэнергетики, в России до сих пор нет ни огромных ветропарков, ни единичных ВЭС вокруг сельских поселков и дачных участков. Основная причина – отсутствие инвестиций. В Европе в данной отрасли превалирует народный бизнес. ВЭС строят кооперативы и акционерные общества, причем без всяких государственных дотаций. В России же осуществить дорогостоящие проекты под силу только гос- структурам или крупному бизнесу. Предприниматель, отважившийся построить ВЭС или ветропарк в России, неизбежно понесет катастрофические убытки из-за того, что ни на государственном, ни на ведомственном уровне законодательно не определен порядок покупки энергии ВЭС электросетями. Кроме того, возникнут проблемы с землеотводом и многие другие бюрократические преграды. И все же дело, кажется, сдвинулось с мертвой точки. Сейчас в стране строится несколько ветроэнергетических комплексов, в том 18 числе и демонстрационных. Последней в ноябре 2002 года начала работать на сеть ВЭС в маловетреной Башкирии (мощность 2,2 МВт. После ввода ее встрой общая установленная мощность всех российских ветроэлектростанций едва превысила 8 МВт – в 1000 с лишним раз меньше, чем в относительно небольшой по площади Германии. Это означает, что российская ветроэнергетика, в свое время задававшая тон в мире, сегодня едва лине безнадежно отстает от Запада. 2. Практическая часть. Исследование режимов работы ветроэнергетической установки на лабораторном стенде Описание используемых приборов на стенде Ветроэнергетическая лабораторная установка Устройство лабораторной установки (рис. 1.2): • Воздуходувка центробежного типа – источник ветровой энергии, напряжением 27 В и током 9 А • Приборы контроля амперметр и вольтметр как на лицевой панели стенда, таки переносные в зависимости от испытуемого генератора электроэнергии • Переносной тахометр • Статические конденсаторы для возбуждения генератора переменного тока от АД. • Стационарный стенд для питания лабораторного стенда регулируемым напряжением • Регулятор напряжения, подводимого к лабораторному стенду. Технические характеристики испытуемого ветрогенератора: 1. Электрический двигатель постоянного тока с независимым возбуждением В, 3,1 A, 85 Вт, n 3900 об/мин. H H Н н U I Р = = = Электродвигатель работает в режиме генератора постоянного тока независимого возбуждения 1,0 A; B I = 2. Ветровое колесо центробежного типа, диаметром 95 мм и шириной l = 40 мм, насаженное навал генератора 3. Асинхронный х фазный электродвигатель АИР50В4N, 380/220 В, 50 Гц, Р Н = 90 Вт, 1340 об/мин. I = 0,37 Ас ветроколесом диаметром 34 мм и шириной l = 32 мм. 19 4. Нагрузочный блок генератора, состоящий из светодиодов в количестве штук, разбитых на 2 секции − 1 секция состоит из 64 светодиодов напряжением 3 В и суммарной мощностью 1,2 Вт − 2 секция состоит из 28 светодиодов напряжением 6 В и суммарной мощностью 0,3 Вт. 5. Воздуходувка − 27 В – номинальное напряжение питания постоянного тока − А – номинальный ток. Рис. 1.2. Стенд лабораторной установки ВЭУ: 1 – вольтметр 2 – воздуходувка 3 – генератор 4 – амперметр Анемометр чашечный МС Анемометр чашечныйМС-13ГОСТ 6376-74 (рис. 1.3) предназначен для измерения средней скорости воздушного потока в промышленных условиях и средней скорости ветра на метеорологических станциях. Технические характеристики анемометра чашечногоМС-13: • Диапазон измерения средней скорости воздушного потока от 1 дом с. • Чувствительность не болеем с. • Основная погрешность не болеем с, где V – измеряемая скорость воздушного потока. 20 • Анемометр изготавливается в исполнении У категории 1.1 согласно ГОСТ 15150-69, но для работы при температуре воздуха от минус 45 до плюс 50 С, относительной влажности воздуха 90 % при температуре С. • Срок службы анемометра до списания не менее 8 лет. • Габаритные размеры не более x 70 x 70 мм. • Масса не более 0,25 кг. Рис. 1.3. Анемометр чашечныйМС-13 1 – стрелка шкалы сотен 2 – циферблат 3 – стрелка шкалы единиц 4 – вертушка 5 – ось 6 – червяк 7 – стрелка шкалы тысяч 8 – ушки 9 – арретир 10 – винт Устройство анемометра чашечногоМС-13 Ветроприемником анемометра МС (рис. 1.3) служит четырех- чашечная вертушка 4, насаженная на ось 5, вращающаяся в опорах. На нижнем конце оси нарезан червяк 6, связанный с редуктором, передающий движение трем указывающим стрелкам. Циферблат 2 имеет соответственно шкалы единиц, сотен, тысяч. Червяк 6 через червячное колесо и триб передает движение центральному колесу, на оси которого закреплена стрелка 3 шкалы единиц. Триб центрального колеса через промежуточное колесо приводит во вращение малое колесо, на оси 21 которого насажена стрелка (шкалы сотен. От малого колеса через второе промежуточное колесо вращение передается второму малому колесу, ось которого несет на себе стрелку шкалы тысяч 7. Включение и выключение механизма производится арретиром 9, один конец которого находится под изогнутой пластинчатой пружинкой, являющейся подпятником червячного колеса. Для выключения счетного механизма арретир 9 поворачивают почасовой стрелке. Другой конец арретира при этом поднимает пластинчатую пружину, которая, перемещая ось колеса в осевом направлении, выводит червячное колесо из зацепления с червяком 6. При повороте арретира против часовой стрелки червячное колесо входит в зацепление с червяком и ветроприемник анемометра МС соединяется с редуктором. Механизм анемометра МС закреплен в корпусе из пластмассы, нижняя часть корпуса заканчивается винтом 10, служащим для крепления анемометра настойке или шесте. В корпусе анемометра по обе стороны арретира 9 ввернуты ушки 8, через которые пропускается шнур для включения и выключения анемометра, поднятого настойке (шесте. Шнур привязывается за ушко арретира 9. Ветроприемник анемометра МС защищен крестовиной из проволочных дужек, служащей также для крепления верхней опоры оси ветроприемника. Порядок работы с анемометром чашечнымМС-13 Перед измерением скорости ветра записывают показания потрем шкалам. В измеряемом воздушном потоке анемометр МС устанавливают вертикально и через 10–15 с одновременно включают арретиром механизм анемометра и секундомер. Экспонирование анемометра ввоз- душном потоке производят в течение одной или двух минут. По истечении этого времени механизм и секундомер выключают и записывают показания по шкалам анемометра и время экспозиции в секундах. Разность между конечными начальным отсчетом делят на время экспозиции и определяют число делений шкалы, приходящихся на одну секунду. Скорость ветра определяется по градуировочному графику, приложенному к анемометру (табл. 1.1). На вертикальной оси графика находят число делений шкалы, приходящихся на одну секунду. От этой точки проводится горизонтальная линия до пересечения с прямой графика, а из точки пересечения проводится вертикальная линия до пересечения с горизонтальной осью. Точка пересечения вертикали с горизонталью осью графика дает искомую скорость воздушного потока в мс Таблица 1.1 Градуировочный график анемометра чашечногоМС-13 Делений прибора, д / с Скорость ветрам с 1,0 1 5,0 2 9,2 3 13,4 4 17,5 5 Анемометр крыльчатый АСО-3 Анемометр крыльчатый АСО-3 (рис. 1.4) предназначен для измерения средней скорости направленного потока воздуха в промышленных условиях (табл. 1.2). Рис. 1.4. Устройство анемометра крыльчатого АСО-3. 1 – крыльчатка 2 – стержень 3 – ось трубчатая 4 – пружина 5 – ось стальная 6 – втулка 7 – гайка 8 – пружина 9 – втулка подшипниковая 11 – ручка 12 – червяк 13 – стрелка шкалы единиц 14 – циферблат 15 – ушко 16 – арретир 17 – стрелка шкалы тысяч 18 – стрелка шкалы сотен 23 Технические характеристики анемометра крыльчатого АСО-3 • Исполнения анемометра − для работы в районах с умеренным климатом – У − для работы в районах с тропическим климатом – Т • Диапазон измерениям с – 0,3–5; − Чувствительность, мс, не более – 0,2; − Предел допускаемой погрешности (V – измеряемая скорость потокам с) – ± (0,1 + 0,5 V); • Условия эксплуатации устройства − температура окружающего воздуха, °C – от –10 до +50; − относительная влажность воздуха при температуре + 20 °C, % – 90; • Габаритные размеры со снятой ручкой, мм, не более – 110×110×105; • Масса, кг, не более – 0,45; • Срок службы устройства, лет, не менее – 6; • Комплект анемометр крыльчатый АСО-3; футляр паспорт. Устройство анемометра крыльчатого АСО-3 Ветроприемником устройства является крыльчатка, насаженная на трубчатую ось с подшипниковыми втулками, втулки вращаются на стальной оси, один конец которой припаян к обойме и закреплен вне- подвижной опоре, а второй загнут гайкой во втулке, которая находится в отверстии распорного стержня. Натяжку оси можно осуществить пружиной. Осевой люфт оси регулируется пружиной. На конце трубчатой оси прикреплен червяк, который передает вращение ветроприемника зубчатому редуктору счетного механизма. Счетный механизм имеет три стрелки, его циферблат имеет соответственно три шкалы единицы, сотни и тысячи. Счетный механизм анемометра АСО-3 работает следующим образом червяк через червячное колесо и триб передает движение центральному колесу, на оси которого укреплена стрелка шкалы единиц. Триб центрального колеса через промежуточное колесо приводит во вращение малое колесо, на оси которого насажена стрелка шкалы сотен. От малого колеса через второе промежуточное колесо вращения передается второму малому колесу, ось которого несет на себе стрелку шкалы тысяч. 24 Таблица 1.2 Градуировочный график анемометра крыльчатого АСО-3 Делений прибора, д / с Скорость ветрам с 1,0 1 2,0 2 3,0 3 4,0 4 5,0 5 6,0 6 7,0 7 8,0 8 9,0 9 10,0 10 11,0 11 12,0 12 13,0 13 14,0 14 15,0 15 16,0 16 17,0 17 18,0 18 19,0 19 20,0 20 25 Прибор комбинированный цифровой Щ Измерение постоянного тока Переключатель в положении А, щупы подключаются в цепь последовательно. Снятие показаний значений тока производится с учетом переводного коэффициента, значения которого указаны на панели прибора (мА. Цифровой мультиметр A830L Измерение постоянного напряжения Красный щуп гнездо «VΩmA», черный щуп – гнездо «COME». Переключатель устанавливается в положение V_. Центральным переключателем выбираем диапазон измерений (Вили мВ. Щупы подключаются параллельно измеряемой цепи. Цифровой фототахометр-стробоскоп Т+ Совмещает в себе функции цифрового фототахометра и цифрового стробоскопа и предназначен для измерения частоты вращения частей двигателя, турбин и других объектов бесконтактным способом, а также линейной скорости перемещения деталей в процессах наладки, ремонта механизмов и лабораторных исследований. Работа с прибором Отделите небольшой кусок светоотражающей ленты и полученную метку наклейте на лопасти ветрогенератора уже наклеена на лопасть, частоту вращения которых необходимо измерить. Установите переключатель в положение «Photo RPM» крайнее левое положение Нажмите кнопку находится на торце прибора справа включения измерений и направьте световой красный луч тахометра наметку. Нагрузочный блок Нагрузочный блок предназначен для создания тока нагрузки у маломощных источников постоянного тока напряжением до 12 В. Конструктивно нагрузочный блок выполнен в виде панели, на которой смонтированы несколько групп светодиодов. Пять групп с напряжением В и две группы с напряжением 6 В, переключатель количества светодиодов (количество указано на панели блока, тумблер выбора величины напряжения – 3 или 6 В, клеммы для подключения испытуемого источника постоянного тока, гнезда для осуществления набора различного 26 количества светодиодов при помощи гибких перемычек со штекерами, вольтметр V контроля напряжения. При помощи переключателя и перемычек со штекерами, вставляемыми в соответствующие гнезда внизу панели, можно подключить к испытуемому источнику различное количество светодиодов − от 4 до 64 штук на напряжение 3 В поили штуки, табл. 1.3); − от 12 до 28 штук на напряжение 6 В поили штук, табл. 1.4). Это позволяет регулировать ток нагрузки в широком диапазоне. Генератор ветроагрегата или панель солнечной фотоэлектрической батареи подключаются к клеммам ± 3 Вили В. Напряжение контролируется по вольтметру и фиксируется положением тумблера 3 или 6 В (табл. 1.3, 1.4). Таблица 1.3 Техническая характеристика нагрузочного блока Положение тумблера – 3 В Положение переключателя Положение перемычки Горят светодиоды, штук Положение переключателя Положение перемычки Горят светодиоды, штук 4 4 4 8 8–34 42 4 4–8 12 18 18 18 4 4–18 22 18 18–24 42 4 4–24 28 18 18–34 52 4 4–34 38 24 24 24 8 8 8 24 24–34 34 8 8–4 12 34 34 34 8 8–18 26 34 34–18–8 60 8 8–24 32 34 34–18–8–4 64 27 Таблица 1.4 Техническая характеристика нагрузочного блока Положение тумблера – 6 В Положение переключателя Положение перемычки Горят светодиоды, штук 12 12 12 12 12–16 28 16 16 16 16 16–12 28 Проведение лабораторной работы Цель работы • Изучение методики определения потенциала ветроэнергетической мощности установки и характеристик потока • Исследование режимов работы ВЭУ при различных скоростях ветра • Исследование режимов работы ВЭУ при различных нагрузках генератора Получение навыков работы с измерительными приборами ветроэнергетических характеристик. Ход работы 1. Для проведения анализа определения ветроэнергетического потенциала ветроустановки требуется к силовым проводам подключить прибор комбинированный цифровой Щ для измерения постоянного тока и цифровой мультиметр A830L для измерения постоянного напряжения. Нарисуйте электрическую схему установки. 3. Произведите замер сторон лопатки и диаметра ветроколесам. Поставьте ветрогенератор вместо наибольшего потока ветра. Включите ветросиловую установку для создания потока ветра на ветрогенератор. Ветросиловая установка имеет несколько положений скоростей на трех диапазонах максимальная, средняя и минимальная скорости ветра проводятся следующие измерения − скорости ветра − числа оборотов ротора генератора − напряжения вырабатываемого ветрогенератором; − силы тока вырабатываемой ветрогенератором. 28 Результаты занесите в табл Таблица 1.5 Показания приборов № опыта Сила ветра Примечание Максимальная Средняя Минимальная v, мс n xx , об/мин U, B I, A Р Эхх , Вт Постройте графики зависимости скорости ветра v и напряжения U от частоты вращения ветрогенератора: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) график № 1 ; ( ) график № 2 ; ( ) график № 3 ; ( ) график № 4 . xx хх xx xx xx Эхх xx хх f n U f n I f Р n υ = = = = 5. Присоедините нагрузку в цепь ветроустановки, изменением положения включенных клавиш (описание нагрузочного блока, и проведите повторные измерения при со скорости ветра − числа оборотов ротора генератора − напряжения вырабатываемого ветрогенератором; − силы тока вырабатываемого ветрогенератором; − мощности ветрогенератора. ос о С – температура окружающей среды в лаборатории, измеренная термометром Вычислите мощность ветроустановки · , Вт. Э Р U Результаты занесите в табл. 1.6, 1.7, 1.8: 29 Таблица 1.6 Показания приборов с нагрузкой при 1 (max) со опыта Нагрузка положение клавиш) Примечание см со об/мин U, B I, mA ос = о С Р Э , Вт вэу η 6. Присоедините нагрузку в цепь ветроустановки и проведите повторные измерения при 2 ( ) cредн соnst υ = (табл. 1.7) и 3 (min) соnst υ = (табл. 1.8): • Скорости ветра • Числа оборотов ротора генератора • Напряжения вырабатываемого ветрогенератором; • Силы тока вырабатываемой ветрогенератором. Результаты занесите в табл. 1.7, 1.8. Таблица 1.7 Показания приборов с нагрузкой при 1 (max) со опыта Нагрузка положение клавиш) Примечание мс, средн соnst υ = n xx , об/мин U, B I, mA ос = о С Р Э , Вт вэу η 30 Таблица 1.8 Показания приборов с нагрузкой при 1 (max) со опыта Нагрузка положение клавиш) Примечание см со об/мин U, B I, mA ос = о С Р Э , Вт вэу η 7. Определите КПД действующей ветроустановки ( ) 1 соnst υ = при разных нагрузках (1, 2, 3) с использованием табл. 1.6 и формул для расчета КПД В. Формулы для расчета КПД В приведены в пункте 10. Найденные значения занесите в табл. 1.6. 8. Определите КПД действующей ветроустановки ( ) 2 соnst υ = при разных нагрузках (1, 2, 3) с использованием табл. 1.7 и формул для расчета КПД В. Определите КПД действующей ветроустановки ( ) 3 соnst υ = при разных нагрузках (1,2,3) с использованием табл. 1.8 и формул для расчета КПД В Найденные значения занесите в соответствующие табл. 1.6, 1.7, 1.8. • Постройте графики зависимости потребляемой мощности от скорости ветра ( э при разных нагрузках (1, 2, 3) (табл. 1.6, 1.7, 1.8). Примечание на одном графике отобразите все 3 графика. • Постройте график зависимости частоты оборотов ветродвигателя (n, об/мин) от числа присоединенных потребителей при 1 (max) υ , 2 ( .) cред υ , 3 (min). υ Примечание: на одном графике отобразите все 3 графика • Сравните и проанализируйте графики. • Сделайте выводы по полученным графикам, таблицами всей работе. 31 10. Формулы для расчета КПД В η Используя формулы, выразите выражение для определения КПД ветроэнергетической установки В (коэффициент использования ветра. Ответы запишите в табл. 1.6, 1.7, 1.8. Мощность реальной ВЭУ 0 · , Вт, вэу в Р Р η = где Р – мощность идеальной ветроэнергетической установки, Вт в – КПД воздуходувки. 0 , вэу в Р Р η = 0,8 вн η = – номинальный КПД воздуходувки. э – КПД электрогенератора , э эн p K η η ⋅ = где 0,75 эн η = – номинальный КПД электрогенератора p K – коэффициент мощности нагрузки генератора. p H H U Мощность идеальной ветроэнергетической установки 2 0 , 2 m V Р ⋅ = где со скорость ветрам с m – масса воздуха, проходящая через воздуходувку, кг/с. 32 , кг/с, m F V ρ = ⋅ где F – площадь выходного окна воздуходувки перед рабочим колесом ветрогенератора, м (рис. 1.5); , F a где a – ширина окнам высота окнам плотность воздуха, кг/м 3 Рис.1.5. Определение площади окна воздуходувки Тогда m a b V ρ = ⋅ ⋅ Плотность воздуха из уравнения Менделеева-Клапейрона: 3 кг , м = ⋅ + где t – температура окружающей среды в лаборатории, ℃. Мощность реальной ВЭУ, поступающая навал электрогенератора 0 · . ВЭУ в Р Р η = 11. Сделайте выводы. Содержание отчета В отчете должны быть кратко отражены 1. Задачи проведения работы. 2. Схема и описание установки. 3. Методики замеров параметров. 4. Условия и методика проведения исследований. 33 5. Журнал наблюдений. 6. Обработка опытных данных. 7. Результаты обработки экспериментов. 8. Графики с характеристиками ветрогенератора. 9. Ответы на контрольные вопросы (для защиты. 10. Выводы по всей работе. Контрольные вопросы 1. Что включает в себя понятие – Ветроэнергетическая установка 2. Что называют кинетической энергией ветра 3. Как определяется мощность ветрового двигателя 4. Что называют коэффициентом мощности ветрового колеса 5. Как работает поверхность при действии на нее силы ветра 6. Как определяется коэффициент использования ветрового потока В. Чем отличаются осевые и вертикальные ВЭУ? Преимущества и недостатки. Укажите в лаборатории на вертикальную и осевую ВЭУ. 9. Что называют относительной скоростью ветрового потока 10. Как устроен анемометр МС 11. Как устроен анемометр АСО-3? 12. Из каких основных элементов состоит стенд лабораторной установки Литература 1. Баскаков А. П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Введение в специальность учеб. пособие. Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2004. 2. Баскаков А. П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии учеб. пособие. В х ч. Ч. 1. Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2005. 3. Баскаков А. П. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии учеб. пособие. В х ч. Ч. 2. Екатеринбург УГТУ-УПИ, 2006. 4. Твайделл Д, Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. М Энергоатомиздат, 1990. 34 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ (МИКРОГЭС) Введение Лабораторная работа по исследованию режимов работы микро- гидроэлектростанции (микроГЭС) выполняется студентами энергетических специальностей и предназначена для закрепления теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса Режимы использования установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики. |