2.2. Выбор основного и вспомогательного возобновляемого
источника энергии.
Возобновляемые источники энергии (ветер и Солнце) являются неуправляемыми человеком, поэтому надо стремиться к тому, чтобы потребление электроэнергии было увязано с ее поступлением. Это является особенностью проектирования электроснабжения на основе ВИЭ по сравнению с традиционным электроснабжением.
Так как нагрузка усадьбы и мощность ВИЭ (ветра или Солнца) являются независимыми величинами, то согласованность их графиков оценивается коэффициентом корреляции /5/, который определяется по формуле:
, (2.2.1.)
где:rxy- коэффициент корреляции случайных величин X и Y;
mxy- корреляционный момент случайных величин Х и Y.
Корреляционный момент является математическим ожиданием произведения отклонений случайных величин Х,Y и вычисляется по формуле /5/:
, (2.2.2.)
Как видно из формулы (2.2.1.) и (2.2.2.) расчет коэффициентов корреляции является довольно трудоемкой операцией, требующей массовых вычислений. Тем более, что коэффициенты корреляции должны вычисляться для каждого сезона отдельно. В этой связи, определение коэффициентов корреляции было выполнено на ПЭВМ на базе стандартного пакета программ Microsoft Excel. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.2.1.
Таблица 2.2.1.
Коэффициенты корреляции
|
Зима
|
Весна |
Лето |
Осень |
rнв
rнс |
0,66
0,59 |
0,20
0,25 |
0,44
0,41 |
0,43
0,34 |
Здесь:rнв- коэффициент корреляции между нагрузкой и удельной мощностью ветра;
rнс- коэффициент корреляции между нагрузкой и плотностью солнечного излучения.
Из расчетов коэффициентов корреляции (табл. 2.2.1.) видно, что зимой, летом и осенью удельная мощность ветра более коррелирует с нагрузкой на вводе в сельскую усадьбу, чем плотность солнечного излучения. Весной наоборот, нагрузка более согласуется с солнечным излучением, но коэффициент корреляции очень низкий. На основании этого в качестве основного источника энергии принимается ветер. Так как в течении года наблюдаются штилевые дни, то энергию ветра необходимо дублировать. В этой связи в качестве вспомогательного источника принимается солнечное излучение. Однако прямое солнечное излучение также бывает не каждый день и отсутствует ночью. Это обусловливает необходимость аккумулирования энергии на периоды одновременного отсутствия ВИЭ ветра и Солнца.
Таким образом, для электроснабжения сельской усадьбы принимаются следующие источники энергии:
- ветер (основной источник );
- солнечное излучение ( вспомогательный источник );
- аккумуляторы (резерв ).
Функциональная схема электроснабжения по выбранному варианту показана на листе 5.
Электроснабжение осуществляется следующим образом. Если присутствует ветер, то от ветроколеса приводится во вращение машина постоянного тока (МПТ), заряжающая аккумуляторы , и генератор переменного тока (ГПТ). Если ветра нет или ветроколесо выключено при недопустимо сильном ветре, то аккумулятор питает МТП, которая вращает генератор. Солнечная энергия используется для до зарядки аккумулятора.
2.3. Определение мощности энергетических установок
Мощность ветроэнергетических установок является одной из наиболее важных характеристик, определяющей надежность системы электроснабжения.
Мощность ветроэнергетической установки (В-установки) должна быть достаточной для питания электроприемников усадьбы и зарядки аккумуляторов такой емкости, которой достаточно для питания электроприемников в штилевые дни ( в течении четырех суток ). При этом нужно учитывать, что в период штиля аккумуляторы могут дозаряжаться от солнечной энергоустановки (С-установки). Очевидно что суммарная стоимость В - установки, С-установки и аккумуляторов должна быть при этом минимальной. Таким образом, обоснование мощности энергетических установок является оптимизационной задачей, которую можно сформулировать следующим образом - определить мощность В-установки, С-установки и емкость аккумуляторов, достаточные для бесперебойного электроснабжения усадьбы и имеющие минимальную стоимость. В этой задаче критерием оптимальности является стоимость, следовательно задача формализуется следующим образом:
, (2.3.1.)
Wв + Wс = 5Wо(2.3.2.)
Wа = Wв - Wо(2.3.3.)
где: Y - целевая функция;
Sв, Sс, Sа- стоимость электроэнергии, вырабатываемой соответственно В-установкой, С-установкой и аккумуляторами;
Wв, Wс-электроэнергия, вырабатываемая соответственно В- установкой и С-установкой кВт ч;
Wа- электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе, кВт ч;
Wо- суточное расчетное потребление электроэнергии, кВт ч. По данным п.2.1.Wо=22,4 кВт ч.
Раскроем функции стоимостей электроэнергии и проведем необходимые вычисления в долларах США. Стоимость электроэнергии, вырабатываемой В-установкой, растет с увеличениемWвнелинейно. Это объясняется опережающим ростом материалоемкости и сложности конструкции /18,20,22/.В общем случае можно записать эмпирическое выражение:
Sв(Wв) = kвWвxх(2.3.4.)
гдеkв,x- эмпирические коэффициенты.
По данным /18/ электроэнергия, выработанная В-установкой мощностью 1 кВт и сроком службы 20 лет стоит 0,5 $, мощностью 3 кВт стоит 0,66 $. За срок службы будет выработано электроэнергии:
Wв= tвNс(2.3.5.)
где: tв- время работы в году, ч;
Nс- срок службы, лет.
По данным п.1.2.tв=6830 часов.
Подставив эти данные ориентировочно можно записать:
После логарифмирования, получаем:
Откуда:
kв= 0,05;x= 1,2.
Следовательно, функцию стоимости электроэнергии, вырабатываемой В- установкой, можно приближенно выразить формулой:
,(2.3.6.)
Стоимость электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, имеет линейную зависимость, т. к. в основном определяется площадью фотоэлементов, пропорциональной мощности установки. Следовательно, можно записать:
Sс(Wс) = sоWс,(2.3.7.)
где:sо- стоимость 1 кВт часа электроэнергии, вырабатываемой С-установкой, дол/кВт ч..
По данным /18/ sо= 0,1дол/кВт ч.
Подставив численые значения, имеем:
Sс= 0,1 Wс(2.3.8.)
Удельная стоимость аккумуляторов падает с увеличением их емкости приблизительно по гиперболической зависимости. Для практических расчетов в этом случае функцию стоимости электроэнергии, отдаваемой аккумуляторами, можно выразить следующим образом:
Sа= kаWа-2,(2.3.9.)
где:kа- коэффициент пропорциональности.
Для получения численного значения воспользуемся данными о стоимости аккумулятора 6СТ- 75. Его стоимость около 40 долларов. С учетом этого имеем:
40 = kа(0,66)-2
kа= 40(0,66)-2= 17,4
Здесь 0,66 - электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторе.
Таким образом, функция стоимости электроэнергии, накапливаемой в аккумуляторах, имеет вид:
Sа= 17,4 Wа-2 (2.3.10.)
Подставив (2.3.6.), (2.3.8.) и (2.3.10.) в целевую функцию (2.3.1.), с учетом ограничений (2.3.2.) и (2.3.3.), получаем:
Для определения Wв, обращающей целевую функцию в min, проведем соответствующие вычисления /32/:
, (2.3.11.)
Уравнение (2.3.11.) является трансцендентным, поэтому его решение находим графически (рис. 2.3.1.)
Как видно из графика, оптимальной будет В-установка мощностью 3 кВт.
Пользуясь формулами (2.3.2.) и (2.3.3.), определяем:
, (2.3.13.)
где: t - время работы С-установки за расчетный период t = 12 ч.
Так как модуль солнечного коллектора равен 0,03 кВт, то принимаем
27Ч0,03 = 0,81 (кВт)
Для расчета емкости аккумуляторов воспользуемся формулой:
, (2.3.14.)
где:Eа- емкость аккумулятора, А ч;
Uа- напряжение аккумулятора, В.
Принимаем Еа= 10Ч(6СТ-210) = 2100 АЧч.
Таким образом, параметры энергосистемы на основе ВИЭ следующие:
Основной источник В-установка,Рв= 3 кВт;
Дополнительный источник С-установка,Рс= 0,72 кВт;
Резерв, аккумуляторы 6СТ-75 Еа= 10*210 =2100 АЧч.
3. ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
3.1. Выбор типа ветроэнергетической установки
Все ветроэнергетические установки (В-установки) можно классифицировать следующим образом (лист 1).
К В-установкам с вертикальной осью вращения относятся установки карусельного типа. Наиболее эффективной из них по использованию энергии ветра является В-установка типа ротора Савониуса, в которой ветер воспринимается приблизительно 2/3 рабочей поверхности ветроколеса.
К достоинствам такого типа В-установок относятся:
- простота конструкции;
- не требуется ориентация по ветру;
- для некоторых конструкций (например, ротор Савониуса) довольно значительный вращающий момент.
К недостаткам относятся:
- низкая скорость вращения, не более скорости ветра;
- значительная зависимость крутящего момента от скорости ветра.
Так как В-установки с вертикальной осью вращения являются тихоходными, то для привода генератора требуются редукторы с большим передаточным числом. Кроме того, сильно выраженная зависимость их крутящего момента и скорости вращения от скорости ветра требуют ряда усовершенствований, увеличивающих их сложность и стоимость (маховик, шторы для уменьшения потока ветра и т.п.). В этой связи В-установки карусельного типа применяются, в основном, для водоподъема, где не требуется поддержания стабильной скорости вращения.
Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью вращения, расположенной параллельно ветру, называются В-установками пропеллерного типа и могут быть тихоходными (с числом лопастей более шести) и быстроходными (с числом лопастей до шести). Тихоходные установки менее эффективны для выработки электроэнергии, т.к. необходимы редукторы с большим передаточным числом. Поэтому они здесь не рассматриваются.
Быстроходные В-установки пропеллерного типа разделяются по способу расположения ветроколеса: за башней (самоустанавливающиеся на ветер) и перед башней (требующие устройства установки на ветер). В качестве устройства установки на ветер для маломощных В-установок применяется флюгер. Если рассматривать В-установку в качестве двигателя электрогенератора, то быстроходные установки пропеллерного типа по сравнению с другими обладают следующими преимуществами:
- высокая скорость вращения, что позволяет применять редуктор с малым передаточным числом или вообще обходиться без редуктора;
- наиболее высокий к.п.д.;
- наименее выражена зависимость крутящего момента от силы ветра;
- возможность авторегулирования скорости вращения.
К недостаткам В-установок пропеллерного типа можно отнести более сложную конструкцию и значительный гироскопический момент. Однако, современное состояние техники изготовления В-установок пропеллерного типа позволяет значительно упростить расчеты крыла и уменьшить влияние гироскопического момента /18,22 /.
Исходя из изложенного, для привода электрогенератора принимается быстроходная В-установка пропеллерного типа. Справедливость такого решения подтверждается мировой практикой использования энергии ветра для электроснабжения /18/.
3.2. Обоснование и расчет ветроколеса
Конструктивными параметрами ветроколеса являются число лопастей, диаметр, профиль лопасти, угол защемления.
От количества лопастей ветроколеса зависит его номинальная скорость вращения, при которой достигается максимальный к.п.д. /19,43,23/. Чем больше лопастей содержит ветроколесо, тем больше его крутящий номинальный момент, но тем меньше его же номинальная скорость вращения. Момент на валу генератора от ветроколеса определяется по формуле /21,46 /:
, (3.2.1.)
где:Мг- момент на валу генератора от ветроколеса, Нм;
Мвт- момент на валу ветроколеса, Нм;
nГН,nВН- номинальные обороты генератора и ветроколеса соответственно, об/мин.
В силу того, что необходимо иметь максимальный момент на валу генератора, а не ветроколеса, то нельзя без расчетов утверждать, что ветроколесо с большим количеством лопастей, а значит и с большим крутящим моментом, будет более эффективно, так как при этом уменьшается отношение nГН/nВН.
Крутящие моменты ветроколес зависят от профиля лопасти, который выбирается исходя из назначения и мощности ветроустановки. Для В-установок малой и средней мощности, приводящих во вращение электрогенераторы, приемлем профиль "Эсперо", и имеются справочные данные об относительных моментах ветроколес с таким профилем лопастей /43/. Под относительным моментом подразумевается отношение момента ветроколеса с конкретным количеством лопастей к моменту условного ветроколеса с бесконечным количеством лопастей, при котором крутящий момент принят равным единице /43/. С учетом этого, функция оптимизации будет иметь вид:
(3.2.2.)
где: Мг,Мв - относительные моменты, о.е.
Так как момент зависит от скорости вращения ветроколеса, которая в свою очередь зависит от скорости ветра, то вводится понятие "модуль ветроколеса" /18,43/, который равен:
(3.2.3.)
где:Z- модуль ветроколеса,о.е.;
w- угловая скорость вращения ветроколеса, с-1;
R- радиус ветроколеса, м;
Vв- скорость ветра, м/с.
В таблице 3.2.2. приведены относительные моменты на валу генераторов от ветроколес, работающих в номинальных режимах.
Таблица 3.2.1.
Относительные моменты и модули ветроколес с лопастями "Эсперо".
Параметры |
Значение параметров при м |
| |
2
|
3 |
4 |
6 |
|
Vв, м/с |
6,5
|
6,5 |
6,5 |
6,5 |
|
Мопт, о.е. |
0,09
|
0,12 |
0,14 |
0,19 |
|
Zном, о.е. |
5,0
|
4,0 |
3,5 |
2,5 |
|
nВН, об/мин |
310
|
250 |
220 |
155 |
|
Ммах, о.е. |
0,100
|
0,135 |
0,150 |
0,195 |
|
Zмах, о.е. |
4,40
|
3,30 |
3,00 |
2,30 |
|
nВ МАХ,об/мин |
275
|
200 |
185 |
140 |
|
, о.е. |
1,11
|
1,13 |
1,07 |
1,03 |
|
, о.е. |
1,14
|
1,21 |
1,16 |
1,09 |
Таблица 3.2.2.
Моменты на валу генераторов от ветроколес
|
Число
лопастей
|
Момент на валу генератора(о.е.*10-2) при n0, об/мин |
|
3000
|
1500 |
1000 |
750 |
600 |
500 |
375 |
300 |
250 |
2 |
0,75 |
1,5 |
2,3 |
3,0 |
3,8 |
4,5 |
6,0 |
7,5 |
9,0 |
3 |
0,80 |
1,6 |
2,4 |
3,2 |
4,0 |
4,8 |
6,4 |
8,0 |
9,6 |
4 |
0,82 |
1,6 |
2,4 |
3,2 |
4,1 |
4,9 |
6,5 |
8,2 |
9,8 |
6 |
0,79 |
1,6 |
2,4 |
3,2 |
4,0 |
4,8 |
6,3 |
7,9 |
9,5 |
Как видно из таблицы 3.2.2., наиболее предпочтительными для всех генераторов являются ветроколеса с числом лопастей от 3 до 6. Но так как ветроколесо с тремя лопастями обладает (см. табл. 3.2.1.) наибольшей перегрузочной способностью (Ммах/Мопт) и наибольшим диапазоном рабочих скоростей (Zном/Zмах), то окончательно принимается ветроколесо с тремя лопастями. Так как номинальные обороты ветроколеса небольшие, то целесообразно применять генераторы с большим числом пар полюсов р > 3.
Диаметр ветроколеса связан с мощностью ветроэнергетической установки следующей формулой /18,43,45/:
, (3.2.4.)
где:hв, hп- к.п.д. ветроколеса и передачи;
V/- математическое ожидание скорости ветра в рабочем диапазоне, м/сек.
r- плотность воздуха кг/м3, r = 1,36 кг/м3 / 21 /.
Для трехлопастного ветроколеса hв = 0,45 /43/. К.П.Д. передачи принимаем п= 0,98 /21/. Расчет ведем для генератора с nг= 500 об/мин. Рабочий диапазон скоростей ветра 4...16 м/с /38/.
