Защита лабораторной работы электростатические помехи. Вопросы к защите лабораторных работ

• Название: Вопросы к защите лабораторных работ
• Анкор: Защита лабораторной работы электростатические помехи
• Дата: 06.04.2022
• Размер: 1.39 Mb.
• Имя файла: Zaschita_laboratornykh_rabot.docx
• Тип: Документы; #446238

Вопросы к защите лабораторных работ:

1. Как напряжение на выходе ветрогенератора связано со скоростью вращения лопастей?
2. Есть ли предел по количеству лопастей ВЭУ? Почему?

В идеальном случае ветроустановка может иметь бесконечно большое число лопастей очень малой ширины, и даже в схемах замещения ее ветроколесо представляется как почти непроницаемый диск. На рис. 2.22 представлены характеристики реальных ветроколес. Видно, что ветроколеса с высоким геометрическим заполнением развивают большой крутящий момент при относительно низких окружных скоростях, и наоборот, ветроколеса с небольшим заполнением (например, с двумя узкими лопастями) имеют небольшой начальный крутящий момент и даже не всегда могут самостоятельно раскрутиться. С увеличением значений Z коэффициент крутящего момента, а, следовательно, и сам момент стремятся к нулю. Максимальное значение коэффициента С_T для обоих типов ветроколес реализуется при высоких скоростях ветра, при которых лобовые давления велики – вплоть до разрушающих. Следует также отметить, что максимальным значениям крутящего момента и КПД соответствуют различные значения Z.



При увеличении количества лопастей ветроколесо должно все более тихоходным (дабы получить маленькие значения Z). И хоть при такой тихоходности можно создавать очень большие крутящие моменты (С_Tmax для многолопастного колеса намного выше, чем для ветроколес других типов), дальнейшее увеличение количества лопастей приведет к еще большей тихоходности и сужению рабочих диапазонов Z (можно отчетливо проследить, какой большой диапазон Z у тех же трехлопастных колес, и какой он мизерный на этом фоне у многолопастного колеса). Но при этом у одно- и двухлопастных колес есть другой недостаток: они начинают раскручиваться при Z > 0 в отличии от трех-, четырех- и многолопастных колес. На практике есть ветроколеса с двадцатью четырьмя лопастями.
3. Каково влияние увеличения скорости ветра на выходное напряжение? Может ли удвоение скорости воздушного потока увеличить выходное напряжение?

На начальной части энергетической характеристики ветроустановки (см. вопрос 9) скорость ветра вместе со своим ростом вызывает и небольшой рост напряжения, но при дальнейшем увеличении этой скорости в ход вступают искусственные ограничения ВЭУ по вырабатываемой мощности, чаще всего выраженные механическими и прочностными пределами для ветроколеса и прочих элементов «ветряка».
4. Назовите основные параметры и конструктивные элементы ВЭУ.

Основные конструктивные элементы ветроустановки можно рассмотреть на примере компоновке на базе асинхронного генератора с фазным ротором и регулированием сопротивления обмотки ротора.



К основным параметрам ВЭУ относится ее энергетическая характеристика, быстроходность, тип используемого генератора (асинхронный короткозамкнутый/с фазным ротором или синхронный), схема компоновки гондолы (базовая, упрощенная, с прямым приводом, мультигенераторная).
5. Для чего производят пересчет средней скорости ветра на высоту установки оси ВЭУ?

Из-за того, что с увеличением высоты над уровнем земли происходит добавка скорости ветра в зависимости от класса шероховатости местности. Среднегодовые скорости воздушных потоков на стометровой высоте превышают 7 м/с. Если подняться на высоту 100 м, используя подходящую естественную возвышенность, то везде можно ставить эффективный ветроагрегат. Скорость ветра постоянно меняется, и таким образом меняется его энергетическое наполнение. В большинстве мест на земле эти изменения более значительны в течение дня, чем ночью. Изменения скорости ветра тем больше, чем больше разница температур между морской и земной поверхностями, причем в течение дня перепад температур больше, чем ночью. А значит и на разных высотах скорость ветра различна в один и тот же момент времени. На метеостанциях обычно регистрирующие приборы располагаются на высоте 9...20 м. В то же время оси современных ветроэнергетических установок могут находиться на различных высотах в приземном слое толщиной около 100 м; имеются даже предложения о размещении ветроэлектрических установок на аэростатах. Поэтому для оценки эффективности использования ветрового потока необходимо установление вертикального профиля скоростей ветра.
6. Как определить срок окупаемости ВЭУ в ветродизельной автономной системе?

В некоторых случаях достаточно оценить срок окупаемости автономной системы электроснабжения, добившись выполнения неравенства:



где П – доход от продажи электроэнергии, – год эксплуатации ветродизельной станции, n – количество установок, К_ВЭУ – кап. затраты на ВЭУ, К_ДЭГ – кап. затраты на ДЭГ, С_топл – затраты на топливо в год для ДЭГ.
7. Какова зависимость мощности, вырабатываемой ВЭУ от скорости набегающего потока?

Мощность имеет кубическую зависимость от скорости и описывается таким уравнением в теории идеального ветроколеса:



где u₀, u₁, u₂ – скорости соответственно набегающего потока воздуха до, в плоскости и за ветроколесом.

В теории реального ветроколеса мощность выражается следующим образом:



В этой зависимости также видно, что мощность зависит от скорости набегающего потока в третьей степени.
8. Что характеризует коэффициент мощности С_р? От каких параметров зависит?

Коэффициент мощности С_р характеризует эффективность использования ветрогенератором энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветроколесом площадь А₁. Зависит от коэффициента торможения потока a, который в свою очередь, определяется отношением скоростей набегающего потока и скорости в плоскости ветроколеса:





9. Приведите пример энергетической характеристики ВЭУ.



В зоне 1 скорость ветра меньше той, при которой включается установка, а значит ВЭУ не вырабатывает энергию. В зоне 3 скорость выше номинальной для ВЭУ, и та работает с постоянной мощностью. В зоне 4 (не отображена на схеме) скорость потока превышает ту, при которой установка отключается, следовательно, и в этой зоне отсутствует выработка энергии. В зоне 2 идет набор скорости, и выходная мощность в этом режиме зависит от скорости ветра и самого типа ветроколеса.
10. Какие требования задает энергосистема для ВЭС при работе её в составе ЭЭС?

Частота вращения ветроколеса может не более чем на 10 % превышать частоту, соответствующую номинальной частоте электросети. При слабом ветре, чтобы исключить работу ВЭУ в режиме электродвигателя, его отключают от сети. Необходимость стабилизации частоты вращения ветроколеса при прямом включении аэрогенератора в сеть не позволяет поддерживать постоянной быстроходность ветроколеса, т. е. снижает его КПД. Также коэффициент участия ветропарка в выработке электроэнергии в системе не должен быть меньше 5% от общей выработки ЭЭС.
11. Как определить годовую выработку электроэнергии ВЭУ?

Для определения ожидаемой выработки электроэнергии в конкретном местоположении необходимо располагать данными о распределении скорости ветра по градациям f(u). Учитывая изменчивость скорости ветра во времени, для получения достоверных данных о повторяемости f(u) требуются данные наблюдений за период не менее 10 лет по флюгеру или анеморумбометру.

Анализ данных радиозондовых измерений скорости ветра в приземном слое атмосферы и их представление в координатах σf(u) и z = (u – ̅u) / σ дает возможность получить в первом приближении два вида распределения скорости ветра. Одно из них является унифицированным (единым) для европейской части России, Казахстана, Средней Азии, Западной Сибири и Восточной Сибири, другое – для региона Дальнего Востока.

Из рисунка следует, что коэффициент вариации C_U равен σ_U/u ≈ 0,5, т. е.

σ_U ≈ 0,5 ̅u, поэтому для получения значений плотности вероятности распределения скорости ветра на высоте 100 м над конкретным пунктом достаточно располагать лишь данными о средней скорости ветра ̅u.



Для расчета выработки энергии ВЭУ в конкретном пункте на заданной высоте необходимо в значение средней годовой скорости ветра на уровне 100 м ввести поправку на уменьшение, приведя ее к высоте оси ветроколеса, с учетом рельефа и климатических условий местности. Далее, зная среднегодовую скорость ветра на высоте оси ВЭУ, определяем значения безразмерного параметра z на интервале скоростей ветра от стартовой скорости с шагом дискретизации 1 м/с до скорости остановки ветроколеса:



По одной из кривых, представленных на рисунке, в соответствии с местом расположения ВЭУ и с учетом предварительно рассчитанных величин z_iопределяются значения функции σf(u). Вычисляется функция плотности распределения скоростей ветра:



На заключительном этапе рассчитывается средняя годовая выработка энергии ВЭУ с учетом энергетической характеристики ветроустановки:



12. Как определить по суточному графику нагрузки количество энергии, которое требуется потребителю в сутки, месяц, год?

Конкретный пример из РГР:



где P_iл – активная мощность потребления поселком в летний день; P_iз – активная мощность потребления поселком в летний день; t_i – шаг дискретизации времени (в данном случае, один час); n_днл – количество дней летнего периода; n_днз – количество дней зимнего периода. В скобках считается энергия за сутки, а все выражение дает годовую энергию (при условии, что зимние и летние дни считаются однообразными по графику нагрузки).
13. Дайте понятие шкалы Бофорта.

Шкала Бофорта – перечень диапазонов скоростей ветра с их ранжиром от наислабейших ветров к наисильнейшим с подробным описанием воздействия потока той или иной скорости на природу вообще и на ветроэнергетические установки в частности.




14. Перечислите способы повышения коэффициента участия ВЭС в выработке электроэнергии при работе её в составе ЭЭС.

Увеличение общего количества ветроустановок в составе ветропарка; применение более совершенных систем управления параметрами ветроколеса (такими, как угол заклинения лопастей), дабы повысить общий КПД одной установки и ее выработку.
15. Опишите структуру автономной станции на основе фотоэлектрических панелей с распределением ЭЭ на переменном и постоянном токе.

Отдельно солнечная панель не является фотоэлектрической системой. Необходимо иметь устройство для ориентирования панели на солнце, а также инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный с частотой 50 или 60 Гц. На рис. 6.39 показаны необходимые компоненты фотоэлектрической системы. На контроллер пиковой мощности 3 непрерывно поступают выходные значения тока и напряжения, а при изменении климатических условий он перемещает рабочую точку так, чтобы получать максимальную мощность. Вывод панели подключается к инвертору 6, который преобразует постоянный ток в переменный. Избыточная мощность идет на заряд аккумулятора 8. Выключатель батареи 5, как правило, представляет собой конвертор типа DC-DC. Если аккумулятор полностью заряжен, то избыточная мощность поступает на балластные резисторы, которые либо обогревают помещение, где установлена система, либо сбрасывают тепло в окружающую среду. Когда нет солнца, аккумулятор разряжается на нагрузку. Диод в цепи аккумуляторной батареи препятствует заряду аккумулятора после полного заряда, если выключатель включен. Диод в цепи солнечных панелей не дает аккумулятору разряжаться на панель при отсутствии солнечной энергии. Системные сигналы, такие как выходные значения токов и напряжений панели и аккумулятора, а также текущий заряд аккумулятора в ампер-часах, поступают на центральный контроллер, называемый контроллером режима. Этот контроллер управляет всеми переключателями в схеме фотоэлектрической системы.


16. Конструкция фотоэлектрического элемента.



Большинство фотоэлементов представляет собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис. 6.21). Между p- и n-полупроводниками прокладывается фольга, для того чтобы нижняя часть фотоэлектрической ячейки оставалась в тени. Для преобразования светового потока в электрический ток металлические контакты устанавливаются с обеих сторон. Верхний контакт представляет собой металлическую сетку, интервал волокон в которой выбирают исходя из компромисса между максимизацией электрической проводимости и уменьшением сопротивления световому потоку. Также лицевая часть ячейки имеет антирефлексивное покрытие для сокращения отражения. Механическая защита обеспечена защитным остеклением. Крышка, которая изготавливается из стекла или пластика, и фильтр между элементом и крышкой на рисунке не показаны.
17. Принцип работы фотоэлектрического элемента.



Физика фотоэлектрической ячейки очень похожа на классический p–n-переход (рис. 6.20). Когда свет поглощен соединением, энергия поглощенных фотонов передается электронной системе материала, что приводит к появлению носителей заряда, которые разделены переходом. Носителями заряда могут быть пары электрон – ион в жидком электролите или пары электрон – дырка в полупроводнике. Носители заряда создают потенциальный градиент в области перехода, получают ускорение под действием электрического поля и начинают циркулировать в виде тока через внешнюю часть схемы. Ток, протекающий через сопротивление схемы, характеризует энергию фотонов, преобразованную в электричество. Оставшаяся часть энергии фотонов идет на потери, связанные с нагревом ячейки. Возникновение фотогальванического потенциала основано на различии химических потенциалов (называемых уровнем Ферми) электронов в двух изолированных материалах. При соединении они стремятся к новому термодинамическому равновесию. Такое равновесие может быть достигнуто только при равенстве уровней Ферми в этих двух материалах. Оно получается за счет перетока электронов от одного материала к другому, который происходит до тех пор, пока разность электрических потенциалов между двумя материалами не будет обусловлена химическим потенциалом, равным начальному различию уровней Ферми. Этот потенциал контролирует фотопоток.
18. Как зависит эффективность ФЭП от интенсивности солнечного излучения, от ориентации их относительно солнца?


Величина светового потока максимальна в ясный солнечный день. При наличии небольшой облачности световой поток уменьшается прямо пропорционально уменьшению интенсивности солнечного излучения. Вольт-амперная характеристика сдвигается вниз при снижении интенсивности солнечного излучения (рис. 6.27). Поэтому в облачный день значение тока короткого замыкания сильно снижается. При этом значение напряжения холостого хода уменьшается незначительно.

Угол падения солнечных лучей по отношению к нормали приемной поверхности. Ячейка выдает ток нагрузки по закону I = I₀ cos θ, где I₀ – ток, который выдает ячейка при расположении ее плоскости перпендикулярно к падающим лучам; θ – угол падения солнечных лучей, отложенный от нормали. Этот закон дает приемлемый результат для θ от 0 до 50°. При увеличении θ более 50° значения выходных параметров значительно отклоняются от косинусоидальной зависимости, а при θ = 85° ячейка не генерирует никакой мощности. Фактическую зависимость генерируемой ячейкой мощности от угла солнечных лучей называют косинусом Kelly (рис. 6.29).


19. Как можно рассчитать выработку электричества от ФЭП?

Выдаваемая мощность панели представляет собой произведение напряжения на ток нагрузки. На рис. 6.25 показана зависимость выдаваемой мощности от напряжения. Из него видно, что ячейка не генерирует мощность при нулевом токе и нулевом напряжении и генерирует максимальную мощность при напряжении, соответствующем точке перегиба вольт-амперной характеристики. При анализе электрической системы ячейку можно рассматривать как источник постоянного тока.



На рис. 6.26 изображены вольт-амперные характеристики для 22-ваттной солнечной панели, для двух интенсивностей солнечного излучения 1000 и 500 Вт/м².



По ВАХ или же энергетической характеристике при том или ином уровне интенсивности света можно рассчитать мощность, выработанную ячейкой, а затем просто умножить ее на нужный временной интервал и получить значение выработанной энергии.
20. Как учитывается месячная инсоляция при оценке номинальной мощности СБ?

Эффективность преобразования фотоэлектрической ячейкой энергии светового потока в электроэнергию (конверсионная эффективность) нечувствительна к солнечной радиации в рабочем диапазоне. Как видно из рис. 6.28, эффективность преобразования фактически не меняется на участке, где солнечная радиация повышается от 500 до 1000 Вт/м². Это означает, что конверсионная эффективность будет практически одинаковой как в ясный солнечный, так и в ненастный день. Поэтому выдаваемая ячейкой мощность в облачный день снизится только из-за более низкой солнечной энергии, попадающей на ячейку.


21. Какие варианты крепления конструкций применяются для ориентации панелей на солнце?

Энергия, получаемая от солнечной панели, будет больше, если она снабжена приводом, обеспечивающим поворот панели за солнцем подобно подсолнечнику. Существуют два типа таких приводов: 1) привод с одной осью, который обеспечивает ориентацию панели в одной плоскости (в течение дня) при движении солнца с востока на запад (рис. 6.35); 2) привод с двумя осями, обеспечивающими ориентацию панели в одной плоскости, как в течение дня при движении солнца с востока на запад, так и в другой плоскости при смене сезонов в течение года при перемещении солнца с севера на юг (рис. 6.36). Энергия, получаемая от конструкций, отслеживающих движение солнца, на 40 % больше энергии, получаемой от зафиксированных солнечных панелей. Ориентация панели на солнце осуществляется с помощью двух двигателей с точностью до одного градуса. В течение дня такая конструкция отслеживает движение солнца с востока на запад, а ночью позиционируется на восток.





Один из методов, реализующих ориентацию солнечной панели на солнце, заключается в следующем: две фотоэлектрические ячейки устанавливают на основании под углом 45° (рис. 6.37), их выводы соединяют последовательно через привод двигателя, обеспечивающий поворот панели. Соединение выполняют так, чтобы выходные токи ячеек были направлены встречно (рис. 6.38). Таким образом, когда солнечные лучи падают перпендикулярно к основанию, на котором установлены ячейки, выходные токи обоих ячеек равны I₀ cos 45°. В результате суммарный ток в приводе равен нулю и панель не поворачивается. Как только солнце отклоняется от нормали, углы солнечных лучей становятся различными для этих ячеек, а значит, различны и значения выходных токов и в итоге суммарный ток панели равен:





22. С какими номинальными напряжениями выпускают ФЭП современные производители? Как нужно соединить ФЭП между собой для увеличения выходного напряжения?

Чаще всего фотоэлектрическая ячейка выпускается на напряжение 12 В. В зависимости от схемы соединения можно получать разные варианты выходного напряжения с комплекса подобных ячеек. Наибольшее выходное напряжение можно получить при последовательном соединении всех ячеек фотоэлектрического модуля.






23. Почему необходимо ставить защитные диоды при объединении нескольких панелей?

Большая панель может быть частично затенена из-за возникновения на пути солнечных лучей какого-либо препятствия. Если ячейка в последовательной цепи полностью затенена, то она перестает генерировать напряжение, но из-за последовательной связи с освещенными ячейками по ней продолжает протекать ток. Так как затененная ячейка не генерирует напряжение и имеет внутреннее сопротивление, она из источника превращается в потребителя мощности. Потребляемая мощность разогревает затененную ячейку. Оставшиеся в последовательной цепи освещенные ячейки должны выдавать большее напряжение, чтобы компенсировать падение напряжения на затененной ячейке. Увеличение выходного напряжения вызывает падение выходного тока в соответствии с вольт-амперной характеристикой. Снижение выходного тока не пропорционально затененной площади и может быть допустимым при умеренной тени небольшой площади. Однако при площади тени больше критического предела напряжение последовательной цепи достигнет такого значения, при котором величина выходного тока снизится до нуля, а значит, последовательная цепь перестанет генерировать мощность. Для устранения недостатка, связанного с теневым эффектом, длинную последовательную цепь делят на несколько коротких участков при помощи обходных диодов (рис. 6.31). Таким образом, затененная область не обтекается током, а снижение суммарного напряжения последовательной цепи вызывает пропорциональное снижение выходного тока. В результате теряется не вся мощность последовательной цепи, а только ее часть. Некоторые современные солнечные панели выпускаются с уже установленными обходными диодами.