ККР (Расчет ветровика). Под действием ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности и др.), а также изза влияния рельефа местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону
 Скачать 0.73 Mb.
|
|
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 13.02.04.01.000.000 СодержаниеВывод 36 Введение Важнейшей энергетической характеристикой ветра является его скорость vi. Под действием ряда метеорологических факторов (возмущения атмосферы, изменения солнечной активности и др.), а также из-за влияния рельефа местности скорость и направление ветра изменяются по случайному закону. Для определения мгновенной скорости ветра vi, т.е. скорости за промежуток времени, измеряемый секундами или даже ее долями, пользуются специальными приборами – анемометрами. Мгновенная скорость ветра определяет динамическое воздействие воздушного потока на ветродвигатель и влияет на работу автоматических систем регулирования. Количество энергии, которую сможет вырабатывать ветроэлектрическая установка, зависит в первую очередь от усредненной скорости ветра как во времени, так и по площади поверхности, обметаемой ветроколесом. Задание на курсовую работу
Дано:
Ветер — это сложный геофизический процесс, который можно про гнозировать только с определенной степенью вероятности, используя ме тоды стохастической изменчивости интенсивности потока как в избранном интервале времени, так и на ограниченном пространстве. Важной его характеристикой является также вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое. Влияние земной поверхности на ско рость и направление ветра уменьшается по мере увеличения высоты, когда скорость постепенно возрастает, а порывистость и ускорение потока сни жаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда вертикальный перепад температур относительно небольшой[1]. При адиабатическом градиенте вертикальный профиль ветра v=f(h) аппроксимируется в зависимости от вида [14]  (1)где vi - скорость ветра, измеренная вблизи земли на высоте h1; v – искомая скорость на высоте h; h0–высота, на которой скорость ветра равна нулю. Величина h0 зависит от шероховатости подстилающей поверхности (для снежного покрова h0≈0,5 см, для поверхностей с низкой травой h0≈3,2 см, с более высокими растениями h0≈5 - 7 см, h0max ≈20 см)[1].
Коэффициент СР– один из главных параметров, характеризующих эффективность ветротурбины. Он определяет среднюю выработку элек троэнергии на конкретной установке. Кинетическая энергия ветра (2) преобразуется ветродвигателем в механическую энергию и далее в зависимости от назначения ветроустановок эта энергия с помощью генераторов, преобразователей или исполни тельных механизмов может быть преобразована в электрическую, тепло вую, химическую, механическую или другие виды энергии. Кинетическая энергия воздушного потока определяется известным соотношением1  (2)В механическую энергию Емех ветродвигатель может преобразовать только часть полной энергии воздушного потока Евозд проходящего через сечение ветроколеса, определяемую типом двигателя и режимом его рабо ты. Эта часть оценивается коэффициентом использования энергии ветраСр. Получим величины, характеризующие значения коэффициента Ср. На рис. 1 показан поток воздуха, условно ограниченный сечениями; s1– перед ветроколесом; s– в зоне ветроколеса; s2– за ветроколесом. Соответ ствующие обозначения скорости ветра –v1,v и v2 (v2  Рис. 1. К определению коэффициента использования ветра  ВЭУПотери кинетической энергии потока на ветроколесе в секунду со ставляют  Дж (3)Сила F, действующая на ветроколесо, определяется изменением им пульса потока:  Н (4)Производимая этой силой работа  Дж (5)Максимальное значение этой работы определяется соотношением[11]  Дж (6)Величина  определяет мощность потока в сечении s без ветроколеса.Таким образом, максимально возможное значение коэффициента мощности,  которое называют теоретическим пределом Бетца. В практических расчетах учитывают влияние на величину Ср типа ветроколеса, в результате чего он уменьшается и составляет  (7)Меньшее значение Ср относится к многолопастным тихоходным ВЭУ с вертикальной осью вращения, большее – к горизонтально-осевым ВЭУ с двумя-тремя лопастями типа «Пропеллер»[1].
Другим важнейшим параметром ВЭУ является коэффициент быстроходности Z, который определяют как отношение окружной скорости концов лопастей к скорости ветра v:  (8)здесь R - радиус окружности, ометаемой концевыми элементами лопастей; ω - угловая частота,  рад/сu - окружная скорость на концах лопастей,  м/сгде n - частота вращения, об/мин; D - диаметр ветроколеса, м. Величина Z находится в пределах 0,2 - 10: для крупных ВЭУ Z > 1, для ВЭУ с большим количеством лопастей Z≈3, для ВЭУ с тремя лопастями и большой скоростью вращения Z ≈ 6 - 10. В работе ветроустановки выделяют два предельных режима: режим с постоянным коэффициентом быстроходности Z и, следовательно, с постоянным коэффициентом мощности Ср, и режим с постоянной частотой вращения ветроколеса и, следовательно, с переменным коэффициентом Ср. Характеристика ветроколеса обычно дается в виде зависимостей коэффициента Ср и вращающего момента М отвеличины Z (рис. 2)  Рис.2. Мощностные и моментные характеристики ветродвигателя В работах [12, 13, 14] (для наиболее распространенных типов ВЭУ) получены обобщенные кривые зависимостей Ср = f(Z) - мощностные характеристики ВЭУ, которые представлены на рис. 1.7.  Рис. 3. Зависимость коэффициента мощности Ср от быстроходности Z: 1 – идеальная эффективность турбины пропеллерного типа; 2 – высокоскоростная двухгопастная турбина «Пропеллер»; 3 – трехлопастный «Пропеллер»; 4 – вертикально-осевая турбина типа «Дарье»; 5 – многолопастной ветронасос; 6 – ротор Савониуса
Мощность ВЭУ СР=0,4  (9)где  – КПД генератора;  – КПД трансмиссии; n– частота вращения генератора, об/мин, v–скорость ветра на высоте.Масса mвоздуха, протекающего со скоростью v через сечение s в 1с,  кг/с (10)где ρ – плотность воздуха (ρ = 1,23 кг/м3 при температуре t = 15 °С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст.); s – площадь сечения, м2. Соотношение (10) для круглого сечения  м2может быть записано в виде  /с (11)где R – радиус сечения. Кинетическая энергия воздушного потока определяется известным соотношением  (12)Используя формулы (11) и (12), получаем энергию воздушного потока  которое с учетом  , преобразуется  (13)Таким образом, кинетическая энергия ветра пропорциональна кубу его скорости и площади поперечного сечения s. Энергии ветра свойствен ны низкая плотность и нестабильность. Именно это обстоятельство обу словливает трудности и создает ограничения для его использования в ши роких масштабах. Для увеличения выходной мощности ВЭУ приходится увеличивать диаметр ветроколеса и обеспечивать оптимальные параметры профиля лопастей.
В расчетах рассматривается параметр  на конце лопасти, то есть на периферии ветротурбины пропеллерного типа:Примем bпериф=0,2м.  (14)Параметр  аналогичен коэффициенту заполнения для ортогональных ветроколес, однако для последних он не зависит от сечения лопасти.Зависимости  и  достаточно точно аппрокси мируются гиперболическими соотношениями (15) (16)Зависимость  от аппроксимируется квадратичной параболой (17)Расчетные параметры Zoptp, Cpmax и Zmax для кривых 2, 3, 4, 5 и 6, представленных на рис. 3, сведены в табл. 1. Таблица 1  Выбирая в качестве независимых переменных задаваемое число ло пастей  , и полученный в результате расчета параметр (1-19) как коэффициент заполнения на периферии лопасти, можно построить семейство характеристик ветроколеса.Таблица 2
 Рис.4 Мощностные характеристики гаммы ветроколес, спроектиро ванных на различные числа (Zoptp)пр при найденных числах и оптимальном числе лопастей iл
В настоящее время разработано и применяется значительное количе ство схем для преобразования энергии ветра в электрическую энергию по стоянного или переменного напряжения или для выполнения механиче ской работы. Возможные технологические схемы эффективного получения элек трической энергии за счет энергии ветра для автономной и сетевой работы ВЭУ представлены на рис. 5.  а б Рис. 5. Схемы генерирования и использования электроэнергии при автономной (а) и сетевой (б) работе ВЭУ В современных ВЭУ преобразование энергии ветра осуществляется в основном только в схемах с генерированием переменного тока. Например, аккумулирование энергии в виде теплоты с использованием ее для отопле ния помещений может быть осуществлено при применении ВЭУ перемен ного напряжения с изменяющейся частотой или ВЭУ постоянного напря жения (см. рис. 5, а). Частота вращения ветродвигателя в этом случае не обязательно должна быть постоянной. Применение выпрямительных уст ройств дает возможность получить постоянное напряжение, которое может быть использовано непосредственно или же после его инвертирования в переменное напряжение постоянной частоты. Мощность на валу ветроколеса определяется формулой  л.с=0,43кВт (18)Напомним соотношение: 1 кВт=102кГм/с =1,36 л.с. Электромагнитная мощность генератора, сочлененного с ветроколесом, определяется прежде всего мощностью, подводимой к нему с вала, и корректируется системой управления. Уравнение механического равновесия ВЭУ может быть записано в виде Мвк-М0-Мэмг±Мд=0, (19) гдеМвк – вращающий момент ветроколеса; M0– момент, обусловленный трением механических элементов ВЭУ; Мэмг– электромагнитный (тормозной) момент генератора; Мд–динамический момент,  (20)где J –момент инерции вращающихся масс. Знаки +/– динамического момента подчеркивают его стабилизирующее действие на поведение системы: при тенденции к снижению или к повышению оборотов ветроколеса момент Мд направлен встречно к этим изменениям. В ряде случаев ВЭУ на быстроходной части могут устанавли ваться так называемые инерционные аккумуляторы, представляющие со вой стальные диски большого диаметра, которые поглощают избыточную энергию на ветроколесе при повышении скорости ветра и отдают ее гене ратору при снижении скорости ветра. В результате пульсирующий характер ветра и соответствующие пульсации момента на ветроколесе демпфируются этим аккумулятором, а скорость вращения генератора становится более стабильной, улучшается качество напряжения. Система с синхронной машиной. Для преобразования механиче ской энергии ВЭУ в электрическую энергию переменного напряжения по стоянной частоты в схеме генерирования используют синхронный генера тор, работающий параллельно с сетью (см. рис. 5, б), при этом мощ ность энергосистемы намного больше мощности ВЭУ и электрическая машина находится в синхронизме с сетью в широком диапазоне мощности, развиваемой ветродвигателем. К недостаткам такой схемы относится то, что при определенных ветровых условиях синхронная машина может пе реходить в двигательный режим и потреблять энергию из сети, а при рез ких порывах ветра появляется вероятность ее выпадения из синхронизма. Тихоходные генераторы могут быть соединены с ветроколесом непосредственно, без редуктора, и работать при переменной частоте враще ния в широком диапазоне ее изменения, что позволяет уменьшить габари ты агрегата в целом, упростить передаточные узлы и, следовательно, уменьшить расход материалов. Технико-экономические данные, степень сложности, надежность работы, себестоимость, срок окупаемости и другие показатели позволяют говорить о целесообразности дальнейшего поиска систем электрогенерирования с использованием оптимальных бесконтакт ных низкооборотных генераторов с автоматической системой регулирова ния напряжения. Режимы совместной работы энергосистемы и ВЭУ с синхронным ге нератором требуют, чтобы произведение номинальной частоты вращения ветродвигателя nвк и передаточного отношения мультипликатора i было равно синхронной частоте вращения nг СГ и, таким образом, соответство вало частоте сети, т. е.  (21)Величина мощности, вырабатываемой синхронной ВЭУ и отдавае мой в энергосистему, определяется из соотношения  (22)где U - напряжение фазы статора; I - ток фазы статора; cosφ - коэффициент мощности, определяемый уровнем возбуждения. Эта мощность меньше мощности, развиваемой на ветроколесе, на величину потерь в трансмиссии и в СГ. При работе синхронной ВЭУ параллельно с энергосистемой колебания вращающего момента на ветродвигателе не должны превышать (30 - 50)% Мн что исключает опасность выпадения СГ из синхронизма, при мом необходимо, чтобы синхронная машина обладала достаточным запасом динамической устойчивости в периоды воздействия внезапно возникающих порывов ветрового потока. ВЭУ с асинхронным генератором, подключенным на параллельную работу с сетью, преобразует энергию ветрового потока в электроэнергию трехфазного переменного тока и отдает ее в сеть, если произведение частотывращения вала ветроколеса ВК nвк и передаточного отношения i мультипликатора несколько больше синхронной частоты, т.е.  (23)При этом колебания частоты вращения ротора АГ по отношению к поминальной частоте вращения должны быть не более 2%, что связано с необходимостью обеспечить значительный запас динамической устойчи вости по моменту. Вместе с тем асинхронная ВЭУ должна иметь защиту от превышения частоты вращения, поскольку при очень сильных порывах ветрового потока аэродинамический момент ветродвигателя может превышать максимальный момент АГ, в результате чего он может перейти на неустойчивый участок механической характеристики. Отметим еще раз, что суммарный коэффициент использования энергииветрового потока асинхронной ВЭУ ниже, чем у синхронной, что связано с потреблением из сети реактивного тока на возбуждение и снижени ем величины cosφ. Исходя из мощности установкиР=0,36кВт и анализа карты ветров Ульяновской области был выбран вентильный генератор переменного тока ВГ-0,5(12)/300-57-04 Характеристики генератора:
 Рис.6 P = f(V)- Мощность ВЭС от скорости ветра.
При проектировании ВЭУ во время проведения практических расчетов необходимо согласовать рабочие характеристики ветроколеса и подключаемого к нему генератора (или другого механизма). Эти характеристики должны отражать изменение мощности, развиваемой ветроколесом и преобразуемой генератором, в зависимости от числа оборотов. Такие характеристики в общем виде показаны на рис. 6.  Рис.7. Характеристики мощности ветродвигателя и генератора ВЭУ Максимальная мощность ветроколеса при неизменной скорости ветра достигается при определенном числе оборотов. Эта мощность будет полностью i воспринята рабочей машиной (генератором), если, во-первых, ее нагрузка соответствует этой мощности, а во-вторых – достигается именно при данных оборотах ветроколеса. Это возможно, если пе редаточное отношение i мультипликатора обеспечивает такое число обо ротов генератора, при котором кривая его мощностной характеристики проходит через вершины кривых мощности ветродвигателя (кривая А на рис. 6). При завышенном значении i характеристика машины будет иметь вид кривой Б (см. рис. 6) и работа ВЭУ будет неустойчивой. При малом i характеристика приобретает вид кривой С (см. рис. 6) и ветро двигатель работает с недогрузкой, т.е. с меньшим значением Ср. Полезная мощность, отдаваемая генератором потребителю, меньше механической мощности на валу ветродвигателя на величину потерь в ме ханической передаче и в генераторе, что учитывается соответствующими коэффициентами полезного действия. Кривые рис. 6 идеализированы и, конечно, не отражают реального поведения ВЭУ, работающей при непостоянстве скорости ветра, имеющего стохастический (случайный) характер изменения, причем изменения ветрового режима происходят с периодом, составляющим одну или не сколько секунд. По такому же закону изменяются мощности ветроколеса и генератоpa.
Самовозбуждение АГ возможно при наличии потока остаточного намагничивания Фост в ферромагнитной части магнитной цепи, который при вращении ротора АГ наводит в обмотке статора ЭДС остаточного поляЕост. Обычно при шихтованном роторе Еост= (0,02- 0,03)UHOM. Под влия нием Eqctв цепи параллельной емкости возникает емкостный (опережаю щий) ток, который и подмагничивает машину.  Рис. 8. Принципиальная схема асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением Главное преимущество асинхронного генератора состоит в том, что напряжение на его выходе имеет постоянную частоту при изменении час тоты вращения ротора в некоторых пределах и ему свойственна большая устойчивость при работе на сеть, чем у синхронной машины. Последнее обстоятельство крайне важно в связи с тем, что ВЭУ становятся все более мощными. Недостатком этой схемы является то, что при одном и том же ветровом режиме она вырабатывает меньше энергии, чем синхронная машина, и связано это с меньшим коэффициентом мощности, обусловленным большими токами намагничивания, которые приблизительно пропорциональны квадрату напряжения. Следует также отметить, что последний недостаток компенсируется снижением затрат на механизмы системы регулирования, поскольку в случае использования асинхронного генератора допускается менее точное поддержание частоты вращения ветроколеса. Асинхронный генератор с вентильным возбуждением. Альтерна-1ивой конденсаторному возбуждению АГ ВЭУ большой мощности являет ся вентильное возбуждение генератора. При этом использование автоном ного инвертора (АИН) позволяет ограничиться для возбуждения АГ кон денсаторами меньшей емкости. В соответствии с методикой расчета, приведенной в работе [10] , сделаем оценку емкости конденсатора, необ ходимой для схемы ВЭУ малой мощности с автономным инвертором. Бу дем считать, что между АИН и АГ включен идеальный фильтр (ИФ) (рис. 8, а). В этом случае при угле управления ключами в 180° токи фаз будут синусоидальными (рис. 8, б). Амплитуды фазного тока и тока на конденсаторе равны:  (24) (25)Напряжение на конденсаторе записывается в виде  (26) а б Рис 9. Схема асинхронного генератора с вентильным возбуждением (а) и формы кривых тока и напряжения на конденсаторе (6) Принимая размах пульсаций напряжения на конденсаторе равным амплитуде напряжения АГ (311 В), из (24) находим емкость конденсато ра С = 22 мкФ, что почти в пять раз меньше, чем при конденсаторном воз буждении. КПД такой схе мы выше, чем конденсатор ной, следовательно, увеличи вается ресурс аккумуляторной батареи (АБ), питающей ин вертор. Регулировка величи ны напряжения производится углом открывания тиристоров. Исходя из мощности установки Р=0,36 кВт и напряжения генератора 57В выбираем пять гелиевых аккумуляторных батарей 12В емкостью 100А*ч.
Покупка и эксплуатация на протяжении 20 лет службы 0,5 кВт-ного ветрогенератора стоит 50тысрублей.Примем в расчет среднюю стоимость электроэнергии в Ульяновской области3,68р/кВт*час . Рассчитаем электрогенератор за 20 лет службы. Если учесть, что ветрогенератор введен в эксплуатацию в период до 31 декабря 2018года и он вырабатывает 0,5 кВт в час, то мы заработаем: St*Pv*Nч*Nc*Nл где St – стоимость тарифа в конкретном регионе; Pv – мощность ветоустановки; Nч – число часов в сутки; Nc – число суток в году; Nл – число рассчитываемых лет. 3,68р*0,5 (кВт) *24 (часа) * 365 (суток) * 20 (лет) = 322368 р В сутки установка вырабатывает 12кВт электроэнергии. Если от этой суммы отнять стоимость ветрогенератора, дополнительного оборудования и его обслуживания, то мы получим: 322368 -50 000 = 272368р Установка окупится через 3,1 года. Прибыль за 20 лет 272368р Прибыль за год 272368/12 месяцев=22697,3руб в год ВыводВ данной контрольно-курсовой работе я рассмотрел проектировку ветреной установки для Ульяновской области. Мною были определены , рассчитаны и построены: - вертикальный профиль скоростей ветра в приземном слое; - максимальный коэффициент мощности ;- коэффициент быстроходности Z; - мощность ВЭУ и кинетическая энергия воздушного потока; - семейство характеристик ветроколеса; - выполнен выбор генератора ВЭУ; - принципиальная электрическая схема ВЭУ; - срок окупаемости ВЭУ; Установка ВЭУ экономически целесообразна, как для выработки электроэнергии для собственных нужд, так и для продажи. Прибыль или экономия за 20лет эксплуатации электрогенератора составит 272368р. Список использованной литературы
Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист КР13.02.04.01.000.000 ПЗ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,м
